以下是关于LoRa数据包格式的完整解析，结合物理层(PHY)与MAC层(LoRaWAN协议)结构，并区分不同协议栈差异：
一、LoRa物理层（PHY）数据包格式
LoRa物理层数据包的核心是线性调频扩频（CSS）调制，通过频率线性变化的“啁啾信号”编码数据。其结构分为显式模式和隐式模式两种：
1. 显式模式（Explicit Mode）
适用于通用场景，包含完整的头部信息，结构如下：
| 字段 | 功能描述 | 长度/配置 | 技术原理 |
|---|---|---|---|
| 前导码（Preamble） | 接收端时钟同步与信号检测 | 6–65.535个符号（默认12.25符号） | 由基准up-Chirp组成，通过相关性检测实现同步 |
| 同步字（Sync Word） | 标识网络归属，防止干扰 | 1字节 | 编码网络号（如0x34为私有网络），接收端据此过滤无关数据包 |
| 物理层头部（PHDR） | 携带载荷参数：扩频因子（SF）、带宽（BW）、编码率（CR） | 1字节 | 决定数据速率与容错性 SF↑ → 传输距离↑、速率↓ |
| PHDR-CRC | 校验头部完整性 | 2字节 | CRC16算法 |
| 有效载荷（Payload） | 应用层数据（传感器读数、控制命令等） | 1–255字节 | 经CSS调制后的编码Chirp序列 |
| CRC校验码 | 检测传输错误（仅上行链路） | 可选（默认启用） | 下行链路无CRC |
2. 隐式模式（Implicit Mode）
适用于低开销场景(如时钟同步广播)，特点：
无PHDR头部：SF、BW、CR等参数由收发双方预先约定。
仅含前导码+有效载荷：减少冗余数据，提升传输效率。
二、MAC层（LoRaWAN协议）数据包格式
LoRaWAN在物理层载荷(PHY Payload)内定义MAC帧结构，由三部分组成：
PHY Payload = MHDR(MAC头) + MACPayload(MAC载荷) + MIC(完整性校验)
1. MHDR（MAC Header，1字节）
| 位域 | 名称 | 功能描述 | 取值示例 |
|---|---|---|---|
| 7–5 | MType | 消息类型 | 010：未确认上行数据 011：需确认上行数据 |
| 4–2 | RFU | 保留位 | 默认为000 |
| 1–0 | Major | 协议版本 | 00：LoRaWAN R1.0 |
2. MACPayload（可变长度）
| 字段 | 功能描述 | 结构细节 |
|---|---|---|
| FHDR（帧头） | 设备地址与控制信息 | 包含： – DevAddr（4字节）：设备唯一地址 – FCtrl（1字节）：帧控制位（ADR/ACK等） – FCnt（2字节）：帧计数器防重放 – FOpts（0-15字节）：MAC命令（如速率调整） |
| FPort | 端口号 | 0：MAC命令 1–223：应用数据 224–255：保留 |
| FRMPayload | 加密的应用数据 | AES-CTR模式加密（密钥=AppSKey） |
3. MIC（Message Integrity Code，4字节）
作用：防篡改校验。
算法：AES-CMAC，基于NwkSKey计算MHDR+MACPayload的摘要。
三、不同协议栈的数据包差异
1. LoRaWAN（标准协议）
设备分类：
Class A：双向通信(上行后开两个下行窗口)，最低功耗。
Class B：定时开启下行窗口(需时间同步)。
Class C：持续监听下行(高功耗，适用于供电设备)。
安全机制：端到端AES加密(AppSKey)与网络级加密(NwkSKey)。
2. Symphony Link（专有协议）
由Link Labs开发，优化LoRaWAN的局限性：
| 特性 | LoRaWAN | Symphony Link |
|---|---|---|
| 确认机制 | 单向ACK（Class A） | 双向确认（保证可靠交付） |
| 占空比限制 | 1%（欧盟868MHz频段） | 无限制 |
| 中继支持 | 不支持 | 支持多跳中继 |
| 动态参数调整 | 需网关命令 | 设备自主计算链路质量 |
四、关键参数对数据包的影响
1. 扩频因子（SF）：
SF7(最快)至SF12(最远)，相同数据下SF12传输时间比SF7长10倍。
2. 编码率（CR）：
CR=4/5(高效)至4/8(高容错)，冗余数据提升抗干扰性。
3. 带宽（BW）：
125/250/500kHz，带宽↑ → 速率↑ → 距离↓。
五、总结
物理层：CSS调制保障远距离与抗噪性，显式/隐式模式适应不同场景。
MAC层（LoRaWAN） ：分层加密(AppSKey/NwkSKey)与MIC校验确保安全，设备分类优化功耗。
协议栈选择：
公共网络首选LoRaWAN(标准化、高兼容性);
工业专网可选Symphony Link(高可靠、无占空比限制)。
注：LoRa物理层与LoRaWAN协议需严格区分——前者定义信号调制，后者定义组网规则。
