無線通信網絡之LoRa技術

盡管電信運營商具有建設和管理這樣一個大規模網絡的最突出的優勢，但是需要一個遠距離，大容量的系統以鞏固在依靠電池供電的無線終端細分市場——無線傳感網、智能城市、智能電網、智能家居、安防設備和工業控制等方面的地位。對于物聯網來說，只有使用一種廣泛的技術，才可能使得電池供電的無線節點數量達到預計的規模。 

LoRa 作為低功耗廣域網（LPWAN）的一種長距離通信技術，近些年受到越來越多的關注。

LoRa技術

LoRa 是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。 

是物理層或無線調制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統的無線系統使用頻移鍵控（FSK）調制作為物理層，因為它是一種實現低功耗的非常有效的調制。

LoRa 是基于線性調頻擴頻調制，它保持了像 FSK 調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。

LoRa 技術本身擁有超高的接收靈敏度（RSSI）和超強信噪比（SNR） 。此外使用跳頻技術，通過偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜，防止定頻干擾。

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa的最大特點就是：

• 傳輸距離遠

• 工作功耗低

• 組網節點多

  
  

  

  
  

 LoRa網絡架構

在網狀網絡中， 個別終端節點轉發其他節點的信息， 以增加網絡的通信距離和網絡區域規模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網絡容量，并降低了電池壽命，因節點接受和轉發來自其他節點的可能與其不相關的信息。當實現長距離連接時， 長距離星型架構最有意義的是保護了電池壽命。

如果把網關安裝在現有移動通信****的位置，發射功率 20dBm， （100mW） ，那么在高建筑密集的城市環境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區，覆蓋范圍可達 10 公里。該網關/集中器還包含 MAC 層協議，對于高層它是透明的。

LoRa網絡主要由終端（可內置LoRa模塊）、網關（或稱****）、網絡服務器以及應用服務器組成。應用數據可雙向傳輸。

LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的節點與網關間均是雙向通信。

LoRa終端設備

LoRa的終端節點可能是各種設備，比如水表氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。這些節點通過LoRa無線通信首先與LoRa網關連接，再通過3G網絡或者以太網絡，連接到網絡服務器中。網關與網絡服務器之間通過TCP/IP協議通信。

LoRa網絡將終端設備劃分成A/B/C三類：

Class A：雙向通信終端設備。這一類的終端設備允許雙向通信，每一個終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸時隙是基于其自身通信需求，其微調基于ALOHA協議。

Class A設備的功耗最低，****下行通信只能在終端上行通信之后

Class B：具有預設接收時隙的雙向通信終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會同步從網關接收一個Beacon，通過Beacon將****與模塊的時間進行同步。

Class B終端可以使****知道終端正在接收數據

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設備。這一類的終端設備持續開放接收窗口，只在傳輸時關閉。

Class C設備擁有最長的接收窗口，也最耗電

LoRa聯盟

LoRa聯盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業。不到一年時間，聯盟已經發展成員公司150余家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產商。

產業鏈（終端硬件產商、芯片產商、模塊網關產商、軟件廠商、系統集成商、網絡運營商）中的每一環均有大量的企業，這種技術的開放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發展與生態繁盛。

LoRaWAN協議

LoRaWAN是 LoRa聯盟推出的一個基于開源的MAC層協議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術可以為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡。LoRaWAN瞄準的是物聯網中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動通訊和靜態位置識別等服務。該技術無需本地復雜配置，就可以讓智能設備間實現無縫對接互操作，給物聯網領域的用戶、開發者和企業自由操作權限。

LoRa 對比 NB-IoT

我們在之前的文章中介紹過NB-IoT，同時作為物聯網無線通信技術，NB-IoT和LoRa兩種技術具有不同的技術和商業特性，所以在應用場景方面會有不同。

目前從產業的發展來看，已經形成了由芯片、模組、終端、通訊設備、平臺、運營商和應用這七大環節組成的完整產業鏈，將NB-IoT和LoRa做下對比：

頻段，服務質量和成本

LoRa工作在1GHz以下的非授權頻段，故在應用時不需要額外付費。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的授權頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠距離通信是最優的選擇，因為天線的實際尺寸和效率是具有相當優勢的。

LoRaWAN使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協議，對于電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協議，在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，但卻不能提供像蜂窩協議一樣的服務質量（QoS）。

據悉授權的Sub-GHz頻段的競拍，每MHz價格超過5億美金。蜂窩網絡和NB-IoT出于對服務質量（QoS）的考慮，并不能提供類似LoRa一樣的電池壽命。由于QoS和高昂的頻段使用費，需要確保QoS的應用場景推薦使用蜂窩網絡和NB-IoT，而低成本和大量連接是首選項的話LoRa是不錯的選擇，如下圖。

電池壽命和下行延遲

蜂窩網絡設計的理念是最優的頻段利用率，相應的就犧牲了節點成本和電池壽命。相反，LoRaWAN節點是為了低成本和長電池壽命而生，在頻段利用率方面有一定的欠缺。 

關于電池壽命方面有兩個重要的因素需要考慮，節點的電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協議內容。LoRaWAN是一種異步的基于ALOHA的協議，也就是說節點可以根據具體應用場景需求進行或長或短的睡眠，而蜂窩等同步協議的節點必須定期地聯網。

例如，現在市面上的手機工作時每1.5s必須與網絡進行同步。在NB-IoT中，這種同步變少但是仍然在定期進行，這樣就額外的消耗了電池的電量。 

在蜂窩網絡中調制是充分利用頻段的有效手段，但是從節點的角度這并不是有效的。蜂窩的調制（OFDM或者FDMA）需要一個線性的****來產生調制信號，而一個線性的****需要的峰值電流比非線性調制多幾個數量級，越高的峰值電流會消耗電池更多的電量。 

但同步的通信協議在較短的下行延遲方面具有優勢，同時NB-IoT可以為需要大量數據吞吐量的應用提供快速的數據傳輸速率。而LoRaWAN的Class B 通過定期地（編程實現）喚醒終端以收取下行消息而縮短了下行通信的延遲。 

所以對于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數據量的應用來說NB-IoT或許是更好的選擇，而對于需要較低的成本、較高的電池壽命和通信并不頻繁的場景來說LoRa更好。

設備成本,網絡成本和混合模型

對終端節點來說，LoRaWAN協議比NB-IoT更簡單，更容易開發并且對于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調制機制和協議比較復雜，這就需要更復雜的電路和更多的花費，同時NB-IoT和3GPP一樣是要收稅的。

現階段對于一部手機的稅費大概是5美元，但這對于物聯網設備來說顯得太昂貴了，而且如果貿然的降低稅費會引起手機等移動通信市場的價格混亂。所以3GPP組織如何權衡IoT和移動通信兩方面稅費問題也個大問題。

低成本、技術相對成熟的LoRa模塊已經可以在市場上找到了，并且升級版還會接踵而至。LoRa聯盟沒有過多版權和稅費的限制使得在LoRa產業鏈下模塊低于4美元是十分可觀的?，F在市場上的LoRa模塊價格一般在7-10美元，但是隨著技術的成熟度提高4-5美元并不是大問題。而現在一個LTE模塊的價格卻很難低于20美元。

相對于傳統的只依靠“鐵塔”部網，對于IoT和LPWAN來說部署需要使用不同模型以降低支出和運營成本。LoRaWAN部署花費更少，因為可以利用傳統的信號塔、工業****甚至是便攜式家庭網關來進行。

現階段一個塔式的****價格大概是1000美元，工業****價格低于500美元，而家庭式的網關只需要100美元左右。但是對于NB-IoT來說，升級現有的4G LTE****的價格保守估計每個不少于15000美元。

LoRa 和NB-IoT 的應用場景

沒有一種技術可以同時滿足IoT應用的所有需求。下面將通過幾個具體的應用實例來分析NB-IoT 和LoRa 各自適合的應用場景。

A：智能電表

在智能電表領域相關的公司和部門需要高速率的數據傳輸、頻繁的通信和低延遲。由于電表是由電源供電的，所以并沒有超低功耗和長電池使用壽命的需求。并且還需要對線網進行實時監控以便發現隱患時及時處理。

LoRaWAN的ClassＣ可以實現低延遲，但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求NB-IoT是更適合于智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區的固定位置，所以對于運營商部網也較為容易。

B：智慧農業

對農業來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應用對于農業提高產量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數據。

LoRa十分適用于這樣的場景。而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡，更不用說4G/LTE了，所以NB-IoT并不如LoRa一樣適合于智慧農業。

C：自動化制造

工廠機器的運行需要實時的監控，不僅可以保證生產效率而且通過遠程監控可以提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產中，有許多不同類型的傳感器和設備。

一些場景需要頻繁的通信并且確保良好的服務質量（QoS），這時NB-IoT是較為合適的選擇。而一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設備、監控狀態，這時LoRa便是合理的選擇。所以對于自動化生產制造的多樣性來說，NB-IoT 和LoRa都有用武之地。

D：智能建筑

對于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監測等傳感器并且定時的將監測的信息上傳，方便了管理者的監管同時更方便了用戶。

通常來說這些傳感器的通信不需要特別頻繁或者保證特別好的服務質量，同時便攜式的家庭式網關便可以滿足需要。所以該場景LoRa是比較合適的選擇。

E：零售終端（POS）

零售終端（POS）系統往往需要較頻繁和高質量的通信，而且這些設備通常有專門供電的設備，所以對于較長的電池使用壽命沒有要求。同時對于通信的時效性和低延遲要求較高。所以出于以上考慮NB-IoT比較適合于本應用。

F：物流追蹤

追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實際案例。物流企業可以根據定位的需要在需要場所部網，可以是倉庫或者運輸車輛上，這時便攜式的****便派上了用場。

LoRa可以提供這樣的部署方案，而對于NB-IoT來說追蹤范圍過大****的鋪設是很大的問題。同時LoRa有一個特點，在高速移動時通信相對于NB-IoT更穩定。出于以上的考慮，LoRa更適合于物流追蹤。

一項技術由紙面到商用離不開一個強大生態系統的支撐。長期以來，物聯網連接技術各自為戰，從芯片到系統各方采用的規范不一，造成大規模部署的瓶頸。

如今，中國電信、中國移動、中國聯通、華為與高通等運營商的陸續部署逐漸構建起了支撐NB-IOT技術產業的生態系統，而Orange、軟銀、Senet和Comcast等各國主流運營商的紛紛運用也使得LoRa技術行業的生態已初步成型。

兩項技術均在持續擴大中，使之擁抱萬物互聯的條件慢慢開始成熟。大量的供應商與運營商也在不斷的展開試點，相信日后NB-IoT與LoRa的互補發展將大大推動物聯網技術的革新與進步。