基于LoRa标准的MAC层协议研究

孙　曼，张乃谦，金立标，余少波

(1.中国传媒大学 宽带与网络实验室，北京 100024；2. 武汉米风通信技术有限公司，湖北 武汉 430000)



基于LoRa标准的MAC层协议研究

孙曼1，张乃谦1，金立标1，余少波2

(1.中国传媒大学 宽带与网络实验室，北京 100024；2. 武汉米风通信技术有限公司，湖北 武汉 430000)

物联网技术的发展已经经历了很多年，但是目前大多数物联网的互联仍在依靠互联网和移动互联网，专用于物联网的网络协议缺失，这在一定程度上制约了物联网的大规模普及。以LoRa为代表的低功耗、远距离网络技术的出现，有效解决了物联网复杂组网和超高功耗的难题。针对物联网互联的相关技术进行了探讨，介绍了超窄带物联网技术及低功耗广域网，并主要研究了LoRa技术的MAC层协议，详细论述了该协议的实现过程。

LoRa；超窄带；物联网；低功耗；远距离

近年来，物联网得到了广泛重视，并且获得了长足的发展，但是物联网的互联仍然缺乏专用的网络协议[1]。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。移动互联网和物联网虽然都是无线网络连接，但是二者有着本质的区别，移动互联网连接的对象是人，而物联网更主要的是完成物与物之间的连接和信息交换。人和物体的连接频度要求相当不同，手机需要永远在线、随时联网，而物联网的对象只有在需要信息交换的时刻才会联网，其余的大部分时间只是在等待。而当一个物联网设备处于“等待”状态时，完全可以释放它所占用的频谱资源并且也没必要浪费能量一直在线。因此，传统的无线网络是不适合承载物联网业务的。需要一种只有在有载荷要传输的情况下才连接的网络，超窄带调制技术在这种情况下非常适用。这一技术在理论上仅靠少量网络传送器即可支持数百万设备。此外，针对物联网所需要的低功耗、广范围的连接需求，业界提出了LPWAN(低功耗广域网)的概念。适用于LPWAN[2]的网络技术有多种，包括LoRa，Sigfox，LTE-M，NWave等。

其中，Sigfox是商用化较快的一个LPWAN网络技术，它采用超窄带技术，主要打造低功耗、低成本的无线物联网专用网络，该网络具有覆盖广、即买即用等优点，Sigfox技术在总带宽为200 kHz的信道中选取一个160 Hz的子信道进行通信，且传送数据率为160 bit/s；LTE-M标准是3GPP组织在LTE Release 13版本中推出的，其低功耗、低传输速率和高覆盖率3项特点符合低功耗物联网需求，LTE-M更是针对物联网进行了特殊的设计，可以减小发射功耗20 dBm，其最大上行数据率能到达150 Mbit/s，最大下行数据率能达到300 Mbit/s；NWave是Weightless-N协议的基础，它采用200 Hz的子信道进行通信，以虚拟化Hub的方式实现多数据流传输，中央处理器对数据进行分类确保数据归属性。

LoRa技术目前产业链相对成熟，达到可以大规模组网和应用的状态。LoRa即为“Long Range”的缩写，意为远距离传输。LoRa是由Semtech公司发布的一种无线电调制解调的技术，适用于长距离、低功率和低数据传输速率的应用。LoRa采用125 kHz的信道进行通信，其数据传输速率范围为0.3～50 kbit/s。由于采用扩频调制技术，LoRa可在信噪比低于20 dB时实现解调，这使网络连接具有高灵敏度、更加可靠，同时提高了网络效率并消除了干扰。以LoRa技术为基础的LoRaWAN协议使用了单跳星形拓扑结构，消除了同步和跳数的设置开销，从而大大降低了功耗,并可允许多个并发应用程序在网络上运行。同时，与其他适用于LPWAN的网络技术相比，LoRa也具有明显的优势。相比于Sigfox，LoRa不需要以降低速率为代价来获得通信距离与功耗上的指标优势；相比于LTE-M，LoRa不需要以放大数据和参考信号发射功率为代价来提升覆盖范围；相比于Nwave，LoRa不需要中央处理器对数据进行分类，操作简单。基于上述LoRa技术的种种优势，LoRa技术在全球范围内得到了广泛的重视与应用，本文即对基于LoRa技术的LoRaWAN MAC层协议进行了深入的研究与分析。

1　LoRaWAN协议

LoRaWAN是LoRa技术所采用的网络协议，它可以为使用电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络连接。使用LoRaWAN协议的网络可以实现安全的双向通信、移动化和本地服务，且无需复杂配置即可让智能设备实现无缝操作，给物联网领域的用户、开发者和企业自由的操作权限。

1.1网络架构

LoRaWAN的网络架构是一个典型的星形拓扑结构。在这个网络架构中，网关为透明中继，连接前端的终端设备和后端的中央服务器。网关与中央服务器之间通过标准的IP协议进行通信，终端设备使用单跳的LoRaTM或FSK与一个或多个网关相连。如图1所示。所有节点均为双向通信，但是上行链路的通信占主导地位。

图1　LoRaWAN网络架构图

终端设备和网关之间的通信可以选择多种数据速率和不同的信道频率。数据率的选择需要在通信范围和信号时延之间进行权衡，同一信道使用不同数据率的通信之间不会相互干扰。为了最大化电池的使用寿命和整个网络容量，LoRa网络通过一种数据率自适应(ADR)的方案来控制数据传输速率和每一台终端设备的射频输出。

1.2LoRaWAN数据帧结构

上行链路信息是由终端设备发送，经一个或多个网关的中转后，由网络服务器接收。上行链路的信息帧结构如图2所示。其中包含了前导码(Preamble)、物理帧头(PHDR)、循环冗余校验CRC的物理帧头(PHDR_CRC)、有效负载(PHYPayload)及循环冗余校验CRC。有效负载的完整性由CRC来保证。

PreamblePHDRPHDR_CRCPHYPayloadCRC

图2上行链路物理帧结构

下行链路信息由网络服务器发送，经一个网关，发送给唯一的终端设备。与上行链路信息相比，少了一个CRC。下行链路帧结构如图3所示。

PreamblePHDRPHDR_CRCPHYPayload

图3下行链路物理帧结构

MAC信息帧结构如图4所示。

图4　MAC层信息帧结构

1.3信息传输模式

LoRaWAN协议的传输主要分为3种模式，分别称为Class A、Class B和Class C。所有LoRaWAN协议中的终端设备都必须能够实现Class A。

Class A：Class A的终端设备在应用中功耗最低且允许双向通信，终端发送一个上行传输信号后与服务器进行下行通信，与服务器任何时候的下行通信都只能是在上行通信之后。终端设备的传输窗口的参数设定取决于设备自身通信需求，并且该窗口可以进行微调。伴随着每个上行链路的传输，终端设备都会打开两个接收窗口，接收下行链路传输的内容。接收窗口的启动时间固定，如图5所示。接收窗口1在上行链路调制结束RECEIVE_DELAY1(单位s，±20 μs)时长后打开，它与上行链路使用相同的信道频率，接收窗口1(图5中RX1)的数据率可以根据上行链路的数据率进行调整。接收窗口2(图5中RX2)在上行链路调制结束后RECEIVE_DELAY2(单位s，±20 μs)时长后打开。它使用设置好的固定频率和数据率，并且它的信道频率和数据率可以通过MAC命令修改。

图5　接收窗口示意图

Class B：Class B的终端设备在预设时间中除了会开放Class A中的RX1和RX2接收窗口外，还会开放额外的接收窗口，用以接收下行链路，这些接收窗口称为“Ping Slot”。为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收到一个Beacon(信标)，使服务器知道终端设备正在“倾听”。对于一个终端设备支持Class B的网络，所有的网关必须同时向终端设备广播一个携带时间参考信息的Beacon。基于这个时间参考信息，终端设备就能够周期性地打开Ping Slot。在下行通信开始的时候，网络还可以使用这些Ping Slot中的一个初始化下行链路，这个接收窗口被特定称为“Ping”。如图6所示。

图6　Beacon接收与Ping Slot

Class C：Class C的终端设备几乎持续为接收窗口开放，只在传输时关闭。Class C适用于功率足够大且不需要最小化接收时间的应用。使用Class C的终端设备不能使用Class B。与Class A相比，Class C将在Class A的基础上，在发送过程结束与接收窗口1打开之间打开一个短的接收窗口，用以接收下行链路，Class C的发送过程和两个接收窗口RX1、RX2的参数与Class A相同，但是Class C将不会关闭接收窗口2直到需要再次进行数据发送。如图7所示。

图7　Class C接收时隙

2　LoRaWAN MAC层协议的实现

2.1一般通信过程

大致通信过程主要分为终端激活、加入网络、数据传输3个部分，如图8所示。终端设备的激活方式分为两种，分别是无线激活(OTAA)和个性化激活(ABP)。激活后，终端设备中将存储4种信息：DevAddr(终端设备地址)、AppEUI(应用识别)、NwkSKey(网络进程密钥)、AppSKey(应用进程密钥)。LoRaWAN网络中，终端设备加入网络由相应的MAC命令完成，终端设备首先发送Join Request命令给服务器，若服务器允许终端设备加入网络，则发送Join Accept命令回应终端设备。若终端设备成功接收到Join Accept命令，则加入网络成功。之后，终端设备可以进行链路检查，确认是否成功加入网络，此过程由相应的MAC命令完成。一旦网络连接成功，之后即可开始进行数据传输，否则重新发送上行链路，重复上述过程。在数据传输过程中，可根据通信需求通过特定的MAC命令对信道频率进行修改，对数据传输速率进行自适应控制、对工作周期进行设定以及对接收窗口参数进行设定等。如果发送的数据信息需要确认，接收机将发回一个数据信息作为回应。

图8一般通信过程

例如，终端设备发送两个待确认信息的流程如图9所示。

图9　两待确认信息通信流程图

终端设备可在任意信道以任意速率发送待确认信息Data0，之后计数器Cu加1。经信道传输后，网络接收到该帧，在RECEIVE_DELAY(单位:s)时长后生成一个带有ACK的下行链路数据帧，利用接收窗口1传输。下行链路与上行链路的信道和数据率均相同。之后，计数器Cd加1。若通信顺利，终端设备接收到带有ACK的回复信息，继续发送下一帧数据；若未能成功接收到回复信息，重新传送上一个发送信息。在这里假定下行链路丢失。在ACK_TIMEOUT(单位s)时长后重传Data0。重传必须使用另外的信道并且遵循普通传输过程的工作周期限制。这一次在接收窗口1，下行帧被成功接收。一旦带有ACK的数据帧被解调，终端设备就能够使用新的信道发送新的一帧。

2.2数据率自适应控制(ADR)

LoRaWAN网络中的数据率自适应控制可以使网络传输中的数据率达到最大化，增加终端设备的电池寿命，并使网络容量达到最大。当帧控制域FCtrl中的ADR(见图4)设置为1，且实际通信数据率高于默认值时，服务器将会周期性确认网络是否还在接收上行链路。每次上行链路计数器加1，ADR_ACK_CNT计数器也加1。如果一直没有下行链路回应，在发送ADR_ACK_LIMIT个上行链路后，终端设备发送数据率自适应请求。网络需要在ADR_ACK_DELAY设定的时间内发送一个下行链路作为回应。若收到回应，发送一个上行链路并重置ADR_ACK_CNT计数器；如果没有收到回应， 那么在下一个上行链路的发送过程中将降低数据率扩大连接范围进行重新连接。

3　总结

物联网发展到今天，逐渐向大规模、众多节点和大范围方向演进。LoRa以其超低功耗、超长距离传输性能和可以支持众多节点的特点，在物联网领域中获得了广泛的重视。这对于推动物联网在我国的普及具有重要意义。本文主要研究了LoRa的MAC层协议，论述了LoRa系统的通信实现过程，总结了LoRa的通信模式，这对于考察LoRa在我国物联网中的应用具有一定的意义。

目前，法国公司Actility已经开始LoRaWAN这一低功耗、远距离物联网的商用，该公司是首家推出基于LoRa标准的商业化系统方案的公司，其系统方案包括应用于LPWAN(低功耗广域网)的连接方案、连接设备和云平台，以及在线商店。Actility公司的ThingPark解决方案定位于填补远距离却仅需传输少量数据的无线技术缺口，它所应用的ThingPark平台是首个服务于物联网领域各类应用的端到端LoRaWAN互操作平台[3]。此外，法国Bouygues电信公司于2015年3月宣布建设物联网网络，并准备在同年6月份在格勒诺布尔市应用，商用初期，该网络将覆盖巴黎部分地区及较偏远的一个区，预计到年底网络可覆盖巴黎地区约300个镇，并且覆盖50%的法国人口[4]。此外，我国也有多家模组厂商推出了LoRa模块，Augek即南京八月智能科技公司，是一家运营商级物联网通信设备供应商，推出基站和LoRa通信模块。八月科技的方案开始用于船联网中，能够实现船船通信、船岸通信、岸基通信、船舶无线传感网以及航道无线传感网等船联网核心网络功能。随着越来越多中国企业加入LoRa联盟，LoRa技术在中国物联网领域投入商用指日可待。

[1]许永硕.让LoRa来解决物联网复杂组网和超高功耗的痛点[EB/OL].[2015-06-18]. http://news.rfidworld.com.cn/2015_06/cafdeddd93ef7805.html.

[2]PETAJAJARVI J，MIKHAYLOV K，ROIVAINEN A，et al. On the coverage of LPWANs: range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]//2015 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST)，[S.l.]：IEEE，2015：55-59.

[3]陈皓.Actility公司及其物联网专用低功耗广域网络方案 [EB/OL].[2015-04-15].http://blog.sina.com.cn/s/blog_79b01f660102wdqn.html.

[4]赵小飞，王苏静.旨在加速物联网领域拔得头筹，LoRa成为运营商重要武器[EB/OL].[2015-10-19].http://www.netofthings.cn/GuoJi/2015-10/6695.html.

孙曼(1993— )，女，硕士生，主研通信协议及软件；

张乃谦(1978— )，副教授，主要研究领域为无线通信与物联网；

金立标(1976— )，副教授，主要研究领域为宽带网络与物联网；

余少波(1963— )，博士，主要研究领域为物联网通信。

责任编辑：许盈

MAC layer protocol research and implementation based on LoRa

SUN Man1, ZHANG Naiqian1, JIN Libiao1,YU Shaobo2

(1.BroadbandandNetworkLab,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China; 2.WuhanMeterWindCommunicationTechnologyCo.,Ltd.,Wuhan430000,China)

The development of Internet of things has undergone a number of years. However, most of the network connectivity of Internet of things is still rely on the Internet and mobile Internet, the network protocol dedicated Internet of things is missing, this restricted the mass popularity of Internet of things to a certain extent. LoRa represented in low-power, long-distance network technologies appears to effectively solve the complex networks and ultra-high-power networking problems. In this paper, the Internet of things are discussed with related technologies, the ultra-narrow-band technology and low power WAN are introduced, MAC layer protocol is mainly studied based on LoRa, and the implementation of the protocol is discussed in detail.

LoRa; ultra-narrow-band; Internet of things; low power; long range

TN929.5

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.10.016

2016-12-10

文献引用格式：孙曼，张乃谦，金立标，等. 基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术，2016，40(10)：77-81.

SUN M，ZHANG N Q，JIN L B，et al. MAC layer protocol research and implementation based on LoRa [J].Video engineering，2016，40(10)：77-81.