LoRa数据帧结构是一种针对低功耗、远距离传输优化的特殊包结构，由前导码、同步字、可选的帧头、有效载荷和可选的循环冗余校验(CRC)五部分组成;前导码(Preamble)由一系列可编程长度的上行调制符号构成，用于接收端同步和检测信号;同步字(Sync Word)是一个可配置的识别字节，用于区分不同LoRa网络;可选的帧头(Header)包含有效载荷长度、编码率和CRC存在性等信息，在显式模式下使用以增强灵活性，而在隐式模式下则由发送和接收端预先约定;有效载荷(Payload)部分包含实际传输的数据内容，最大可支持256字节;最后的CRC校验位用于检测数据传输过程中的错误，确保通信可靠性;整个数据帧设计充分体现了LoRa技术在带宽效率与能量消耗间的精妙平衡，适应各种复杂环境下的长距离低功耗物联网应用场景。
LoRa(Long Range)是一种基于扩频调制技术的低功耗广域网(LPWAN)通信协议，其数据帧结构分为物理层（PHY）和MAC层（LoRaWAN协议）两部分。以下从物理层结构、MAC层规范、上下行帧差异及控制字段含义等方面进行详细解析。
一、物理层(PHY)帧结构
LoRa物理层帧由前导码（Preamble）、报头（Header）、载荷数据（Payload）和CRC校验码四部分组成。
1.前导码（Preamble）
作用：用于接收端与发射端的信号同步，由一系列未经调制的UpChirp和DownChirp信号组成。
配置：长度可编程，范围0至65536个符号。例如，在US902-928频段，默认前导码长度为8个符号，实际发送时可能扩展为12个符号以增强同步稳定性。
组成：包含可变前导码、LoRa帧同步字(Sync Word)和帧起始分隔符。同步字用于区分不同代际的LoRa模组(如一代和二代)，需在设备间统一配置以避免通信异常。
2.报头（Header）
显式模式（Explicit Header）：当扩频因子(SF)≠6时启用，包含以下信息：
3.有效载荷长度(字节数);
纠错码率（CR）：如4/8码率，用于提升抗干扰能力;
CRC校验标志：指示是否对载荷进行16位CRC校验。
隐式模式（Implicit Header）：当SF=6时启用，省略报头字段以提升传输效率，要求接收端预知载荷长度和编码参数。
报头CRC（PHDR_CRC）：校验报头完整性，仅在显式模式下存在。
4.载荷数据（Payload）
内容：实际传输的应用程序或网络层数据，长度可变，最大由区域规范限制(如EU863-870频段最大为243字节)。
纠错与加密：支持前向纠错(FEC)和AES-128加密，确保数据完整性和安全性。
CRC校验码
可选性：仅在显式模式且报头中启用CRC标志时附加，用于校验载荷数据。
上行帧要求：根据LoRaWAN规范，上行帧必须包含CRC字段，而下行帧可能省略。
二、MAC层(LoRaWAN)帧结构
MAC层帧基于LoRaWAN协议，由MAC头（MHDR）、MAC负载（MACPayload）和消息完整性码（MIC）组成。
1.MAC头（MHDR）
字段结构：
| 位域 | MType（3位） | RFU（3位） | Major（2位） |
|---|
功能：
MType：定义消息类型，如入网请求(Join-Request)、确认数据帧(Confirmed Data)等。
Major：指定协议主版本号(如LoRaWAN 1.0或1.1)，影响后续字段解析。
2.MAC负载（MACPayload）
组成：
帧头（FHDR）：包含终端地址(DevAddr)、帧控制(FCtrl)、帧计数器(FCnt)和帧选项(FOpts)。
端口（FPort）：区分应用数据与MAC命令(FPort=0时FRMPayload仅含MAC命令)。
帧负载（FRMPayload）：加密后的应用数据，长度由区域规范限制。
帧头（FHDR）详解：
DevAddr：4字节终端短地址，由网络服务器分配。
FCtrl：1字节控制字段，包含自适应数据速率(ADR)、确认(ACK)、帧挂起(FPending)等标志位(详见下文“控制字段”部分)。
FCnt：2字节帧计数器，用于跟踪上行(FCntUp)和下行(FCntDown)数据帧数量。LoRaWAN 1.1引入双计数器机制，分别由网络服务器和应用服务器管理。
FOpts：0-15字节的MAC命令字段(如链路自适应指令)，与FRMPayload互斥。
3.消息完整性码（MIC）
作用：通过AES-128算法生成4字节校验码，确保帧完整性和防篡改。
计算方式：基于B0/B1块(含DevAddr、FCnt、方向位等参数)加密后截取部分结果。
三、上行与下行帧结构差异
物理层差异：
CRC校验：上行帧必须包含CRC，而下行帧可省略。
同步模式：上行帧默认使用显式报头，而下行帧可能采用隐式模式(如信标帧)。
MAC层差异：
FCtrl字段：
上行帧：包含ADRACKReq(请求速率自适应)和ACK(确认请求)位。
下行帧：包含FPending(数据挂起)位，指示网关有待发数据，要求终端快速开启接收窗口。
帧计数器：上行使用FCntUp，下行使用FCntDown;LoRaWAN 1.1进一步细分NFCntDown(MAC指令)和AFCntDown(应用数据)。
负载长度：上行帧负载通常更长(如包含传感器数据)，而下行帧可能仅含确认或控制指令。
四、控制字段(FCtrl)详解
上行帧FCtrl结构：
| 位 | 7（ADR） | 6（ADRACKReq） | 5（ACK） | 4（RFU） | 3-0（FOptsLen） |
|---|
ADR：启用自适应数据速率，网络动态优化终端速率和发射功率。
ADRACKReq：请求网络更新ADR参数(如信号质量恶化时)。
ACK：指示需对已确认帧进行应答。
下行帧FCtrl结构：
| 位 | 7（ADR） | 6（RFU） | 5（ACK） | 4（FPending） | 3-0（FOptsLen） |
|---|
FPending：仅用于下行，指示网关有更多数据待发送，要求终端尽快响应。
五、扩展特性
扩频因子（SF）与速率权衡：SF越大(6-12)，传输距离越远，但速率越低。
安全机制：物理层CRC与MAC层MIC结合，配合AES-128加密，提供端到端安全。
网络容量：单个网关支持数千节点，通过动态速率和信道跳频(FHSS)降低冲突。
LoRa数据帧通过分层设计兼顾物理层可靠性与MAC层灵活性。物理层以CSS调制和可配置帧结构实现远距离通信;MAC层通过FCtrl字段、双计数器和安全机制优化网络管理与能效。理解帧结构对于解决设备互联、速率适配和抗干扰问题至关重要。
