本文主要介绍了 LoRaWAN 自组网协议、设备工作模式、设备间的时间同步问题

1. 前言

最初，A类设备出现了，专家们觉得是好的，于是在A类上行接收窗口外，常开了接收窗口2，于是出现了C类设备。

A类设备实时性低，功耗也低，C类设备实时性高，功耗也高，于是专家们设计了精密的时钟同步系统，网关定期广播时间，节点定期打开接收窗口，兼顾功耗与实时性，于是出现了B类设备。

最后专家们觉得还不够复杂，于是设计了基于B、C类的多播协议，然后是基于多播协议的分段数据块传输协议，再然后是基于分段数据块传输协议的OTA固件升级协议。

在深入LoRaWAN的过程中，我发现时钟同步的概念贯穿到每一个环节，节点何时发送、何时接收、又如何兼顾实时性与低功耗？梳理清楚这个问题，就能逐步搭建复杂的应用层协议。

PS：下面的内容基于LoRaWAN 1.0.3版本，由于博主是服务端开发人员，对物理层与嵌入式设备的理解还不够深入，因此在专业名词翻译上可能存在一些不准确的表述，原始文档请参考

• LoRaWAN 1.0.3 Specification
• LoRaWAN Multicast Setup
• Fragmented Data Block Transport Specification
• LoRaWAN Backend Interfaces

2. 设备数据收发

2.1 数据帧格式

上行数据帧格式

Preamble	PHDR	PHDR_CRC	PHYPayload	CRC

下行数据帧格式

Preamble	PHDR	PHDR_CRC	PHYPayload

2.2 数据发送

节点发送数据

• 随机跳频：从可用的上行信道中选取一个，若无法使用，则再随机抽取一个
• LBT机制：选取信道后，发射数据前，首先侦听该信道是否被占用，若无占用则开始发送数据
• 休眠与接收：标准A类设备发射结束后进入休眠，并在随后的1秒和2秒的时间节点附近进行接收，B、C类设备会有额外的接收窗口

网关发送数据

• 从网关下行队列中直接取数据按给定信道、速率发射，无跳频与LBT

2.3 数据接收

节点接收数据

• 接收窗口频率与速率：A类设备在每次上行结束后，都会开启两个短暂的接收窗口，其中RX1按区域参数定义，随节点上行频点和速率变化，RX2在RX1接收失败时打开，RX2的频点、速率与C类单播/多播一致，按区域参数定义固定频点和速率
• 接收窗口持续时间：不同区域具有不同的前导码设计，接收窗口持续时间必须足够让节点探测到下行信号
• 校验：节点在接收数据的过程中，可根据区域参数定义的数据格式检查数据帧、执行CRC校验、DevAddr比对等，若出现异常，可随时中断接收

网关接收数据

• 接收窗口频率与速率：网关最多可同时侦听8个信道，N个速率，N在区域参数中定义，例如CN470速率为DR0～DR5，网关最多可同时侦听8x6=48个频点+速率的组合
• 接收窗口持续时间：半双工网关在同一时刻只能接收或发送数据，只要不发送数据，就一直处于接收状态；全双工网关可同时接收和发送数据，相当于一直处于接收状态
• 校验：类似节点，由于网关只做透传，仅执行CRC校验，不核查DevAddr

3. A类设备

• 节点发射数据的速率慢，最长可能长达数秒
• 数据传输速度接近光速，可认为发射（Transmit）结束的那一刻，节点和网关的时间是对齐的
• 节点发射结束后进入休眠，并分别在接下来的1s和2s的时间点附近打开接收窗口，短时间内可认为节点内部晶振稳定，不会令时间大幅度偏移
• 网关接收数据完成的后，为数据打上当前时间戳（SX1301芯片内部时间），发送到服务器
• 服务器处理数据，若有回包，则在上行数据包时间戳（SX1301芯片内部时间）的基础上加1s或2s，并下发给网关
• 网关接收到服务器回包，根据当前SX1301内部时间，在网关下行队列中插入数据，并在节点打开接收窗口RX1或RX2时，通过射频发送
• 上述的整个流程只需要使用SX1301的内部时间，且只取相对时间

4. C类设备

• 包含A类设备的所有特性
• 持续侦听，除节点上行数据、节点侦听RX1、节点接收数据外，都按RX2设定的频点和速率进行侦听，随时接收数据
• 服务器主动下行时，数据包不含SX1301内部时间，而是将imme标志位置为true，提示网关尽快下发

5. B类设备

5.1 GPS

GPS全称是全球定位系统，卫星搭载高精度时钟，最初的设计功能主要是提供全球定位功能，同时会广播一个时钟数据，因此也具备授时功能，精度相比NTP高很多，例如1981年的氢原子钟精度达到10^-14秒，使得定位误差可以降低到1米。

GPS的计时器每1024周会溢出反转，2012年及之前的iPhone和iPad系统都直接使用GPS进行对时，苹果当时也提前发布了警告通知，提醒用户升级系统，否则系统时间可能出现回退：https://support.apple.com/en-us/HT210239

GPS时间是绝对时间，是以原子振荡周期确定的原子时；世界时（太阳时间）是基于地球自转的天文测量而得出的；UTC时间（世界协调时）则是在原子时秒长基础上，在时刻上尽量接近世界时的时间计量系统。

GPS时间与UTC时间的互转可以通过查表（leap second table）的方式进行，给定一个UTC时间减去自GPS起始时间开始以来的所有闰秒，可以换算出GPS时间，反之可以从GPS时间得到UTC时间。

5.3 网关时间同步

• 网关配备GPS模块和GPS天线接收GPS信号
• GPS模块上电启动后，会持续同步位置信息与时间信息
• GPS位置信息同步过程与GPS时间同步过程是独立的
• GPS时间与SX1301时间在网关内部通过定时对齐完成同步，以便下发带GPS时间戳的数据
• 网关按照区域参数定义的格式，以固定速率、频率，每128秒广播一次GPS时间（Beacon）
• 多网关的场景下，通过高精度时钟确保不同网关能够在同一个相位内完成时间广播

5.4 节点时间同步

5.4.1 首次时间同步

• 首次时间同步以A类模式进行
• 节点上行DeviceTimeReq，配备GPS的网关接收到数据时，会同时打上GPS时间戳及SX1301时间戳
• 服务器接收到数据后，将GPS时间戳编码进DeviceTimeAns，通过RX1或RX2下发给节点
• 节点接收到DeviceTimeAns后，结合上次发射结束的时间换算出当前的GPS时间，完成同步

5.4.2 节点接收Beacon

• LoRaWAN协议定义支持ClassB的网关每128秒广播一次Beacon，供节点同步时间
• 节点首次同步时间后，可以快速换算出下一个Beacon的发射时间，既加快时间同步过程，也避免持续接收影响功耗
• 节点接收到第一个Beacon后，完成第二次时间同步，后续会每128秒打开一次接收窗口，持续从网关同步时间，确保时间不会漂移

5.5 节点上报PingSlotPeriod && 切换ClassB

• B类设备的接收窗口，按PingSlotPeriod大小N划分为2^N个接收窗口，称为PingSlot
• 128秒的周期由2^N个PingSlot和Beacon接收窗口组成
• N取值范围是0_{7，即节点可根据配置，在128秒的周期内开放1}128个B类接收窗口
• 节点在这一步做确认上行，上报的PingSlotInfoReq必须得到服务器的PingSlotInfoAns，确保双方完成同步
• 获取PingSlotInfoAns成功后，节点立刻上报一帧ClassB标志位置为1的数据帧，提示服务器节点已经进入ClassB模式

5.6 服务器主动下行

• 服务器可根据存储的节点devAddr、PingSlotPeriod、UTC时间、区域参数定义等，计算出节点下一个PingSlot打开的时间和频率、速率
• 服务器下发数据前打上计算出GPS时间，网关根据GPS时间换算SX1301时间，并在节点打开接收窗口时下发

5.7 时序

• B类设备包含所有A类设备的特性
• B类设备除定时接收Beacon外，还会定期打开PingSlot接收服务器的主动下行
• 每个节点会根据自身的devAddr生成的初始PingSlot窗口时间，即接收Beacon结束后打开的第一个PingSlot，实现时分复用
• 按区域参数定义，部分频率计划固定B类主动下行频率和速率，部分预设信道的频率计划会根据PingSlot自动调频选择下行频率，实现频分复用

6. 多播

6.1 单播、广播与多播的区别

• 节点和网关发射数据时，在无线环境下始终是广播的形式
• 多播下行数据帧与单播下行数据帧格式一致
• 单播：对于同一帧服务器下行数据，可能存在N个节点接收，但只有目标节点完成接收处理，获得原始数据，从最终结果看，是点对点通信
• 广播：对于B类场景，当网关定时广播时间数据时，所有频率计划相同的B类节点都可以接收处理数据，相当于一对所有通信
• 多播：也称为组播，若一批节点同时配置了一组相同的devAddr、nwkSKey、appSKey，那么对于一帧服务器多播下行数据，这一批节点都可以完成接收处理，获得原始数据，而组外节点则不会响应，从最终结果看，相当于一对一组通信

6.2 密钥同步

• 节点单播时使用单播地址和单播密钥，配置为多播节点时，额外增加一套多播地址和多播密钥
• 同一个分组内的节点具有相同的多播参数，包括密钥、频率、速率等
• 密钥可通过手动配置，也可通过多播组创建协议自动从服务器配置

6.3 C类多播

• C类节点的RX2与C类单播、C类多播一致，无额外的时序
• C类节点进入主动接收的状态下后，在RX2的频率、速率下侦听信号，可接收A类下行、C类主动下发及C类多播下行
• 节点根据接收到的数据帧devAddr取对应的密钥解析数据

6.4 B类多播

• 在B类单播的章节中，我们知道
  • 每个B类节点根据devAddr计算出各自的初始PingSlot起始时间
  • 128的周期由2^N个PingSlot和Beacon接收窗口组成
• B类多播设备至少拥有一个devAddr和一个mcAddr，因此将在单播的基础上，再次插入一组PingSlot，并按区域参数定义侦听指定的频点和速率
• 不同于C类节点，B类多播节点将轮流侦听单播和多播模式下指定的频点，以接收服务器的主动下发