LoRaWAN介绍8 服务质量（QoS）

“美好的东西在质不在量。”–伊索

 

QoS（Quality of Service，服务质量）是一个网络的重要指标。

SX1301基带芯片的多通道和多速率特性，提供了较高带宽；LoRa扩频调制，提供了长距离和较佳的抗干扰特性，这些是硬件提供的基础。

QoS的其他方面：网络管理、自适应速率、可靠通信、快速下发和丢帧检测等，由LoRaWAN协议实现。

1 网络管理

实现一个网络的QoS，必须提供管理功能。LoRaWAN制定了一组MAC命令，专门为Server和End Nodes提供管理元数据的交换。

如下表所示，大部分的MAC命令用于控制LoRa无线通信的参数：通信速率、发射功率、通信信道、信号强度、duty-cycle和dwell-time等。

也提供了用于了解Server和End Node双方状态的命令：Server提供End Node当前信号强度；End Node提供自身电池电量和链路余地。

LinkADRReq命令有一个参数：NbTrans，它能提供“非确认信息”的有效通信质量。“非确认信息”，即End Nodes发送的信息，不需要Server回复ACK，以简化实现和节省电能。然而，在一些特殊的环境（如：干扰较严重或信号微弱）下，希望End Nodes将同一个信息，重复发送给Server，以提高成功率，NbTrans就用于设置重复发送的次数。

Orage公司推荐，End Nodes设置NbTrans=3。

2 自适应速率

在文章《LoRaWAN介绍3 优点》中谈到，ADR（自适应速率）是一个优点：

LoRaWAN协议推荐，End Nodes应该尽可能地实现ADR算法，以便于增加电池寿命和最大化网络容量。

站在End Nodes的角度，它比较担心：实现ADR算法后，通信速率是提高了，那通信距离还能保证吗？换句话说，Server能否接收到UPLINK数据帧。

为了消除上述疑虑，End Nodes需要定期检测，即通过接收DOWNLINK数据帧，来测试网络正常。

检测算法如下逻辑所示，看上去比较复杂，核心原理就一条：如果收到DOWNLINK数据帧，一切OK；否则，请求Server下发DOWNLINK，一旦超时，降低速率重试；直到速率等于MIN值或接收DOWNLINK为止。

3 可靠通信

通信协议提供的可靠性是基于ACK机制，LoRaWAN也不例外。如果通信的数据帧要求可靠地交付给对方，那就需要对方回复ACK。

UPLINK的Confirmed帧

如下图所示，End Node发送Confirmed帧Data0，没有收到ACK；它重复发送了Data0帧，直到接收到ACK，它再继续发送Data1帧。

DOWNLINK的Confirmed帧

如下图所示，Gateway发送Confirmed帧，End Node回复ACK帧。

为了简化设计，End Node既可以立即回复ACK帧，也可以将ACK携带在下一次UPLINK帧中。

4 快速下发

LoRaWAN的主体是Class A，它的缺点是延时大，即Server要下发DOWNLINK数据帧，必须等待End Node下一次UPLINK。为了实现快速下发，协议中有一个标志位：FPending，它用于告诉End Node，请尽快通信。

Confirmed+FPending

如下所示，这是一种高效的通信，End Node不但回复了Data0的ACK帧，还能快速接收下一帧Data1。

Unconfirmed+FPending

在这种通信中，End Node通过发送void帧（应用层数据为空），来接收Server下发的DOWNLINK数据帧；如果接收失败，End Node还会重复发送void帧，因为，它知道还需要从Server接收DOWNLINK帧。

Confirmed+FPending+ACK

在下图中，Gateway不但回复了ACK，还发送了Confirmed数据帧，同时告诉End Node还有后续DOWNLINK，请快速建立通信。

特别注意：ACK不能发送2次，因此End Node第二次回复的是void帧。

5 丢帧检测

LoRaWAN协议帧中有一个FCnt变量：

Server端管理FCntDown，每发送一帧DOWNLINK，该值加一；2种情况除外，组播一个unconfirmed帧，或者，重复发送一个没有ACK的confirmed帧。

End Node端管理FCntUp，每发送一帧UPLINK，该值加一；1种情况除外，重复发送一个没有ACK的confirmed帧。

双方都记录接收数据帧的个数，并比较当前数据帧中FCnt的值，如果差异（小心回绕！）超过MAX_FCNT_GAP，那将说明有数据帧丢失，并将采取对应的恢复策略。

文章来源：程序园