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

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

2、LoRaWAN

在傳統的廣域連接應用中，主要借助電信運營商提供的蜂窩網絡進行連接，工業、能源、交通、物流等各行業廣泛采用蜂窩網絡實現互聯。但仍有大量的設備應用是現有蜂窩網絡技術無法滿足的，比如水、電、氣、熱等計量表，市政管網、路燈、垃圾站點等公用設施，大面積畜牧養殖和農業灌溉，廣泛布局且環境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數據采集，以及偏僻的戶外作業等。這些類型終端若采用現有運營商蜂窩網絡進行聯網，可能遇到如下問題。

1、信號覆蓋不足：很多設備布局在人口稀少或環境復雜的區域，運營商網絡覆蓋盲區或信號強度不足，難以保障數據的穩定傳輸。

2、功耗高：大量設備需要電池供電，若采用蜂窩網絡則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環境下很難實現。

3、費效比低：設備單次傳輸數據量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網絡為高帶寬設計，采用蜂窩網絡要占用網絡和碼號資源，還會產生包月流量費用。

基于以上原因，低功耗廣域網技術（Low Power Wide Area Network，LPWAN）成為彌補物聯網網絡層短板的最佳選擇。2015年3月，由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance（以下簡稱LoRa聯盟），聯盟是一個開放的非盈利性組織，目的在于加速LoRa技術全球商用化，主要發起成員還包括美國IBM、Cisco、法國Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業。

聯盟發布的LoRaWAN協議將LPWAN分成了三部分，包括節點應用、通信服務（模組和基站供應商）、云服務，數據傳輸過程中的通信層包括兩級加密，數據通信更為安全。截止到2016年10月，聯盟成員數量高達400多家，其中國家級的運營商有27家，新增運營商有法國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的產業鏈中還包括大量終端硬件廠商、模塊網關廠商、軟件廠商、系統集成商等，構成了完整的LoRa生態系統，大大促進LoRa技術的快速發展與生態繁盛。

二 系統架構

1、網絡架構

目前，基于L oRa技術的網絡層協議主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協議，但是通信系統網絡都是星狀網架構，以及在此基礎上的簡化和改進。主要包括以下3種。

（1）點對點通信。

一點對一點通信，多見于早期的LoRa技術，A點發起，B點接收，可以回復也可以不回復確認，多組之間的頻點建議分開，如圖1所示。單純利用LoRa調制靈敏度高的特性，目前主要針對特定應用和試驗性質的項目。優點在于最簡單，缺點在于不存在組網。

圖1 點對點通信

（2）星狀網輪詢。

一點對多點通信，N個從節點輪流與中心點通信，從節點上傳，等待中心點收到后返回確認，然后下一個節點再開始上傳，直到所有N個節點全部完成，一個循環周期結束，如圖2所示。該結構本質上還屬于點對點通信，但是加入了分時處理，N個從節點之間的頻點可以分開，也可重復使用。優勢在于單項目成本低，不足之處是僅適合從節點數量不大和網絡實時性要求不高的應用。

圖2 星狀網輪詢

（3）星狀網并發。

如圖3所示，一點對多點通信，多個從節點可同時與中心點通信，從節點可隨機上報數據，節點可以根據外界環境和信道阻塞自動采取跳頻和速率自適應技術，邏輯上網關可以接收不同速率和不同頻點的信號組合，物理上網關可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數據，減少了大量節點上行時沖突的概率。該系統具有極大的延拓性，可單獨建網，可交叉組網，LoRa領域內目前主要指的是LoRaWAN技術。

圖3 星狀網并發

2、系統組成

點對點通信和星狀網輪詢的系統組成比較簡單，兩端都是節點，分為主從。在主節點收到從節點上行數據后會發下行確認幀給從節點，然后從節點進入休眠，工作模式比較簡單。這里主要對LoRaWAN星狀網并發結構進行展開說明，LoRaWAN系統主要分為三部分：節點／終端、網關／基站，以及服務器，如圖4所示。

圖4 LoRaWAN系統架構示意圖

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

網關／基站（Gateway）：網關是建設LoRaWAN網絡的關鍵設備，目的是緩解海量節點數據上報所引發的并發沖突。主要特點如下：1）兼容性強，所有符合LoRaWAN協議的應用都可以接入；2）接入靈活，單網關可接入幾十到幾萬個節點，節點隨機入網，數目可延拓；3）并發性強，網關最少可支持8頻點，同時隨機8路數據并發，頻點可擴展；4）可實現全雙工通信，上下行并發不沖突，實效性強；5）靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設備的靈敏度更高；6）網絡拓撲簡單，星狀網絡可靠性更高，功耗更低；7）網絡建設成本和運營成本很低。

服務器（Server）：負責LoRaWAN系統的管理和數據解析，主要的控制指令都由服務器端下達。根據不同的功能，分為：網絡服務器（Network Server）與網關通信實現LoRaWAN數據包的解析及下行數據打包，與應用服務器通信生成網絡地址和ID等密鑰；應用服務器（Application Server）負責負載數據的加密和解密，以及部分密鑰的生成；客戶服務器（Client Server）是用戶開發的基于B／S或C／S架構的服務器，主要處理具體的應用業務和數據呈現。

LoRaWAN系統的優勢包括：覆蓋范圍廣，節省網絡優化和施工成本，減少現場施工復雜度；服務器端鑒權可實現交叉覆蓋，減少覆蓋盲點；服務器端統籌管理，提高信道利用率，增加系統容量； 網關多路并發減少沖突，支持節點跳頻，增加系統容量；節點速率自適應（Adaptive Data Rate）降低功耗和并發沖突，增加容量；安全性高，兩級AES－128（Advanced Encryption Standard－128）數據加密；星狀網絡結構提高魯棒性；LoRaWAN協議標準化。

三、展望未來

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

2016年是窄帶物聯網技術國內商用化元年，未來對LoRaWAN會形成一定挑戰和競爭，而LoRa相對窄帶物聯技術已有成熟商用案例。窄帶物聯技術擁有運營商的強力支持，但LoRaWAN不會被輕易取代，具有某些方面的先天優勢。LoRaWAN允許企業搭建屬于自己的私有網絡，很多企業并不愿意把私有數據給別人，所以在投入成本可接受的情況下，企業寧愿部署自己的私有網絡并獨立運營，私有網絡的誘惑力巨大。物聯網技術的發展日新月異，每種技術路線都有其優勢領域和不足之處，未來的技術接受程度如何，關鍵還是要靠市場來進行選擇，但最終受益的肯定是整個產業鏈和用戶。

目前，相對于NB－IoT，LoRa是當前最成熟、穩定的窄帶物聯網通訊技術，其自由組網的私有網絡遠優于運營商持續不斷收費的NB網絡，且LoRa一次組網終身不需繳費。但是應用LoRa進行物聯網通訊開發難度大、周期長、進入門檻高。據了解，為降低物聯網行業創業者進入門檻，協成智慧提供了一整套成熟LoRaWAN源代碼＋LoRa Gateway網關定制方案，極大縮減了創業者在物聯網鏈路調通上所耗費的半年周期與巨額開發代價，便于快速切入物聯網具體應用，打造屬于自己的獨立物聯網運營品牌。