LoRa和LoWAN技术综述

1. 引言

本文的目的是给出一个LoRa和LoraWAN技术的引导性的技术概览。低功耗广域网络（LPWAN）支持预计有数亿数量级的IoT设备中的绝大多数。LoRaWAN在设计时以自底向上的方式优化了LPWAN的电池寿命、容量、范围和开销。文章给出了不同地区的LoRaWan规范的概览，并在比较高的层面比较了LPWAN领域相互竞争的几种不同技术。

2. 什么是LoRa

LoRa是物理层或无线调制，用来创建长距离通信连接。许多传统无线系统使用频移键控（FSK）调制作为物理层，因为这是获取低功耗的非常有效的方式。LoRa基于chirp调频扩频调制方式，其维持了与FSK调制相同的低功耗特性，重要的是增加了通信距离。线性调频扩频在数十年内被用在军事和航空通信领域，归功于其远距离通信能力和抗干扰的鲁棒性，LoRa是这种技术的第一个商用领域的低功耗应用。

LoRa技术的强项是远距离技术。单个基站或网关能覆盖整个城市或数百平方公里。最远距离取决于环境或给定距离内的阻碍，但LoRa和LoRaWAN的链接预算优于任何其他标准通信技术。链接预算，通常由dB给定，是决定特定环境下的通信范围的首要因素。下图是应用LoRa技术的覆盖图。在最小数量基站的前提下，整个城市被轻松覆盖。 

3. LPWAN适合何处

一种技术不能服务IoT的所有应用场景。WiFi和BTLE是广受采纳的标准，其主要服务于个人设备之间的连接等相关应用。蜂窝技术更适宜用于需要高数据带宽的电源供电的设备。LPWAN提供多年电池寿命且被设计成服务于那些需要在长距离内每小时发送几十次少量数据的位于不同环境下的传感器。 

LPWAN

LPWAN的关键因素

网络架构

通信距离

低功耗或电池寿命

干扰鲁棒性

网络容量（网络内允许的最大节点数）

网络加密

单路或双路通信

应用服务的多样性

4. 什么是LoRaWAN

LoRaWAN定义了在使能了LoRa物理层的远距离通信链接时网络的通信协议和系统架构。协议和网络架构对节点的电池寿命、网络容量、服务质量、加密和应用服务多样性起着决定性的影响。 

网络架构 

许多已经被部署的网络使用的是mesh网络架构。在一个mesh网络中，独立的终端节点可以中转其他节点的信息以扩大通信范围和网络的覆盖范围。在增加范围的同时也加大了复杂度，减小了网络容量和电池寿命，因为节点需要接收和中转其他节点的信息，但这些信息与其本身无关。远距离星型架构在使用远距离连接时最有利于延续电池寿命。 

在一个LoRaWAN网络中，节点不关联特定的网关。取而代之的是节点的数据传输通常被多个网关接收到。每个网关将从终端节点收到的数据包通过许多回程（蜂窝、以太网、卫星或WiFi）中转给云网络服务器。大计算量和高复杂度运算被推送到网络服务器，其管理整个网络且过滤海量的接收包，完成加密检查，调度最佳网关完成应答，调整数据率等。如果一个节点是手持的或移动的，不需要从一个网关移交给另一个网关，这是一个至关重要的特性，其允许资产跟踪应用——IoT的一个主要应用。

电池寿命 

LoRaWAN网络中的节点准备发送数据时，他们之间的通信是异步的，无论是事件驱动型还是调度型。这种类型的协议可以参考aloha方式。在一个mesh网络或一个同步网络中，例如蜂窝网，节点需要频繁唤醒自己以保持与网络的同步并检查消息。这种同步消耗很多能量且是电池寿命降低的第一驱动因素。在最近的研究和由GSMA完成的比较中，LoRaWAN是所有其他技术的电池寿命的3到5倍。

网络容量 

为了使星型网络在远距离可用，网关必须有一个非常高的容量或能够从非常多的节点接收数据。LoRaWAN网络的高网络容量依靠的是使用自适应数据率和在网关上使用一个多通道多模收发器，因此在多个通道上的同步消息都能被接收到。影响有效容量的最重要因素是同时存在的通道数量，数据率，净荷长度和节点传输频次。因为LoRa是基于扩频调制，当不同扩展因子在使用时，信号彼此是正交的。当扩展因子改变时，有效数据率也改变了。网关利用这个属性以同时在相同信道接收多个不同的数据率。如果节点有一个好的连接且靠近网关，它没有必要总是使用最低数据速率且占据比其所需的频谱更高的频谱。依靠提高数据率，数据在空中传输时间被缩短了，其潜在地提升了其他节点传输数据的空间。自适应数据率也优化了节点的电池寿命。为了使自适应速率生效，需要对等向上和向下链接。这些特性允许LoRaWAN网络有一个非常高的容量且使网络更可靠。一个网络可以部署