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（0）Lora及LoraWAN

本文轉載自   查看原文   2018-09-10 21:07   5517    LoraWAN/ Lora/ sx1301/ sx1278/ 470M/ sx1276/ 物聯網

Lora和LoraWAN的區別

LoRa經常被誤用來描述整個LPWAN通信系統，其實Lora是Semtech擁有的專有調制格式。 SX1272和SX1276 LoRa芯片使用稱為chirp擴頻（CSS）的調制技術來組成技術棧的物理層（PHY）。

LoRaWAN是一個開放標准，它定義了基於LoRa芯片的LPWAN技術的通信協議。 LoRaWAN在數據鏈路層定義媒體訪問控制（MAC），由LoRa聯盟維護。 LoRaWAN是一種媒體訪問控制（MAC）層協議，專為具有單一運營商的大型公共網絡而設計。

總體而言，LoRa僅包含鏈路層協議，並且非常適用於節點間的P2P通信；LoRaWAN也包含網絡層，因此可以將信息發送到任何已連接到雲平台的基站。

Lora及LoraWAN層級關系

LoRa = PHY Layer
LoRaWAN or Symphony Link = MAC Layer

Lora的一些知識點介紹

Lora調制方式優勢

1、LoRa擴頻調制解調技術使器件傳輸距離遠遠超出現有的基於 FSK 或 OOK 調制方式的系統，能到25公里以上的距離；
2、它還提供了很大的靈活性，用戶可自行決定擴頻調制帶寬（BW）、擴頻因子（SF）和糾錯率（CR）。
3、每個擴頻因子均呈正交分布，因而多個傳輸信號可以占用同一信道而不互相干擾，並且能夠與現有基於 FSK 的系統簡單共存。
4、LoRa調制解調器采用專利擴頻調制技術。與傳統調制技術相比， LoRa可以增加鏈路預算並增強對帶內干擾的抗干擾能力。同時，放松了對晶體基准振盪器的頻率容限要求，從而能夠在降低系統成本的基礎上提高性能。

SX1276/77/78 器件與關鍵參數

圖中可以看出，sx1276功能和頻段覆蓋是最完善的，可以針對歐洲標准、美國標准、中國標准、國際標准市場，目前中國一般使用的是sx1278（iot520芯片）；
SX1278接收靈敏度-148dbm，接收電流10.3mA，包長最大256個字節（Payload有效字節長度）。實際LoraWAN在SF7模式下只使用到了222個字節。

SX1276/77/78 器件頻段、功率硬件控制

1、SX1276/77/78 配備了三個不同的射頻功率放大器。其中兩個分別與 RFO_LF 和 RFO_HF引腳連接，能夠實現高達+14dBm 的功率放大功能。第三個功率放大器與 PA_BOOST 引腳連接，能夠通過專門的匹配網絡實現高達+20dBm 的功率放大功能。與高效功率放大器不同的是，這個高穩定性功率放大器能夠覆蓋頻率合成器處理的所有頻段。
RFO_LF 主要針對LF頻段（ 低頻段169M和433M、470M），RFO_HF主要針對高頻頻段（868M-915M），而PA_BOOST能覆蓋所有頻段，一般現在設計使用PA_BOOST引腳，能保證+20dBM的發送功率。

2、SPI通信可以達到10M，一般LoraWAN時要求使用10M保證SPI通信時間可以忽略。

電源策略

SX1276/77/78在整個工作溫度及操作電壓范圍內采用內部電壓調控機制，以保證電壓及器件特性的穩定性。 在1.8V-3.7V電壓范圍內, +17dBm輸出功率保持穩定，以及保證2.4V-3.7V電壓范圍+20dBm輸出功率保持穩定。

BW、SF、CR、RSSI、SNR值

  • 擴頻調制帶寬（BW）：增加信號帶寬，可以提高有效數據速率縮短傳輸時間，但會犧牲靈敏度。 一般使用125K
    注意： 較低頻段（ 169 MHz ）不支持 250kHz 和 500kHz 的帶寬。
  • 擴頻因子（SF）：SF7~SF12，還有一個比較特殊的SF6一般很少使用，要使用時對寄存器操作要做特殊的操作。
  • 糾錯率（CR）：一般使用4/5
    前向糾錯技術
    信道編碼之所以能夠檢出和校正接收比特流中的差錯，是因為加入一些冗余比特，把幾個比特上攜帶的信息擴散到更多的比特上。為此付出的代價是必須傳送比該信息所需要的更多的比特。
    為進一步提高鏈路的魯棒性， LoRaTM調制解調器采用循環糾錯編碼進行前向錯誤檢測與糾錯。使用這樣的糾錯編碼之后，會產生傳輸開銷。
    在存在干擾的情況下，前向糾錯能有效提高鏈路的可靠性。由此，編碼率（及抗干擾性能）可以隨着信道條件的變化而變化——可以選擇在報頭中加入編碼率以便接收端能夠解析。有關LoRaTM數據包及報頭的更多信息。
  • 接收信號強度指示（RSSI）：常規情況下，公式是這樣：
/*
RSSI (dBm) = -157 + Rssi, (高頻口) 
RSSI (dBm) = -164 + Rssi, (低頻口) 
另外在SNR<0的噪聲環境下，要按照
Packet Strength (dBm) = -157 + PacketRssi + PacketSnr*0.25 (或者低頻時，Packet Strength (dBm) = -164 + PacketRssi + PacketSnr * 0.25)這樣的公式。
1.PktRssiValue指單個包的信號強度，是收包這段時間內的RSSI的平均值。RssiValue指當前的信號強度。 
2.數值-157以及-164會根據實際射頻前端情況有差異(比如 LnaBoost 表示是否有外部LNA 這個數值與實際LNA的輸入不匹配)。建議對RSSI數值做單點校准，讓RSSI顯示更准確。 
3.當信號強度超過-100dBm之后，PacketRssi就不能保證線性，結果會偏離 1dB/dB 的曲線。因此需要做一定的校正。當SNR>0時，可以參考如下公式：RSSI = -157+16/15 * PacketRssi (or RSSI = -164+16/15 * PacketRssi)。當然SNR<0時，還要注意同樣做噪聲干擾的校正，在公式后面 + PacketSnr * 0.25 。
*/

在純凈環境下，RSSI跟與距離是一個非線性曲線的關系，所以路測時在一定距離內RSSI值有參考價值，過距離后基本沒有參考價值。

基本表現為：太近、太遠RSSI變化並不太明顯，而中間有一段距離表現比較明顯；但是，RSSI值受環境影響太大，一般情況下僅供參考使用。

  • 信噪比（SNR）：
    SNR：Signal-to-Noise Ratio即信噪比。信噪比這個概念具有統一的計算方法：
    SNR(dB）=Signal(dBm)/Noise(dBm)
    上式的意思是信噪比等於信號的功率減去噪聲的功率。在沒有干擾的情況下（也即電磁環境絕對干凈的情況下）噪聲功率是由自然界的環境決定的我們稱之為基底噪聲（Noise Floor）。當然我們也可以把基底噪聲和其它干擾統稱為噪聲。
    SNR值可以作為RSSI值的一個補充。

Lora的數據包結構

前導碼Preamble：前導碼用於保持接收機與輸入的數據流同步。
默認情況下， 數據包含有12個符號長度的前導碼。 前導長度是一個可以通過編程來設置的變量，所以前導碼的長度可以擴展。接收機的前導碼長度應與發射機一致。如果前導碼長度為未知或可能會發生變化，應將接收機的前導碼長度設置為最大值。
可以通過設置前導碼值進行地址過濾，實現分組通信。
報頭Header：分顯示報頭（默認模式）和隱式報頭；
顯示報頭包括：
 以字節數表示的有效負載長度；
 前向糾錯碼率；
 是否打開可選的16位負載CRC。
報頭按照最大糾錯碼（4/8）發送。
有效數據Payload：真正發送的數據
Payload CRC：對Payload數據的CRC校驗

空中傳輸時間

已知擴頻因子（SF）、編碼率（CR）及信號帶寬（BW），可以使用提供的公式計算出單個LoRa數據包的總傳輸時間，在LoraWAN需要知道每次數據傳輸在空中的傳輸時間。

LoRa跳頻

當單個數據包時間可能超過相關法規允許的最大信道停留時間，一般采用跳頻擴頻技術（FHSS）；FHSS方案的工作原理為：每個LoRa數據包的部分內容通過在微控制器MCU管理的頻率查詢表中選取的跳頻信道進行發送。在預定的跳頻周期結束之后， 發射機和接收機切換到跳頻預定義列表中的下一個信道，以便繼續發送和接收數據包的下一部分內容。

占空比（DutyCycle）

節點發射LoRa數據的時間t1與發射周期T的比值就是占空比。占空比跟國家無線電管理的相關規定有關系，占空比滿足不了國家法律時過國家相關認證會比較麻煩。
例如：470頻段占空比要求為 1%，節點使用該頻段某個信道發送一組數據耗時 10 ms，那么這個節點的本次發送周期為T1。節點在本周期結束，也就是 T1−10 ms 以后才可以再次發送數據。
T1=10/%=1000ms，需要等待 1000−10=990ms 才可以再次發送。
當占空比無法滿足國家法律時，通過跳頻手段可以解決。

信道活動檢測（CAD）

可使用信道活動檢測器來檢測其他LoRa信號是否占用了本信道；可以一定程度上減輕信道沖突問題。

SX1276狀態機

狀態 名稱
IdleMode 1： 睡眠模式
FromStart 00：進入 LowPowerSelection 狀態
LowPowerSelection 1：進入空閑狀態
FromIdle 1：發生 T1 中斷時進入接收狀態
FromReceive 110：發生 PreambleDetect 中斷時進入定序器關閉狀態

狀態間切換跟監聽模式有一定的關系。

LoraWAN的一些知識點介紹

LoraWAN網絡的射頻芯片介紹

主要組成sx1276/77/78芯片作為終端芯片；sx1301+2片sx1255/1257作為基站芯片；
Lora 470M頻段有96路上行，48路下行；上、下行的通信信道是不相同的。而上行信道對應的下行信道有一定的算法關系。

sx1301+sx1255/57

SX1301一般外接2片SX1257（或SX1255）。SX125x是射頻前端芯片，它負責將I/Q（In-phase / Quadrature，同相正交數字信號）轉換成無線電模擬信號。
1255支持的頻段為400510M,1257為8621020M

SX1301的結構圖，它是由2個MCU和ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit，專用集成電路）的綜合體。主要部件包括：
射頻MCU：該MCU通過SPI總線連接2片SX125x，主要負責實時自動增益控制、射頻校准和收發切換。
數據包MCU：該MCU負責分配8個LoRa調制解調器給多個通道，它仲裁數據包的機制包括速率、通道、射頻和信號強度。
**IF0IF7的LoRa通道**：它們的帶寬固定為125kHz，每個通道可以設置中心頻率，每個通道可以接收SF7SF12共6種速率的LoRa信號。
理論上可以同時處理6*8=48個終端的上行數據，但是它只有8路LoRa解調器，所以一個通道（IF0～IF7）接收了6個正交數據包，解調器也只負責處理其中一個。
IF8通道：帶寬支持125 / 250 / 500kHz，用於基站之間的高速通信。
IF9通道：收發(G)FSK信號，LoRaWAN在歐洲地區使用了該通道。

一般基站設計時，推薦使用GPS作為標准時鍾信號源（誤差50ns）

LoraWAN網絡本該是個大角色

雖然目前LoraWAN在中國的前景貌似只能走小型私網為主（運營商沒有主推），但是LoraWAN天生就比較適用於大型公共網絡，而不是私網； 目前LoraWAN公網在歐洲發展得比較快。

Lora的調制方式導致通信速率很慢，數據在空中傳輸的時間是比較長的，信道只有96路上行48路下行（中國470標准），在單一區域如果有多個LoraWAN網絡，就更容易產生碰撞問題；由於網絡可能來自不同廠家，這種碰撞是無法單方面避免的。

LoraWAN的網絡結構

LoraWAN采用星型拓撲結構，由后台服務器統一管理，能比較好的解決多基站多節點的接入問題；每個節點將數據傳輸到一個或多個基站。然后基站將數據轉發到網絡服務器，在網絡服務器對信息進行必要的處理。
終端設備可能用任何可用的信道、任何可用的通信速率通信，終端的每次通信以偽隨機的方式改變通信信道。

后台服務分運營商服務和應用商服務。

LoraWAN通信

通信模式CLASS A CLASS B CLASS C

所有LoRaWAN設備至少實現了CLASSA的功能。此外，他們還可能實現了CLASS B，CLASS C或被其他人自定義的功能。

  • CLASSA 雙向終端設備
    每一個終端設備的上行傳輸，跟隨兩個短的下行接收窗口。每次只能先終端上行數據才能收到基站的下行數據；CLASSA適用於超低功耗終端系統的應用。
  • CLASSB 帶接收時隙的雙向終端設備
    除A類隨機接收窗口，B類設備中在計划的時間打開額外的接收窗口。在計划的時間中接收到來自基站的同步信標（Beacon幀）。
  • CLASSC 最大接收時隙的雙向終端設備
    C類有近連續打開接收窗口的終端設備，只有發射時才關閉接收。
    本次主要針對CLASS A模式下進行介紹。

Message type 消息類型，通信命令

000     Join Request                Join請求幀
001     Join Accept                 Join接受幀
010     Unconfirmed Data Up         上行非確認幀
011     Unconfirmed Data Down       下行非確認幀
100     Confirmed Data Up           上行確認幀
101     Confirmed Data Down         下行確認幀
110     Rejoin Request               Rejoin請求幀
111     Proprietary                 （自定義專有幀）

MAC commands MAC層命令

MAC層命令（最大15個字節）可以夾帶在上、下行數據中， MAC層命令對於應用程序、應用服務器以及終端上的應用程序來說都是不可見的。
Link Check commands (LinkCheckReq, LinkCheckAns) ：鏈路檢測
Link ADR commands (LinkADRReq, LinkADRAns) ： ADR設置
End-Device Transmit Duty Cycle (DutyCycleReq, DutyCycleAns)：占空比設置
Receive Windows Parameters (RXParamSetupReq, RXParamSetupAns) ：接收窗口參數設置
End-Device Status (DevStatusReq, DevStatusAns) ：設備狀態
Creation / Modification of a Channel (NewChannelReq, NewChannelAns) ：信道修改
Setting delay between TX and RX (RXTimingSetupReq, RXTimingSetupAns) ：設置接收窗口時間

Join過程

網絡在建立之初，終端設備啟動后需要向服務端發起Join請求（接入請求），只有在接入請求得到成功答復，並根據答復配置相關參數后，終端才算成功加入網絡。Join成功后才能進行數據的上行、下行通信。
Join過程、CLASS A等模式下，服務器、終端之間約定了兩個下行接收窗口（時間窗口）來實現數據的交互。一般通信方式為：終端上行數據包后進入低功耗模式，等到約定的時間窗口后開始進入接收模式，接收服務器下行來的數據。
在Join之前要了解一下Receive Windows概念。

接收窗口Receive Windows
在每次上行傳輸的終端設備打開兩個短的接收窗口。接收窗口開始時間是一個配置周期的傳輸結束的最后一個上行比特。 終端在上行結束后考慮到功耗等問題不會立即進入接收模式，低功耗到合適時機再打開接收，接收下行數據。此協議約定了兩個窗口，數據只會在其中一個窗口中接收到。 開窗時間誤差要求為+/- 20us

First receive window：第一接收窗口，一般第一接收窗口的信道值是上一次上行信道對應的下行信道值，而通信速率相同。
Second receive window：第二接收窗口，一般第二窗口的信道值和數據速率是不變的，但是可通過MAC命令修改的第二接收窗口的頻率和數據速率。
接收窗口持續時間
接收窗口的長度必須至少為有效地檢測的下行鏈路前同步碼（前導碼）所要求的終端設備的無線電收發機的時間。比如同為12字節的前導碼，SF7和SF12的有效監測時間是不同的。
基站發送數據要求
如果網絡打算發送的下行鏈路到一個終端設備，必須在接收窗口（兩個之一）開始之前發起傳輸。
終端發送數據要求
一個終端不得發送另一個上行消息給基站，除非它已經接收在上次發送的第一或第二接收窗的下行基站消息，或者前一次傳輸的第二接收窗口已過期。

Join-request Join請求主要信息

Join-request信息包含終端的AppEUI、DevEUI及隨機的DevNonce（2字節）。
DevNonce是一個隨機值，主要用於重放攻擊；在Join過程中要求服務器對每個終端保留一定數量的DevNonce歷史值（一般5個以上）；當檢測到某次Join時值為DevNonce歷史值則判斷為發生了安全問題，將直接拒絕本次Join。

Join-accept Join接受主要信息

  1. 假如終端被允許接入網絡，網絡服務器將用join-accept響應終端的join-request請求。Join-accept信息將像普通的下行一樣的發送，只不過會使用JOIN_ACCEPT_DELAY1 或JOIN_ACCEPT_DELAY2，而不是分別用RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2 這樣的延時。
  2. Join-accept信息中包含3字節的App應用隨機數（AppNonce），一個網絡標示（NetID），一個設備地址（DevAddr），一個TX和RX之間延時（RxDelay）以及一個終端正在加入的網絡的頻率信道列表選項（CFList）。 以后該終端的通信將隨機使用該CFList信道值。
    DevEUI是IEEE標准中的全球終端ID；EUI64地址空間是終端的全球唯一標示。相當於是設備的MAC地址。
    AppEUI是IEEE標准的全球APP應用ID，EUI地址空間是終端APP應用供應商的唯一標示。
    所述AppEUI、DevEUI在執行激活過程之前就被存儲在終端中。DevEUI AppEUI需要向相關機構申請。
    AppNonce是一個隨機值或者基於某些形式的由網絡服務器提供的唯一ID值，AppNonce用於終端導出NwkSKey和AppSKey兩個會話密鑰；作為網絡安全登錄的一個參與變量。
    NetID格式如下：低7位（LSB）命名為NwkID與前面章節所述的的7位MSB短地址相匹配。相鄰或者重疊的網絡必須具有不同的NwkIDs。剩下的17個高位可以由網絡運營商任意選擇。
    NetID不同運營商或者漫游網絡標識。
    AppKeyAES-128加密/解密密鑰，該密鑰由應用程序所有者分配給該終端設備。
    設備地址(DevAddr)由當前運營商網絡提供的設備地址。終端提供了DevEUI、AppEUI，服務器將答復一個DevAddr和一個隨機的AppNonce，以后通信就直接可以用DevAddr通信了，而AppNonce則是密鑰產生者。

配網方式

終端要加入LoRaWAN網絡，有2種方法完成入網：ABP（Activation by Personalization，個性化激活）和OTAA（Over-the-Air Activation，空中激活）。

ABP方式

一般向服務器端提供終端的DevEUI，由服務器端生成：設備地址(DevAddr)，APP應用標示(AppEUI)，網絡會話密鑰（NwkSKey），APP應用密鑰 (AppSKey)信息並將該信息寫入終端中，終端重啟后將直接接入基站（沒有Join過程）。

OTAA方式

終端Join之前必須要明確以下信息：全球唯一終端標示(DevEUI)、APP應用標示(AppEUI)、AES-128加密/解密密鑰(AppKey)。
終端Join以后將保存：設備地址(DevAddr)，APP應用標示(AppEUI)，網絡會話密鑰（NwkSKey），APP應用密鑰 (AppSKey)信息。
NwkSKey、AppSKey都是基於由AppNonce、AppKey、NetID 等參數經過一定的算法得出。
NwkSKey僅作用於MIC校驗（數據完整性校驗）和和Payload MAC層相關的加密；如MAC commands操作。
AppSKey APP應用會話密鑰。網絡服務器和終端通過AppSKey加密和解密Payload字段中APP應用程序特定數據信息。它也可以用來計算和驗證包含在Payload字段中應用程序特定數據消息的應用程序級的MIC。
終端並沒有設置任何形式的網絡密鑰，相比ABP而言OTAA方式可以自動接入任意運營商的網絡。
安全性評估：NwkSKey為運營商級的網絡密鑰不能解析數據，而AppSKey是應用商級的密鑰；這樣能保證運營商無法獲取到應用商的真實數據，保證了應用商數據的安全性。

值 指令 解析
010 Unconfirmed Data Up 上行非確認幀
011 Unconfirmed Data Down 下行非確認幀
100 Confirmed Data Up 上行確認幀
101 Confirmed Data Down 下行確認幀

使用DevAddr與基站通信

Fopts 攜帶的是MAC cmd指令（如果有的話）
FRMPayload 為實際要上行的數據

470M頻段（中國）特性

同步字長度要求

Modulation Sync word Preamble length
LORA 0x34 8 symbols
GFSK 0xC194C1 5 bytes

96路上行，470.3 MHz 每 200 kHz遞增一個到 489.3 MHz，SF7~SF12 4/5
48路下行，500.3 MHz 每 200 kHz遞增一個到 509.7 MHz，SF7~SF12 4/5
• 默認發送功率 14 dBm.
• 125 kHz BW 最大至 +17 dBm.
• 傳輸時間不大於 5000 ms.
• 所有終端必須支持96路信道
• Join過程中要求從SF7~SF12並從96路信道中隨機挑選一個接入

JoinResp CFList 信道列表分配

Join答復中，服務器將信道列表帶給終端；以后終端將以這些信道值與基站通信。

Size (bytes) [2] [2] [2] [2] [2] [2] [3] [1]
CFList ChMask ChMask ChMask ChMask ChMask ChMask RFU CFListType

信道分配列表，從470.3 MHz開始，每200 kHz一個，一直講96個分配完。

LinkADRReq ADR請求信道分配列表

當終端開啟了ADR后，服務器檢測到要啟動ADR時，將發生LinkADRReq重新配置終端的通信速率、發生功率和信道列表。

ChMaskCntl ChMask applies to
0 Channels 0 to 15
1 Channels 16 to 31
2 Channels 32 to 47
3 Channels 48 to 63
4 Channels 64 to 79
5 Channels 80 to 95
6 All channels ONThe device should enable all currently defined channels independently of the ChMask field value.
7 RFU

Max Payload最大發送長度要求

DataRate M N（有控制域）
0 59 51
1 59 51
2 59 51
3 123 115
4 230 222
5 230 222
6:15 Not defined

Tx和Rx窗口信道的對應關系

第一窗口

Rx1第一窗口信道：Rx1 = |本次Tx信道-48|；如本次Tx為49、47信道，則下行信道為1信道。
Rx1第一窗口DR值選擇：

取決於RX1DROffset （07）及上行的DR值，目前RX1DROffset47預留

第二窗口

• DR值保持與第一窗口相同
• RX2 信道值 = DevAddr%48，當然也可以通過MAC commands修改。

470M頻段默認配置參數

RECEIVE_DELAY1			1 s
RECEIVE_DELAY2			2 s //(must be RECEIVE_DELAY1 + 1s)
JOIN_ACCEPT_DELAY1		5 s
JOIN_ACCEPT_DELAY2		6 s
MAX_FCNT_GAP			16384
ADR_ACK_LIMIT			64
ADR_ACK_DELAY			32
ACK_TIMEOUT			    2   //+/- 1 s (random delay between 1 and 3 seconds)

MAX_FCNT_GAP: 為接收方會同步保存接收數據的的幀號，對比收到的增加過的值和當前保存的值如果兩者之差大於 MAX_FCNY_GAP 就說明中間丟失了很多數據然后就會丟掉這條數據。
ADR_ACK_LIMIT ADR_ACK_DELAY: 如果終端的數據速率經過網絡優化比最低速率大，那節點就要定期檢查保證服務器仍然能夠收到上傳的數據。 終端上行的幀計數器每遞增一次（重傳時計數器不遞增）的同時，設備的 ADR_ACK_CNT 計數器也遞增。如果 ADR_ACK_LIMIT (ADR_ACK_CNT >= ADR_ACK_LIMIT)次上行之后沒有收到下行回復，就會設置 ADR 請求響應位（將 ADRACKReq 設為1）。此時要求網絡在接下來的 ADR_ACK_DELAY 次上行之內做出響應，在任何一次上行后收到下行數據，節點都會重置計數器 ADR_ACK_CNT。在此期間的下行數據不需設置ACK位，因為終端在等待接收期間收到任何應答都表示網關還能接收來自該設備的上行數據。如果在接下來 ADR_ACK_DELAY 次之內（比如：總共發送次數 ADR_ACK_LIMIT + ADR_ACK_DELAY）沒有收到回復，就切換到更低的數據速率上，以獲得更遠的射頻傳輸距離，並重復上述過程7。終端設備每達到 ADR_ACK_DELAY 就會再次降低自己的數據速率。

LoraWAN的使用場景

低數據量、容忍高時延的非移動（或偶爾移動）的終端設備


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