一 技術(shù)特點(diǎn)

1、LoRa

2013年8月，美國升特公司（Semtech）向業(yè)界發(fā)布了一種新型的Sub－1GHz頻段的擴(kuò)頻通信芯片，最高接收靈敏度可達(dá)－148dBm，主攻遠(yuǎn)距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線通信市場。該技術(shù)主要工作在全球各地的ISM免費(fèi)頻段（即非授權(quán)頻段），包括主要的433、470、868、915MHz等。與其他傳統(tǒng)的Sub－1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收靈敏度提高20～25dB，體現(xiàn)在應(yīng)用上就是擁有5～8倍傳輸距離的提升。

LoRa技術(shù)本質(zhì)上是擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，同時結(jié)合了數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)。此前，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有長通信距離和高魯棒特性，在軍事和空間通信領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，而LoRa的意義在于首先利用擴(kuò)頻技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品提供低成本的無線通信解決方案。前向糾錯編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加一些冗余信息，數(shù)據(jù)在傳輸進(jìn)程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。前向糾錯編碼技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)包需要重發(fā)的需求，而且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來，并注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包就將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特時間劃分為眾多碼片，而LoRa調(diào)制碼片的可配置范圍為64～4 096碼片／比特。通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當(dāng)用戶通過頻譜分析儀測量時，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性�；�于這點(diǎn)，數(shù)據(jù)可以從噪音中提取出來。擴(kuò)頻因子越高，越多的數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來，接收靈敏度就可以達(dá)到更高。因此LoRa芯片的接收靈敏度最高可達(dá)－148dBm，在20dBm的發(fā)射功率下，LoRa調(diào)制的鏈路預(yù)算可達(dá)168dB。

2、LoRaWAN

在傳統(tǒng)的廣域連接應(yīng)用中，主要借助電信運(yùn)營商提供的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，工業(yè)、能源、交通、物流等各行業(yè)廣泛采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)。但仍有大量的設(shè)備應(yīng)用是現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法滿足的，比如水、電、氣、熱等計量表，市政管網(wǎng)、路燈、垃圾站點(diǎn)等公用設(shè)施，大面積畜牧養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)灌溉，廣泛布局且環(huán)境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數(shù)據(jù)采集，以及偏僻的戶外作業(yè)等。這些類型終端若采用現(xiàn)有運(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可能遇到如下問題。

1、信號覆蓋不足：很多設(shè)備布局在人口稀少或環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)或信號強(qiáng)度不足，難以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

2、功耗高：大量設(shè)備需要電池供電，若采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環(huán)境下很難實現(xiàn)。

3、費(fèi)效比低：設(shè)備單次傳輸數(shù)據(jù)量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)為高帶寬設(shè)計，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)要占用網(wǎng)絡(luò)和碼號資源，還會產(chǎn)生包月流量費(fèi)用。

基于以上原因，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）成為彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層短板的****選擇。2015年3月，由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance（以下簡稱LoRa聯(lián)盟），聯(lián)盟是一個開放的非盈利性組織，目的在于加速LoRa技術(shù)全球商用化，主要發(fā)起成員還包括美國IBM、Cisco、法國Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業(yè)。

聯(lián)盟發(fā)布的LoRaWAN協(xié)議將LPWAN分成了三部分，包括節(jié)點(diǎn)應(yīng)用、通信服務(wù)（模組和基站供應(yīng)商）、云服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信層包括兩級加密，數(shù)據(jù)通信更為安全。截止到2016年10月，聯(lián)盟成員數(shù)量高達(dá)400多家，其中******的運(yùn)營商有27家，新增運(yùn)營商有法國Proximus、英國Orange、美國Comcast、日本軟銀、韓國SK電信、印度TATA電信等。同時，LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈中還包括大量終端硬件廠商、模塊網(wǎng)關(guān)廠商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商等，構(gòu)成了完整的LoRa生態(tài)系統(tǒng)，大大促進(jìn)LoRa技術(shù)的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

二 系統(tǒng)架構(gòu)

1、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，基于L oRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協(xié)議，但是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是星狀網(wǎng)架構(gòu)，以及在此基礎(chǔ)上的簡化和改進(jìn)。主要包括以下3種。

（1）點(diǎn)對點(diǎn)通信。

一點(diǎn)對一點(diǎn)通信，多見于早期的LoRa技術(shù)，A點(diǎn)發(fā)起，B點(diǎn)接收，可以回復(fù)也可以不回復(fù)確認(rèn)，多組之間的頻點(diǎn)建議分開，如圖1所示。單純利用LoRa調(diào)制靈敏度高的特性，目前主要針對特定應(yīng)用和試驗性質(zhì)的項目。優(yōu)點(diǎn)在于最簡單，缺點(diǎn)在于不存在組網(wǎng)。

圖1 點(diǎn)對點(diǎn)通信

（2）星狀網(wǎng)輪詢。

一點(diǎn)對多點(diǎn)通信，N個從節(jié)點(diǎn)輪流與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)上傳，等待中心點(diǎn)收到后返回確認(rèn)，然后下一個節(jié)點(diǎn)再開始上傳，直到所有N個節(jié)點(diǎn)全部完成，一個循環(huán)周期結(jié)束，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上還屬于點(diǎn)對點(diǎn)通信，但是加入了分時處理，N個從節(jié)點(diǎn)之間的頻點(diǎn)可以分開，也可重復(fù)使用。優(yōu)勢在于單項目成本低，不足之處是僅適合從節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大和網(wǎng)絡(luò)實時性要求不高的應(yīng)用。

圖2 星狀網(wǎng)輪詢

（3）星狀網(wǎng)并發(fā)。

如圖3所示，一點(diǎn)對多點(diǎn)通信，多個從節(jié)點(diǎn)可同時與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)上報數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動采取跳頻和速率自適應(yīng)技術(shù)，邏輯上網(wǎng)關(guān)可以接收不同速率和不同頻點(diǎn)的信號組合，物理上網(wǎng)關(guān)可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點(diǎn)上行時沖突的概率。該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨(dú)建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)，LoRa領(lǐng)域內(nèi)目前主要指的是LoRaWAN技術(shù)。

圖3 星狀網(wǎng)并發(fā)

2、系統(tǒng)組成

點(diǎn)對點(diǎn)通信和星狀網(wǎng)輪詢的系統(tǒng)組成比較簡單，兩端都是節(jié)點(diǎn)，分為主從。在主節(jié)點(diǎn)收到從節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)后會發(fā)下行確認(rèn)幀給從節(jié)點(diǎn)，然后從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，工作模式比較簡單。這里主要對LoRaWAN星狀網(wǎng)并發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開說明，LoRaWAN系統(tǒng)主要分為三部分：節(jié)點(diǎn)／終端、網(wǎng)關(guān)／基站，以及服務(wù)器，如圖4所示。

圖4 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

節(jié)點(diǎn)／終端（Node）：LoRa節(jié)點(diǎn)，代表了海量的各類傳感應(yīng)用，在LoRaWAN協(xié)議里被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節(jié)點(diǎn)主動上報，平時休眠，只有在固定的窗口期才能接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)。Class A的優(yōu)勢是功耗極低，比非LoRaWAN的LoRa節(jié)點(diǎn)功耗更低，比如針對水表應(yīng)用的10年以上工作壽命通常就是基于Class A實現(xiàn)的。ClassB模式是固定周期時間同步，在固定周期內(nèi)可以隨機(jī)確定窗口期接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，兼顧實時性和低功耗，特點(diǎn)是對時間同步要求很高。Class C模式是常發(fā)常收模式，節(jié)點(diǎn)不考慮功耗，隨時可以接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，實時性最好，適合不考慮功耗或需要大量下行數(shù)據(jù)控制的應(yīng)用，比如智能電表或智能路燈控制。

網(wǎng)關(guān)／基站（Gateway）：網(wǎng)關(guān)是建設(shè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，目的是緩解海量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上報所引發(fā)的并發(fā)沖突。主要特點(diǎn)如下：1）兼容性強(qiáng)，所有符合LoRaWAN協(xié)議的應(yīng)用都可以接入；2）接入靈活，單網(wǎng)關(guān)可接入幾十到幾萬個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)入網(wǎng)，數(shù)目可延拓；3）并發(fā)性強(qiáng)，網(wǎng)關(guān)最少可支持8頻點(diǎn)，同時隨機(jī)8路數(shù)據(jù)并發(fā)，頻點(diǎn)可擴(kuò)展；4）可實現(xiàn)全雙工通信，上下行并發(fā)不沖突，實效性強(qiáng)；5）靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設(shè)備的靈敏度更高；6）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵�，星狀網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，功耗更低；7）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營成本很低。

服務(wù)器（Server）：負(fù)責(zé)LoRaWAN系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務(wù)器端下達(dá)。根據(jù)不同的功能，分為：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Network Server）與網(wǎng)關(guān)通信實現(xiàn)LoRaWAN數(shù)據(jù)包的解析及下行數(shù)據(jù)打包，與應(yīng)用服務(wù)器通信生成網(wǎng)絡(luò)地址和ID等密鑰；應(yīng)用服務(wù)器（Application Server）負(fù)責(zé)負(fù)載數(shù)據(jù)的加密和解密，以及部分密鑰的生成；客戶服務(wù)器（Client Server）是用戶開發(fā)的基于B／S或C／S架構(gòu)的服務(wù)器，主要處理具體的應(yīng)用業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

LoRaWAN系統(tǒng)的優(yōu)勢包括：覆蓋范圍廣，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和施工成本，減少現(xiàn)場施工復(fù)雜度；服務(wù)器端鑒權(quán)可實現(xiàn)交叉覆蓋，減少覆蓋盲點(diǎn)；服務(wù)器端統(tǒng)籌管理，提高信道利用率，增加系統(tǒng)容量； 網(wǎng)關(guān)多路并發(fā)減少沖突，支持節(jié)點(diǎn)跳頻，增加系統(tǒng)容量；節(jié)點(diǎn)速率自適應(yīng)（Adaptive Data Rate）降低功耗和并發(fā)沖突，增加容量；安全性高，兩級AES－128（Advanced Encryption Standard－128）數(shù)據(jù)加密；星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高魯棒性；LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。

三、展望未來

LoRaWAN的未來非常值得期待，短期可預(yù)見的是基于LoRaWAN的定位技術(shù)。2016年，Semtech宣布了LoRaWAN支持定位的應(yīng)用，目前有少量企業(yè)從事利用RSSI為基礎(chǔ)附加參數(shù)修正的定位研究，但精度都不高。而基于Time Difference of Arrival（TDOA）的多LoRaWAN基站測量定位技術(shù)更具有商用化前景，理論精度可達(dá)50m以內(nèi)，實用性更高。依照普通LoRaWAN節(jié)點(diǎn)平均休眠電流3μA、時間同步、無需增加其他定位芯片的特性，LoRaWAN完全有希望大規(guī)模代替現(xiàn)有的某些定位技術(shù)。較遠(yuǎn)的距離＋低功耗＋低成本＋可室內(nèi)室外定位的組合，是LoRaWAN有別于其他定位技術(shù)的優(yōu)勢。

2016年是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國內(nèi)商用化元年，未來對LoRaWAN會形成一定挑戰(zhàn)和競爭，而LoRa相對窄帶物聯(lián)技術(shù)已有成熟商用案例。窄帶物聯(lián)技術(shù)擁有運(yùn)營商的強(qiáng)力支持，但LoRaWAN不會被輕易取代，具有某些方面的先天優(yōu)勢。LoRaWAN允許企業(yè)搭建屬于自己的私有網(wǎng)絡(luò)，很多企業(yè)并不愿意把私有數(shù)據(jù)給別人，所以在投入成本可接受的情況下，企業(yè)寧愿部署自己的私有網(wǎng)絡(luò)并獨(dú)立運(yùn)營，私有網(wǎng)絡(luò)的誘惑力巨大。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，每種技術(shù)路線都有其優(yōu)勢領(lǐng)域和不足之處，未來的技術(shù)接受程度如何，關(guān)鍵還是要靠市場來進(jìn)行選擇，但最終受益的肯定是整個產(chǎn)業(yè)鏈和用戶。

目前，相對于NB－IoT，LoRa是當(dāng)前最成熟、穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，其自由組網(wǎng)的私有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)優(yōu)于運(yùn)營商持續(xù)不斷收費(fèi)的NB網(wǎng)絡(luò)，且LoRa一次組網(wǎng)終身不需繳費(fèi)。但是應(yīng)用LoRa進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通訊開發(fā)難度大、周期長、進(jìn)入門檻高。據(jù)了解，為降低物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)創(chuàng)業(yè)者進(jìn)入門檻，協(xié)成智慧提供了一整套成熟LoRaWAN源代碼＋LoRa Gateway網(wǎng)關(guān)定制方案，極大縮減了創(chuàng)業(yè)者在物聯(lián)網(wǎng)鏈路調(diào)通上所耗費(fèi)的半年周期與巨額開發(fā)代價，便于快速切入物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用，打造屬于自己的獨(dú)立物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營品牌。