LoRa数据包物理帧格式详解

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　　背景

　　LoRa模组的手册中关于数据包格式有如下图例。

　　这个图可以理解为是LoRa数据包物理格式的最上层分划分，实际数据包中还有更加细化的层次结构。本文针对LoRa数据包物理格式进行细化说明。

　　阅读本文可以帮助模组使用者解决一些不同型号的LoRa芯片平台间互联互通的疑惑。

　　过程

　　一、LoRa数据包物理帧格式顶层说明：

　　Preamble：前导码

　　前导用于使接收器与传入数据流同步。默认情况下，数据包配置为12符号长的序列。这是一个可编程变量，因此可以延长前导码长度，例如，为了减少接收密集型应用中的接收器占空比。然而，最小长度是可以以满足通信的。一旦考虑到前导数据的固定开销，就可以通过将RegisterStreamLength从6设置为65535来改变发送的前导长度，从而产生6+4到65535+4符号的总前导长度。这允许传输几乎任意长的前导序列。接收机进行周期性重新启动的前导码检测过程。因此，前导码长度的配置应与发射机前导码长度相同。如果前导码长度未知或可能变化，则应在接收器端编程设定最大前导码长度。这里所说的RegisterStreamLength从6设置为65535指的是推荐最小值是6，最大值是65535。但是不代表RegisterStreamLength的值不能成功写入小于6的值，这个值写的太小会影响通信成功率，写的太大又会影响数据包的效率。推荐的允许最小值为6，推荐的常用值为8.RegisterStreamLength值写入8时实际发送的为12（实际真实值为12）。就是说，有4个长度是一定会加入的，而且不受RegisterStreamLength设置的长短一定会加入的。

　　Header：头

　　根据选择的模式，有两种类型的头可用。标头类型由GModemConfig1寄存器中的ImpliciTheDermodeOnBit选择。

　　Explicit Header Mode显性头：

　　显性包头是默认的操作模式。在这里，报头提供有效载荷的信息，即：
　　以字节为单位的有效负载长度。前向纠错码率
　　有效负载是否存在可选的16位CRC。报头以最大纠错码（4/8）传输。它也有自己的CRC，允许接收方显示无效的报头。

　　Implicit Header Mode隐性头：

　　在某些情况下，在有效负载、编码速率和CRC是固定的或预先已知的情况下，通过隐式头模式可以减少传输时间。在此模式下，头将从包装中移除。在这种情况下，必须在无线电链路的两侧手动配置有效负载长度、误码率和是否使用CRC。

　　注：选择SF=6时，只能使用隐性头模式。就是说如果使用了隐性头模式，就意味着只能使用固定长度数据包。

　　Payload负载：

　　这部分就是放的使用者真实想发的数据包内容。

　　CRC：

　　这部分是否存在由模组使用者配置决定，长度为2字节。

　　二、LoRa数据包物理帧格式深入说明：

　　（1）Preamble

　　前导码进行深入说明的话，分为3个部分，如下图：

　　三个部分为可变前导(variable preamble),LoRa帧同步字(Sync Word)和帧起始分隔符（SFD：Start Frame Delimiter）

　　可变前导(variable preamble)：是模组使用者有权限配置的，其长度由RegisterStreamLength配置。

　　LoRa帧同步字(Sync Word)：是两个字节，在一代LoRa模组（SX127X）中由一个字节寄存器RegSyncWord配置，默认该字节内容为0x12，扩展为2字节后为0x1424，LoRaWAN中需要改为0x34，扩展为2字节后为0x3444。

　　由一个 字节扩展为2字节方式为，先取高4位后补0x4扩展位第一个字节，再取低4位左移4位后补0x4扩展位第二个字节。

　　在二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）中由两个字节寄存器LoRa Sync Word决定，默认为0x1424，LoRaWAN中需要改为0x3444。

　　由此可知一代LoRa模组（SX127X）的可配置范围小于二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）。

　　如果模组使用者再使用一代LoRa模组时自定义了一个字节长度的寄存器RegSyncWord，比如配置成了0xAA，则使用二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）要与其互联互通时二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）的2字节寄存器LoRa Sync Word需要做对应修改，改为0xA4A4.

　　帧起始分隔符（SFD：Start Frame Delimiter）：

　　LoRa规范中PHY数据包中的SFD部分规范比较明确，为占2.25个符号宽度的标准down-chirp信号，而其中的标准down-chirp信号，如下图所示。

　　这个2.25一般表述时常表述为2，实际发时为2.25个非整数个数，这样做时LoRa协议故意为之，有助于信号同步。

　　（2）Header头

　　Header头进行深入说明的话，分为4个部分，共20位，如下图：

　　4个部分为别为：payload数据包长度，CR编码方式，payload后是否包含CRC数据，以及header的内容的CRC,共占2.5Byte长度，也就是20个Bit。另外Header部分固定采用CR=4/8的编码方式和数据包模式选择的CR不共用。

　　Payload数据包长度：Header中的第一个Byte用于表示整个数据包中，后续Payload内容的长度，占了8个bit，因此一包LoRa数据中，后续payload内容最大为255Byte

　　CR编码方式：LoRa标准中定义了四种编码方式，分别将4个bit原始数据，经过编码后变化至5，6，7，8四种长度数据。这四种编码方式的选择，相应的定义在了LoRa Header中数据包长度接下来半个Byte（4个bit）中的三个bit，如图 13所示。

　　payload后是否包含CRC数据：LoRa 物理层数据包的CRC是可以选择传输或者不传输的，定义在了LoRa Header中数据包长度接下来半个4个bit中的其中一个bit。如果数据包中存在CRC，那么还需要在有效负载最后额外再传输2个Byte内容，即16bit原始数据。

　　header的内容的CRC：LoRa Header数据中的最后一个Byte内容为Header数据字段的CRC校验，即前面所述的Payload数据包长度、CR编码方式、和payload后是否包含CRC数据在这12bit内容的CRC校验，占最后8位宽度，如下图 中Header Checksum部分所示。

　　结论

　　把LoRa数据包物理格式搞清除，便于模组使用者更好的理解LoRa通信。最直接的一个实用点就是可以帮助客户解决一代LoRa模组（SX127X）和二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）在互联互通调试过程中遇到通信异常的问题的排查。

　　请读者遇到一代LoRa模组（SX127X）和二代LoRa模组（SX12X/LLCC68）互联互通异常时重点关注下容易被忽略的LoRa帧同步字(Sync Word)。