無線通信網(wǎng)絡(luò)之LoRa技術(shù)

盡管電信運(yùn)營商具有建設(shè)和管理這樣一個(gè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最突出的優(yōu)勢，但是需要一個(gè)遠(yuǎn)距離，大容量的系統(tǒng)以鞏固在依靠電池供電的無線終端細(xì)分市場——無線傳感網(wǎng)、智能城市、智能電網(wǎng)、智能家居、安防設(shè)備和工業(yè)控制等方面的地位。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，只有使用一種廣泛的技術(shù)，才可能使得電池供電的無線節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到預(yù)計(jì)的規(guī)模。 

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

LoRa技術(shù)

LoRa 是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。 

是物理層或無線調(diào)制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因?yàn)樗且环N實(shí)現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。

LoRa 是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，它保持了像 FSK 調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。

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

目前，LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa的最大特點(diǎn)就是：

• 傳輸距離遠(yuǎn)

• 工作功耗低

• 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多

  
  

  

  
  

 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中， 個(gè)別終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息， 以增加網(wǎng)絡(luò)的通信距離和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域規(guī)模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并降低了電池壽命，因節(jié)點(diǎn)接受和轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的可能與其不相關(guān)的信息。當(dāng)實(shí)現(xiàn)長距離連接時(shí)， 長距離星型架構(gòu)最有意義的是保護(hù)了電池壽命。

如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動(dòng)通信****的位置，發(fā)射功率 20dBm， （100mW） ，那么在高建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá) 10 公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器還包含 MAC 層協(xié)議，對于高層它是透明的。

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱****）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。

LoRa終端設(shè)備

LoRa的終端節(jié)點(diǎn)可能是各種設(shè)備，比如水表氣表、煙霧報(bào)警器、寵物跟蹤器等。這些節(jié)點(diǎn)通過LoRa無線通信首先與LoRa網(wǎng)關(guān)連接，再通過3G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)，連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議通信。

LoRa網(wǎng)絡(luò)將終端設(shè)備劃分成A/B/C三類：

Class A：雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備允許雙向通信，每一個(gè)終端設(shè)備上行傳輸會伴隨著兩個(gè)下行接收窗口。終端設(shè)備的傳輸時(shí)隙是基于其自身通信需求，其微調(diào)基于ALOHA協(xié)議。

Class A設(shè)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(yù)設(shè)接收時(shí)隙的雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備會在預(yù)設(shè)時(shí)間中開放多余的接收窗口，為了達(dá)到這一目的，終端設(shè)備會同步從網(wǎng)關(guān)接收一個(gè)Beacon，通過Beacon將****與模塊的時(shí)間進(jìn)行同步。

Class B終端可以使****知道終端正在接收數(shù)據(jù)

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備持續(xù)開放接收窗口，只在傳輸時(shí)關(guān)閉。

Class C設(shè)備擁有最長的接收窗口，也最耗電

LoRa聯(lián)盟

LoRa聯(lián)盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個(gè)開放的、非盈利的組織，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業(yè)。不到一年時(shí)間，聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展成員公司150余家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產(chǎn)商。

產(chǎn)業(yè)鏈（終端硬件產(chǎn)商、芯片產(chǎn)商、模塊網(wǎng)關(guān)產(chǎn)商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商）中的每一環(huán)均有大量的企業(yè)，這種技術(shù)的開放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN是 LoRa聯(lián)盟推出的一個(gè)基于開源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)可以為電池供電的無線設(shè)備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動(dòng)通訊和靜態(tài)位置識別等服務(wù)。該技術(shù)無需本地復(fù)雜配置，就可以讓智能設(shè)備間實(shí)現(xiàn)無縫對接互操作，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權(quán)限。

LoRa 對比 NB-IoT

我們在之前的文章中介紹過NB-IoT，同時(shí)作為物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)具有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，所以在應(yīng)用場景方面會有不同。

目前從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，已經(jīng)形成了由芯片、模組、終端、通訊設(shè)備、平臺、運(yùn)營商和應(yīng)用這七大環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，將NB-IoT和LoRa做下對比：

頻段，服務(wù)質(zhì)量和成本

LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，故在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的授權(quán)頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠(yuǎn)距離通信是最優(yōu)的選擇，因?yàn)樘炀€的實(shí)際尺寸和效率是具有相當(dāng)優(yōu)勢的。

LoRaWAN使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，并且是異步通信協(xié)議，對于電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協(xié)議，在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有獨(dú)特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

據(jù)悉授權(quán)的Sub-GHz頻段的競拍，每MHz價(jià)格超過5億美金。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT出于對服務(wù)質(zhì)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(fèi)，需要確保QoS的應(yīng)用場景推薦使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT，而低成本和大量連接是首選項(xiàng)的話LoRa是不錯(cuò)的選擇，如下圖。

電池壽命和下行延遲

蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的理念是最優(yōu)的頻段利用率，相應(yīng)的就犧牲了節(jié)點(diǎn)成本和電池壽命。相反，LoRaWAN節(jié)點(diǎn)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(guān)于電池壽命方面有兩個(gè)重要的因素需要考慮，節(jié)點(diǎn)的電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協(xié)議內(nèi)容。LoRaWAN是一種異步的基于ALOHA的協(xié)議，也就是說節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)具體應(yīng)用場景需求進(jìn)行或長或短的睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點(diǎn)必須定期地聯(lián)網(wǎng)。

例如，現(xiàn)在市面上的手機(jī)工作時(shí)每1.5s必須與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步。在NB-IoT中，這種同步變少但是仍然在定期進(jìn)行，這樣就額外的消耗了電池的電量。 

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制是充分利用頻段的有效手段，但是從節(jié)點(diǎn)的角度這并不是有效的。蜂窩的調(diào)制（OFDM或者FDMA）需要一個(gè)線性的****來產(chǎn)生調(diào)制信號，而一個(gè)線性的****需要的峰值電流比非線性調(diào)制多幾個(gè)數(shù)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(xié)議在較短的下行延遲方面具有優(yōu)勢，同時(shí)NB-IoT可以為需要大量數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用提供快速的數(shù)據(jù)傳輸速率。而LoRaWAN的Class B 通過定期地（編程實(shí)現(xiàn)）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(shù)據(jù)量的應(yīng)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(shè)備成本,網(wǎng)絡(luò)成本和混合模型

對終端節(jié)點(diǎn)來說，LoRaWAN協(xié)議比NB-IoT更簡單，更容易開發(fā)并且對于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調(diào)制機(jī)制和協(xié)議比較復(fù)雜，這就需要更復(fù)雜的電路和更多的花費(fèi)，同時(shí)NB-IoT和3GPP一樣是要收稅的。

現(xiàn)階段對于一部手機(jī)的稅費(fèi)大概是5美元，但這對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說顯得太昂貴了，而且如果貿(mào)然的降低稅費(fèi)會引起手機(jī)等移動(dòng)通信市場的價(jià)格混亂。所以3GPP組織如何權(quán)衡IoT和移動(dòng)通信兩方面稅費(fèi)問題也個(gè)大問題。

低成本、技術(shù)相對成熟的LoRa模塊已經(jīng)可以在市場上找到了，并且升級版還會接踵而至。LoRa聯(lián)盟沒有過多版權(quán)和稅費(fèi)的限制使得在LoRa產(chǎn)業(yè)鏈下模塊低于4美元是十分可觀的?，F(xiàn)在市場上的LoRa模塊價(jià)格一般在7-10美元，但是隨著技術(shù)的成熟度提高4-5美元并不是大問題。而現(xiàn)在一個(gè)LTE模塊的價(jià)格卻很難低于20美元。

相對于傳統(tǒng)的只依靠“鐵塔”部網(wǎng)，對于IoT和LPWAN來說部署需要使用不同模型以降低支出和運(yùn)營成本。LoRaWAN部署花費(fèi)更少，因?yàn)榭梢岳脗鹘y(tǒng)的信號塔、工業(yè)****甚至是便攜式家庭網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行。

現(xiàn)階段一個(gè)塔式的****價(jià)格大概是1000美元，工業(yè)****價(jià)格低于500美元，而家庭式的網(wǎng)關(guān)只需要100美元左右。但是對于NB-IoT來說，升級現(xiàn)有的4G LTE****的價(jià)格保守估計(jì)每個(gè)不少于15000美元。

LoRa 和NB-IoT 的應(yīng)用場景

沒有一種技術(shù)可以同時(shí)滿足IoT應(yīng)用的所有需求。下面將通過幾個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例來分析NB-IoT 和LoRa 各自適合的應(yīng)用場景。

A：智能電表

在智能電表領(lǐng)域相關(guān)的公司和部門需要高速率的數(shù)據(jù)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(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以便發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)及時(shí)處理。

LoRaWAN的ClassＣ可以實(shí)現(xiàn)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(qū)的固定位置，所以對于運(yùn)營商部網(wǎng)也較為容易。

B：智慧農(nóng)業(yè)

對農(nóng)業(yè)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(yīng)用對于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)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(shù)據(jù)。

LoRa十分適用于這樣的場景。而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，更不用說4G/LTE了，所以NB-IoT并不如LoRa一樣適合于智慧農(nóng)業(yè)。

C：自動(dòng)化制造

工廠機(jī)器的運(yùn)行需要實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不僅可以保證生產(chǎn)效率而且通過遠(yuǎn)程監(jiān)控可以提高人工效率。在工廠的自動(dòng)化制造和生產(chǎn)中，有許多不同類型的傳感器和設(shè)備。

一些場景需要頻繁的通信并且確保良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS），這時(shí)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(shè)備、監(jiān)控狀態(tài)，這時(shí)LoRa便是合理的選擇。所以對于自動(dòng)化生產(chǎn)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(jiān)測等傳感器并且定時(shí)的將監(jiān)測的信息上傳，方便了管理者的監(jiān)管同時(shí)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(wù)質(zhì)量，同時(shí)便攜式的家庭式網(wǎng)關(guān)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(tǒng)往往需要較頻繁和高質(zhì)量的通信，而且這些設(shè)備通常有專門供電的設(shè)備，所以對于較長的電池使用壽命沒有要求。同時(shí)對于通信的時(shí)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(yīng)用。

F：物流追蹤

追蹤或者定位市場的一個(gè)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(shí)際案例。物流企業(yè)可以根據(jù)定位的需要在需要場所部網(wǎng)，可以是倉庫或者運(yùn)輸車輛上，這時(shí)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(shè)是很大的問題。同時(shí)LoRa有一個(gè)特點(diǎn)，在高速移動(dòng)時(shí)通信相對于NB-IoT更穩(wěn)定。出于以上的考慮，LoRa更適合于物流追蹤。

一項(xiàng)技術(shù)由紙面到商用離不開一個(gè)強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)的支撐。長期以來，物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)各自為戰(zhàn)，從芯片到系統(tǒng)各方采用的規(guī)范不一，造成大規(guī)模部署的瓶頸。

如今，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、華為與高通等運(yùn)營商的陸續(xù)部署逐漸構(gòu)建起了支撐NB-IOT技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，而Orange、軟銀、Senet和Comcast等各國主流運(yùn)營商的紛紛運(yùn)用也使得LoRa技術(shù)行業(yè)的生態(tài)已初步成型。

兩項(xiàng)技術(shù)均在持續(xù)擴(kuò)大中，使之擁抱萬物互聯(lián)的條件慢慢開始成熟。大量的供應(yīng)商與運(yùn)營商也在不斷的展開試點(diǎn)，相信日后NB-IoT與LoRa的互補(bǔ)發(fā)展將大大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新與進(jìn)步。