LoRaWAN MAC层

Posted 2021-09-07 成都泽耀科技有限公司Ashining

LoRaWAN MAC层

LoRaWAN代表驻留在LoRa PHY顶部的MAC（Media Access Control媒体介入控制层，属于OSI模型中数据链路层下层子层。在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址）。

LoRaWAN MAC是一个开放协议，而PHY是封闭的。

有三种MAC协议是数据链路层的一部分，这三种协议平衡了延迟和能量使用。

• Class-A是最佳的节能方法，同时具有最高的延迟。
• Class-B在Class-A和Class-C之间。
• Class-C的时延最小，但能耗最高。

A类设备是基于电池的传感器和终端。

所有连接到一个LoRaWAN网络的终端首先被关联为A类，并可在操作期间更改类。

A类通过在传输期间设置各种接收延迟优化功率。终端开始向网关发送数据包。传输后，设备将进入休眠状态，直到接收延迟计时器到期。当定时器到期时，终端将被唤醒，打开一个接收时隙并等待传输一段时间，然后重新进入休眠状态。当另一个计时器到期时，设备将再次唤醒。这意味着所有的下行通信发生在设备发送数据包上行后的短时间内。然而，这个时间段可能是非常长的一段时间。

B类设备平衡了功率和时延。

这种类型的设备依赖于网关定期发送的信标。该信标同步网络中的所有终端，并广播到网络。当设备接收到信标时，它会创建一个ping时隙，这是一个短的接收窗口。在这些ping时隙期间，可以发送和接收消息。在其他时间，设备处于休眠状态。从本质上说，这是一个由网关发起会话，并基于一个时隙的通信方法。

C类终端使用的功率最大，但时延最短。

这些设备打开两个A类接收窗口以及一个连续供电的接收窗口。C类装置通常是通电的，可能是执行器或插入式设备。下行传输没有时延。C类设备不能实现B类。

LoRa/LoRaWAN协议栈的可视化如图所示

LoRaWAN使用AES128模型安全加密数据。

与其他网络相比，它在安全性上的一个区别是，LoRaWAn将身份验证和加密分开。身份验证使用一个密钥（NwkSKey），而用户数据使用一个单独的密钥（AppSKey）。要加入一个LoRa网络，设备将发送一个JOIN请求。网关将响应设备地址和身份验证令牌。应用程序和网络会话密钥将在连接过程中派生。这个过程称为空中激活（OTAA）。另外，基于LoRa的设备可以使用个性化激活（ABP）。在这种情况下，LoRaWAN业务运营商（carrier）/网络运营商（operator）会预先分配32位网络和会话密钥。客户将购买一个连接计划，并从终端制造商那里获得一组密钥，密钥将被刻录到设备中。

LoRaWAN是一个异步的、基于ALOHA的协议。纯ALOHA协议最初于1968年在夏威夷大学被设计，它是在CSMA等技术出现之前的一种多址通信形式。在ALOHA中，客户端可以在不知道其他客户端是否在同时传输消息的情况下传输消息。没有保留或多路复用技术。基本原理是集线器（或LoRaWAN中的网关）立即重新传输它收到的数据包。如果终端注意到它的一个数据包未被确认，它将等待，然后重新传输数据包。在LoRaWAN中，只有当传输使用相同的信道和扩频因子时才会发生碰撞。