LoRa在广域低功耗网络中的实现与应用

文章概要

低功耗广域网技术发展如火如荼，Long Range(LoRa)以及由此而来的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系统在其中占据重要地位，商用化程度较高。

本文从描述LoRa技术当前进展开始，阐述典型LoRaWAN系统的组成和作用，结合大量不同环境下的网络测试和应用案例，探讨运营商和企业联盟在推动低功耗广域网建设方面的特点。

同时，展示LoRaWAN技术的部分优势、当前现状和可预见的未来，最后分析当窄带物联网技术到来以后，LoRaWAN与之共存的可能和差异化市场服务的战略。

一 技术特点

1、LoRa

2013年8月，美国升特公司(Semtech)向业界发布了一种新型的Sub-1GHz频段的扩频通信芯片，最高接收灵敏度可达-148dBm，主攻远距离低功耗的物联网无线通信市场。该技术主要工作在全球各地的ISM免费频段(即非授权频段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。与其他传统的Sub-1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收灵敏度提高20~25dB，体现在应用上就是拥有5~8倍传输距离的提升。

LoRa技术本质上是扩频调制技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术。此前，扩频调制技术具有长通信距离和高鲁棒特性，在军事和空间通信领域已经应用了几十年，而LoRa的意义在于首先利用扩频技术为工业产品和民用产品提供低成本的无线通信解决方案。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加一些冗余信息，数据在传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。前向纠错编码技术可以减少数据包需要重发的需求，而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，并注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包就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时间划分为众多码片，而LoRa调制码片的可配置范围为64~4 096码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。当用户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。基于这点，数据可以从噪音中提取出来。扩频因子越高，越多的数据可从噪音中提取出来，接收灵敏度就可以达到更高。因此LoRa芯片的接收灵敏度最高可达-148dBm，在20dBm的发射功率下，LoRa调制的链路预算可达168dB。

2、LoRaWAN

在传统的广域连接应用中，主要借助电信运营商提供的蜂窝网络进行连接，工业、能源、交通、物流等各行业广泛采用蜂窝网络实现互联。但仍有大量的设备应用是现有蜂窝网络技术无法满足的，比如水、电、气、热等计量表，市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施，大面积畜牧养殖和农业灌溉，广泛布局且环境恶劣的气象、水文、矿井、山体数据采集，以及偏僻的户外作业等。这些类型终端若采用现有运营商蜂窝网络进行联网，可能遇到如下问题。

1)信号覆盖不足：很多设备布局在人口稀少或环境复杂的区域，运营商网络覆盖盲区或信号强度不足，难以保障数据的稳定传输。

2)功耗高：大量设备需要电池供电，若采用蜂窝网络则需频繁更换电池，这在很多恶劣环境下很难实现。

3)费效比低：设备单次传输数据量极小，而且传输频次很低。目前蜂窝网络为高带宽设计，采用蜂窝网络要占用网络和码号资源，还会产生包月流量费用。

基于以上原因，低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network，LPWAN)成为弥补物联网网络层短板的最佳选择。2015年3月，由Semtech牵头成立了LoRa Alliance(以下简称LoRa联盟)，联盟是一个开放的非盈利性组织，目的在于加速LoRa技术全球商用化，主要发起成员还包括美国IBM、Cisco、法国Actility、荷兰皇家电信、瑞士电信等知名企业。

联盟发布的LoRaWAN协议将LPWAN分成了三部分，包括节点应用、通信服务(模组和基站供应商)、云服务，数据传输过程中的通信层包括两级加密，数据通信更为安全。截止到2016年10月，联盟成员数量高达400多家，其中国家级的运营商有27家，新增运营商有法国Proximus、英国Orange、美国Comcast、日本软银、韩国SK电信、印度TATA电信等。同时，LoRa的产业链中还包括大量终端硬件厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商等，构成了完整的LoRa生态系统，大大促进LoRa技术的快速发展与生态繁盛。

二 系统架构

1、网络架构

目前，基于L oRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN协议，但是通信系统网络都是星状网架构，以及在此基础上的简化和改进。主要包括以下3种。

1)点对点通信。

一点对一点通信，多见于早期的LoRa技术，A点发起，