【技术】LoRa Class A B C三个模式的区别

信驰达在本文将对LoRa Class A B C三个模式的区别进行详细的讲解。在了解LoRa Class A B C三个模式之前，先来了解一下LoRa和LoRaWAN。LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

一、LoRa协议架构图

LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

图1

二、LoRaWAN 网络架构

图2

可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。

LoRa的架构和手机差不多：终端+基站的模式。LoRa都是星形网络，没有mesh网络。LoRa设备要通过网关的4G、Wifi、网线等接入公网。其中“LoRa模块+网关+数据中转传输”部分，已经有大量成熟解决方案。 MCU连接LoRa网络，跟连接2G和NB-IoT网络的方式是类似的，重新照着模块AT指令写一遍就好了。如果上FreeRTOS之类的小系统，大部分网关厂家有参考代码可以直接搬过来用。

三、LoRa实际应用的几个参数：

市区普通场景用NB-IoT足够了，山里的牧场、科考队之类的用LoRa比较好，范围足够大。功耗上看多久上报一次数据，1000mAh的电池支撑LoRa定位器工作几个月肯定没问题。都用上LoRa了，相信数据发送频率和数据量都不会有多大的，所以容量、速度这些参考一下即可。

● 传输距离：市区2～5公里，郊区15公里。

● 工作电流：仅射频收发器，睡眠时0.2μA，接收时10mA，发送时120mA@+20dBm，20mA@+7dBm，发送时的工作电流与发射功率有关。

● 节点容量：上万（tens of thousands），与节点的数据发送频率有关。

● 速率：中国，250bits/s ~ 11kbits/s（LoRa调制），50kbits/s（FSK调制），LoRa调制最大速率相当于串口9600波特率，FSK调制最大速率相当于串口57600波特率。

● 频谱：中国，779MHz ~ 787MHz。

四、Class ABC三个模式，高效利用LoRa

Class A上下行的时序图，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始，接收窗口RX2是在上行后2秒开始。终端有数据了，就上报，顺便收一下服务器下发的指令。终端没数据的时候，服务器下发不了指令。适合用在智能井盖、智能垃圾桶、传感器等场景，你可以几天才发一个数据上去，非常省电。

图3

Class C和A基本是相同的，只是在Class A休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2。几乎随时都可以接收数据。只干活不睡觉，功耗自然就高了。考虑到10mA级别的接收电流，不是长供电的设备最好别用这个模式。）

图4

Class B的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。如这个示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒。（实际上就跟NB-IoT的eDRX模式差不多，隔几十秒收一个数据。其他时候都在休眠。功耗低、服务器下发数据延时也不大。适合定位器、开关等场景。既不用接电，也能够“还算及时”的控制设备。

图5

五、Class B用的最多，也最复杂，技术细节：

终端和基站约定一个时间下发数据，终端和基站依靠beacon信号校对时间，确保约定的时间不会错位。下文的节点是终端设备、NS是数据服务器、网关就是LoRa基站）

ClassB的目的是使得节点具有在预定时间打开接收窗口（称之为ping slot）的能力。一个支持ClassB的网络，所有的网关都必须同步发送beacon。

NS选择哪个网关来发起下行，基于节点的最后一次上行的RSSI，因此，节点在移动并检测到收到的beacon（节点可以识别出收到的beacon来自于哪个网关）发生变化时，节点必须发起一次上行（通常发一个空的上行帧）强迫NS更新NS下行路由（NS->某网关->节点）。

节点工作在Class B之前，下面信息必须告诉NS：节点ping-slot默认周期、DR（数据速率）、频道。

同一网络，所有网关发送beacon是同时的，这来源于GPS时间的唯一性。节点是有可能“收到”多个网关的beacon。

所有节点都以Class A入网。节点的应用软件可决定切换到Class B。

1.节点应用层请求LoRaWAN层切换到Class B。节点的LoRaWAN层搜索beacon并返回结果（BEACON_LOCKED或者BEACON_NOT_FOUND）。LoRaWAN层可使用DeviceTimeReq MAC指令加快beacon搜索过程。

2.一旦进入Class B模式，节点所有上行帧的FCTRL_ClassB（FCTRL域中位Class B）都置1，从而告知NS本节点已进入Class B模式。节点MAC层将自动在每个beacon和ping时间窗打开接收。节点成功收到beacon后，LoRaWAN层会把beacon内容和RSSI传给应用层；节点在ping slot成功收到下行后，处理方法同Class A下行。LoRaWAN层在组织beacon和ping时会考虑最大可能时钟偏差。

3.移动节点必须周期通知NS更新下行路由，通常是发送一个空的上行帧。比周期发送更高效的办法是，应用层检测到beacon内容变化时主动发起上行。当然，节点需要在beacon接收和此上行之间增加一个0-120s的随机延迟（以防止多个移动节点同时发上行引起系统性冲突）。

4.任意时刻，NS可通过PingSlotChannelReq MAC指令修改节点的ping 频率和速率。

5.任意时刻，节点可修改ping周期：首先必须临时结束Class B操作（上行FCTRL_ClassB清0）并发送PingSlotInfoReq指令到NS，NS对此命令回复ACK之后，节点可使用新的ping周期重新开始进入Class B操作。

6.一段时间节点未收到beacon之后，节点MAC层必须通知应用层当前MAC已切换到Class A。同时，LoRaWAN层也不再设置上行FCTRL_ClassB。应用层可以周期性尝试切回Class B（重新从上述第1步即搜索beacon开始）。

六、收不到Beacon怎么办？多收一会

LoRa终端和LoRa基站之间的时间同步，是LoRa比NB更省电的核心要素。NB不需要同步，是因为NB终端会定期向服务器发心跳。LoRa一旦约定好了时间，基站就默认设备一定会在那个时间点接收，所以需要严格的时间同步。Beacon则是时间同步的最关键的地方。

节点由ClassA切换到ClassB之前必须收到beacon，进入ClassB之后还需要周期搜索/接收beacon，从而同步时钟。Class B节点可能临时收不到beacon，此时节点要逐渐加宽beacon和ping的接收窗。如果收到beacon后2小时收不到新的beacon，节点需使用内部时钟保持同步。使用温度传感器可以进一步降低节点内部时钟晶振的误差。

图6

七、Beacon周期内部的时序

两个连续beacon起点之间时间差称之为beacon周期。

图7

Beacon周期128s，减去5.12s，剩余122.88s为ping可用时间。122.88s=4096*30ms

Guard time是给上一次ping用的，保证ping完成后才能进行beacon发送。

beacon reserved是给beacon用的，保证beacon完成后才能进行ping发送。