LoRa终端与网关的通信协议主要基于LoRaWAN协议。LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范，旨在为电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络连接。该协议定义了LoRaWAN节点、LoRaWAN网关和LoRaWAN云端服务器之间的通信协议，是一套数据交互的协议标准。
在物理层和数据链路层的基础上，LoRaWAN协议通过扩频调制实现长距离低功耗通信。具体来说，LoRaWAN协议包括以下几个关键组成部分：
- 物理层：负责信号的传输和接收。LoRa技术通过扩频调制实现长距离低功耗通信。
- MAC层(媒体访问控制层)：定义了设备如何使用LoRa硬件进行通信，例如在发送数据时使用的格式和消息的结构。
- 应用层：用于应用程序之间的数据交换和处理。
LoRaWAN协议还支持多种通信模式，如Class A和Class C，以适应不同的应用场景。此外，LoRaWAN协议中的信道调度是指在传输过程中，终端和网关之间通过调整信道的参数(如频率、带宽、功率、信道类型等)来提高信号传输的质量。
LoRa终端与网关的通信协议通过LoRaWAN协议实现，该协议涵盖了从物理层到应用层的多个层次，确保了设备间的高效、可靠通信。
一、 LoRaWAN协议的物理层是如何实现长距离低功耗通信的技术细节?
LoRaWAN协议的物理层(PHY)通过采用扩频调制技术，特别是CSS(Chirp Spread Spectrum)调制技术，实现了长距离低功耗通信的技术细节。CSS调制技术相较于传统的FSK技术，能够极大地增加通讯范围。此外，LoRaWAN的物理层还支持其他调制方式如FSK和LR-FHSS，但实际应用中基本都是使用LoRa调制作为物理层。
为了进一步降低功耗，LoRaWAN在终端设备侧(Class-A)通过设置两个接收窗口的方式，避免了定时开机执行接收动作，从而减少了不必要的能耗。这种设计使得LoRaWAN能够在保持长距离通信的同时，显著降低设备的功耗需求。
二、 LoRaWAN协议中的MAC层具体是如何定义设备通信格式和消息结构的?
在LoRaWAN协议中，MAC层(Medium Access Control)负责定义设备通信格式和消息结构。具体来说，MAC层协议包括以下几个方面：
- 帧结构：MAC层定义了帧结构，这是数据传输的基础。帧结构包括多个部分，如前导码、同步码、地址字段、控制字段、负载字段等。
- 消息类型：LoRaWAN定义了六种不同的MAC消息类型，分别是join request, join accept, unconfirmed data up/down, 以及 confirmed data up/down 。这些消息类型分别用于不同的通信场景，例如设备加入网络、数据上行/下行传输等。
- 错误检测和数据加密：MAC层还负责错误检测和数据加密功能。例如，物理层消息上行带有CRC(循环冗余校验)，而下行没有。此外，如果LoRaWAN之上的层级提供了预加密的FRMPayload给LoRaWAN，则LoRaWAN不再对数据进行加密。
- MAC层包的组成：MAC层的数据包由三部分组成：MHDR(MAC层帧头)、MACPayload(MAC层负载)和MIC(4字节的校验和)。
三、 LoRaWAN协议支持哪些具体的应用层通信模式，以及各自的应用场景是什么?
LoRaWAN协议支持三种具体的应用层通信模式，分别是ABP(认证绑定)、OTAA(在线终端认证和授权)和Class B。这些模式各自有不同的应用场景：
1.ABP(认证绑定)：
- 应用场景：适用于需要高安全性的场景，如银行的自动取款机或支付终端等。
- 特点：在设备首次连接时进行认证和绑定，之后不再需要重新认证。
2.OTAA(在线终端认证和授权)：
- 应用场景：适用于需要灵活部署的场景，如智能家居设备、环境监测传感器等。
- 特点：允许设备在没有预设密钥的情况下通过网络进行认证和授权，适合大规模部署。
3.Class B：
- 应用场景：适用于需要低功耗和长距离通信的场景，如智能城市设施(如智能灯杆、智能停车场、智能垃圾桶等)、农业物联网系统、工业物联网(IIoT)、智能环境监测等。
- 特点：支持设备在接收到数据包后立即响应，同时可以在空闲时间主动向网关发送数据，从而实现更高效的通信和更低的功耗。
四、 LoRaWAN协议中信道调度是如何工作的，包括频率、带宽、功率和信道类型调整的具体机制?
在LoRaWAN协议中，信道调度涉及多个方面，包括频率、带宽、功率和信道类型调整。以下是详细的机制：
1.频率调整：
LoRaWAN协议支持自适应数据速率调整(ADR)技术，根据当前的无线条件动态选择合适的频率子带。
每个地区有不同的频段规范要求，例如中国的CN470频段支持96个上行通道和48个下行通道。
在设备入网之前，可以通过AT指令更改RX2数据速率和频率，以确保与网络侧的频段文件保持一致。
2.带宽调整：
LoRaWAN主要使用125kHz的信号带宽设置，但也可以根据需要调整其他专用协议的信号带宽(BW)。
带宽的调整会影响链路预算和传输时间，需要在电池寿命和传输距离之间进行权衡。
3.功率调整：
ADR算法不仅调整数据速率，还会动态调整传输功率，以确保通信的可靠性和电池效率。
4.信道类型调整：
根据不同的地区和终端类型，信道选择算法有所不同。例如，中国区的470M频段有特定的规范要求。
在LoRaWAN参数配置界面中，用户可以选择自定义频点，并关联设备对应的频点计划。
五、 LoRaWAN协议在实际应用中的性能表现如何，特别是在不同环境下的稳定性和可靠性?
LoRaWAN协议在实际应用中的性能表现非常出色，特别是在不同环境下的稳定性和可靠性方面。
LoRaWAN的长距离通信和能够穿透障碍物的特点使其在具有不同地理和环境挑战的地方仍然能提供高可靠性的连接。这种特性使得LoRaWAN在各种复杂环境中都能保持良好的通信效果。
LoRaWAN引入了ACK确认和自动重发机制，确保数据传输的可靠性。这些机制通过重复传输固定次数的数据包来提高网络的可靠性，即使在信号接收不好的情况下也能保证数据的完整性和准确性。
此外，LoRaWAN网络使用复杂的“自适应数据速率”算法来微调每个设备和网关之间的通信，以最小化功耗并最大化可靠性。这种自适应机制进一步增强了LoRaWAN在不同环境下的稳定性和可靠性。
