LoRa简介@@
物联网@@应用中@@的@@无线技术@@@@有多种@@，可组成局域网@@或@@广域网@@@@。组成局域网@@的@@无线技术@@@@主要有@@2.4GHz的@@WiFi，蓝牙@@、Zigbee等@@，组成广域网@@的@@无线技术@@@@主要有@@2G/3G/4G等@@。这些无线技术@@@@@@，优缺点非常明显@@，可如下@@图总结@@。在@@低功耗@@广域网@@@@（Low Power Wide Area Network, LPWAN）产生之前@@，似乎远距离和@@低功耗@@两者之间只能二@@选一@@@@。当采用@@LPWAN技术@@之后@@，设计人员可做到@@两者都兼顾@@，最大程度地实现更长距离通信与更低功耗@@@@，同时还可节省额外的@@中@@继器成本@@。
LoRa 是@@LPWAN通信技术@@中@@的@@一@@种@@，是@@美国@@Semtech公司采用和@@推广的@@一@@种基于@@扩频技术@@的@@超远距离无线传输方案@@。这一@@方案改变了以往关于@@@@传输距离与功耗的@@折衷考虑方式@@，为用户提供一@@种简单的@@能实现远距离@@、长电池寿命@@、大容量的@@系统@@，进而扩展传感网@@络@@。目前@@，LoRa 主要在@@全球免费频段运行@@，包括@@433、868、915 MHz等@@。
LoRa技术@@具有远距离@@、低功耗@@（电池寿命长@@）、多节点@@、低成本的@@特性@@。
下@@图以@@USA情况为例@@，从灵敏度@@、链路预算@@、覆盖@@范围@@、传输速率@@、发送电流@@、待机电流@@、接收电流@@、2000mAh电池使用@@寿命@@、定位@@、抗干扰性@@、拓扑结构@@、最大终端连接@@数等@@参数上比较了@@Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和@@ LoRa的@@区别@@。后续的@@@@LoRa技术@@小型科普@@文@@（下@@）将具体解释以上的@@部分参数@@。
LoRa网@@络构成@@
LoRa网@@络主要由终端@@（可内置@@LoRa模块@@）、网@@关@@（或@@称基站@@）、Server和@@云四部分组成@@。应用数据@@可双向传输@@。
LoRa联盟@@
LoRa联盟@@是@@@@2015年@@3月@@Semtech牵头成立的@@一@@个开放的@@@@、非盈利的@@组织@@，发起成员还有法国@@@@Actility，中@@国@@AUGTEK和@@荷兰皇家电信@@@@kpn等@@企业@@。不到@@一@@年@@时间@@，联盟@@已经发展成员公司@@150余家@@，其中@@不乏@@IBM、思科@@、法国@@Orange等@@重量级产商@@。产业链@@（终端硬件产商@@、芯片产商@@、模块@@网@@关@@产商@@、软件厂商@@、系统集成商@@、网@@络运营商@@）中@@的@@每一@@环均有大量的@@企业@@，这种技术@@的@@开放性@@，竞争与合作的@@充分性都促使了@@LoRa的@@快速发展与生态繁盛@@。
网@@络部署@@
目前@@LoRa网@@络已经在@@世界多地进行试点或@@部署@@。据@@LoRa Alliance 早先公布的@@数据@@@@，已经有@@9个国家开始建网@@@@@@，56个国家开始进行试点@@。中@@国@@AUGTEK在@@京杭大运河完成@@284个基站的@@建设@@，覆盖@@1300Km流域@@；美国网@@络运营商@@@@Senet于@@2015年@@中@@在@@北美完成了@@50个基站的@@建设@@、覆盖@@15,000 平方英里@@（约@@38850平方千米@@），预计在@@第一@@阶段完成超过@@200个基站架设@@；法国@@电信@@Orange宣布在@@@@2016年@@初在@@法国@@建网@@@@@@；荷兰皇家电信@@kpn宣布将在@@@@新西兰建网@@@@@@，在@@2016年@@前达到@@@@50%覆盖@@率@@；印度@@Tata宣布将在@@@@Mumbai和@@ Delhi建网@@@@；Telstra宣布将在@@@@墨尔本试点@@……(后续的@@@@文章将详细介绍部分公司利用@@LoRa技术@@做出的@@应用@@)
LoRaWAN协议@@
LoRaWAN是@@ LoRa联盟@@推出的@@一@@个基于@@开源的@@@@MAC层协议@@的@@低功耗@@广域网@@@@（Low Power Wide Area Network, LPWAN）标准@@。这一@@技术@@可以为电池供电的@@无线设备@@提供局域@@、全国或@@全球的@@网@@络@@。LoRaWAN瞄准的@@是@@物联网@@中@@的@@一@@些核心需求@@，如安全双向通讯@@、移动通讯和@@静态位置识别等@@服务@@。该技术@@无需本地复杂配置@@，就可以让智能设备@@间实现无缝对接互操作@@，给物联网@@领域的@@用户@@、开发者和@@企业自由操作权限@@。
LoRaWAN网@@络架构是@@一@@个典型的@@星形拓扑结构@@@@，在@@这个网@@络架构中@@@@，LoRa网@@关@@是@@一@@个透明传输的@@中@@继@@，连接@@终端设备@@和@@后端中@@央服务器@@。网@@关@@与服务器间通过@@标准@@@@IP连接@@，终端设备@@采用单跳与一@@个或@@多个网@@关@@通信@@。所有的@@节点与网@@关@@间均是@@双向通信@@，同时也支持云端升级等@@操作以减少云端通讯时间@@。
终端与网@@关@@之间的@@通信是@@在@@不同频率和@@数据@@传输速率@@基础上完成的@@@@，数据@@速率的@@选择需要@@在@@传输距离和@@消息时延之间权衡@@。由于@@采用了扩频技术@@@@，不同传输速率@@的@@通信不会互相干扰@@，且还会创建一@@组@@“虚拟化@@”的@@频段来增加网@@关@@容量@@。LoRaWAN的@@数据@@传输速率@@范围为@@0.3 kbps至@@37.5 kbps，为了最大化终端设备@@电池的@@寿命和@@整个网@@络容量@@，LoRaWAN网@@络服务器通过@@一@@种速率自适应@@（Adaptive Data Rate , ADR）方案来控制数据@@传输速率@@和@@每一@@终端设备@@的@@射频输出功率@@。
全国性覆盖@@的@@广域网@@络瞄准的@@是@@诸如关键性基础设施建设@@、机密的@@个人数据@@传输或@@社会公共服务等@@物联网@@应用@@。
关于@@@@安全通信@@，LoRaWAN一@@般采用多层加密的@@方式@@来解决@@：
一@@、独特的@@网@@络密钥@@（EU164），保证网@@络层安全@@；
二@@、独特的@@应用密钥@@（EU164），保证应用层终端到@@终端之间的@@安全@@；
三@@、属于@@设备@@的@@特别密钥@@（EUI128）。
LoRaWAN网@@络根据@@实际应用的@@不同@@，把终端设备@@划分成@@A/B/C三@@类@@：
Class A：双向通信终端设备@@@@。这一@@类的@@终端设备@@允许双向通信@@，每一@@个终端设备@@上行传输会伴随着两个下@@行接收窗口@@。终端设备@@的@@传输槽是@@基于@@其自身通信需求@@，其微调是@@基于@@一@@个随机的@@时间基准@@（ALOHA协议@@）。Class A所属的@@终端设备@@在@@应用时功耗最低@@，终端发送一@@个上行传输信号后@@，服务器能很迅速地进行下@@行通信@@，任何时候@@，服务器的@@下@@行通信都只能在@@上行通信之后@@。
Class B：具有预设接收槽的@@双向通信终端设备@@@@@@。这一@@类的@@终端设备@@会在@@预设时间中@@开放多余的@@接收窗口@@，为了达到@@这一@@目的@@@@，终端设备@@会同步从网@@关@@接收一@@个@@Beacon，通过@@Beacon将基站与模块@@的@@时间进行同步@@。这种方式能使服务器知晓终端设备@@正在@@接收数据@@@@。
Class C：具有最大接收槽的@@双向通信终端设备@@@@@@。这一@@类的@@终端设备@@持续开放接收窗口@@，只在@@传输时关闭@@。
LoRa技术@@要点@@
一@@般说来@@，传输速率@@、工作频段和@@网@@络拓扑结构@@是@@影响传感网@@络特性的@@三@@个主要参数@@。传输速率@@的@@选择将影响系统的@@传输距离和@@电池寿命@@；工作频段的@@选择要折中@@考虑频段和@@系统的@@设计目标@@；而在@@@@FSK系统中@@@@，网@@络拓扑结构@@的@@选择是@@由传输距离要求和@@系统需要@@的@@节点数目来决定的@@@@。
LoRa融合了数字扩频@@、数字信号处理和@@前向纠错编码技术@@@@，拥有前所未有的@@性能@@。此前@@，只有那些高等@@级的@@工业无线电通信会融合这些技术@@@@，而随着@@LoRa的@@引入@@，嵌入式无线通信领域的@@局面发生了彻底的@@改变@@。
前向纠错编码技术@@是@@给待传输数据@@序列中@@增加了一@@些冗余信息@@，这样@@，数据@@传输进程中@@注入的@@错误码元在@@接收端@@就会被及时纠正@@。这一@@技术@@减少了以往创建@@“自修复@@”数据@@包来重发的@@需求@@，且在@@解决由多径衰落引发的@@突发性误码中@@表现良好@@。一@@旦数据@@包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性@@，这些数据@@包将被送到@@数字扩频调制器中@@@@。这一@@调制器将分组数据@@包中@@每一@@比特@@馈入一@@个@@“展扩器@@”中@@，将每一@@比特@@时间划分为众多码片@@@@。
即使噪声很大@@，LoRa也能从容应对@@
LoRa调制解调器经配置后@@，可划分的@@范围为@@64-4096码片@@/比特@@，最高可使用@@@@4096码片@@/比特@@中@@的@@最高扩频因子@@（12）。相对而言@@，ZigBee仅能划分的@@范围为@@10-12码片@@/比特@@。
通过@@使用@@高扩频因子@@，LoRa技术@@可将小容量数据@@通过@@大范围的@@无线电频谱传输出去@@。实际上@@，当你通过@@频谱分析仪测量时@@，这些数据@@看上去像噪音@@，但区别在@@于@@噪音是@@不相关的@@@@，而数据@@具有相关性@@，基于@@此@@，数据@@实际上@@可以从噪音中@@被提取出来@@。扩频因子越高@@，越多数据@@可从噪音中@@提取出来@@。在@@一@@个运转良好的@@@@GFSK接收端@@，8dB的@@最小信噪比@@（SNR）需要@@可靠地解调信号@@，采用配置@@AngelBlocks的@@方式@@，LoRa可解调一@@个信号@@，其信噪比为@@-20dB，GFSK方式与这一@@结果差距为@@28dB，这相当于@@范围和@@距离扩大了很多@@。在@@户外环境下@@@@，6dB的@@差距就可以实现@@2倍于@@原来的@@传输距离@@。
超强的@@链路预算@@@@，让信号飞的@@更远@@
为了有效地对比不同技术@@之间传输范围的@@表现@@，我们使用@@一@@个叫做@@“链路预算@@”的@@定量指标@@。链路预算@@包括@@影响接收端@@信号强度的@@每一@@变量@@，在@@其简化体系中@@包括@@发射功率加上接收端@@灵敏度@@。AngelBlocks的@@发射功率为@@100mW (20dBm)，接收端@@灵敏度为@@-129dBm，总的@@链路预算@@为@@149dB。比较而言@@，拥有灵敏度@@-110dBm（这已是@@其极好的@@数据@@@@）的@@GFSK无线技术@@@@，需要@@5W的@@功率@@(37dBm)才能达到@@相同的@@链路预算@@值@@。在@@实践中@@@@，大多@@GFSK无线技术@@@@接收端@@灵敏度可达到@@@@-103dBm，在@@此状况下@@@@，发射端发射频率必须为@@46dBm或@@者大约@@@@36W，才能达到@@与@@LoRa类似的@@链路预算@@值@@。
因此@@，使用@@LoRa技术@@我们能够以低发射功率获得更广的@@传输范围和@@距离@@，这种低功耗@@广域技术@@正是@@我们所需的@@@@。
关于@@@@LPWAN
低功耗@@广域网@@络@@（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是@@物联网@@中@@不可或@@缺的@@一@@部分@@，具有功耗低@@、覆盖@@范围@@广@@、穿透性强的@@特点@@，适用于@@每隔几分钟发送和@@接收少量数据@@的@@应用情况@@，如水运定位@@@@、路灯监测@@、停车位监测等@@等@@@@。LPWAN相关组织@@LoRa联盟@@目前@@在@@全球已有@@145位成员@@，其繁茂的@@生态系统让遵循@@LoRaWAN协议@@的@@设备@@具有很强的@@互操作性@@。一@@个完全符合@@LoRaWAN标准@@的@@通讯网@@关@@可以接入@@5到@@10公里内上万个无线传感器节点@@，其效率远远高于@@传统的@@点对点轮询的@@通讯模式@@，也能大幅度降低节点通讯功耗@@。
文章来源@@： Augtek物联网@@观察@@微信公众号@@（微信号@@：AUGTEK）