无线通信网络 无线通信网络之LoRa技术

纸|传感器技术

由于功耗和成本问题，业内预测，到2020年，物联网500亿无线节点中，使用GSM技术的不到10%。虽然电信运营商在建设和管理这样一个大规模网络方面具有最突出的优势，但他们需要一个长距离、大容量的系统来巩固他们在电池供电的无线终端细分市场中的地位，如无线传感器网络、智能城市、智能电网、智能家居、安全设备和工业控制。对于物联网来说，只有使用广泛的技术，电池供电的无线节点数量才能达到预期的规模。

LoRa作为低功耗广域网的远程通信技术，近年来受到越来越多的关注。

LoRa技术

LoRa是LPWAN通信技术之一，是美国Semtech公司采用并推广的基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控调制作为物理层，因为这是一种非常有效的调制，可以实现低功耗。

LoRa基于LFM扩频调制，保持了与FSK调制相同的低功耗特性，但明显增加了通信距离。

劳拉技术本身具有高接收灵敏度和超信噪比。此外，采用跳频技术，通过伪随机码序列进行频移键控，使载频连续跳变，扩频，防止恒频干扰。

目前，LoRa主要工作在全球自由频段，包括433 MHz、868 MHz和915 MHz。

LoRa最大的特点是:

长距离传输

低工作功耗

有许多网络节点

LoRa网络架构

在网状网络中，单个终端节点转发其他节点的信息，以增加网络的通信距离和网络区域的大小。虽然这增加了范围，但它也增加了复杂性，降低了网络容量，并缩短了电池寿命，因为节点从其他节点接收和转发可能与它们无关的信息。在实现长途连接时，长途星型架构最重要的是保护电池寿命。

如果网关安装在现有的移动通信基站，发射功率20dBm，，在建筑密度高的城市环境下可以覆盖2 km左右，在密度低的郊区可以覆盖10 km左右。网关/集中器还包含对更高层透明的MAC层协议。

LoRa网络主要由终端、网关、网络服务器和应用服务器组成。应用数据可以双向传输。

LoRaWAN网络架构是典型的星型拓扑。在这种网络架构中，LoRa网关是一个透明的传输中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备使用单跳与一个或多个网关通信。所有节点都与网关双向通信。

LoRa终端设备

LoRa的终端节点可以是各种设备，如水表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。这些节点首先通过LoRa无线通信与LoRa网关连接，然后通过3G网络或以太网连接到网络服务器。网关通过TCP/IP协议与网络服务器进行通信。

罗兰网络将终端设备分为三类:

A类:双向通信终端设备。这种终端设备允许双向通信，每个终端设备上行传输都会伴随有两个下行接收窗口。终端设备的传输时隙基于自身的通信需求，其微调基于ALOHA协议。

A类设备功耗最低，基站下行通信只能在终端上行通信后进行

B类:预设接收时隙的双向通信终端设备。这种终端设备会在预设时间内打开一个额外的接收窗口。为了实现这个目标，终端设备将同时从网关接收信标，并通过信标同步基站和模块之间的时间。

B类终端可以让基站知道终端正在接收数据

C类:接收窗口最大的双向通信终端设备。这种终端设备保持接收窗口打开，仅在传输过程中关闭。

C类设备接收窗口最长，功耗最大

LoRa联盟

LoRa alliance是Semtech于2015年3月领导的一个开放的非营利组织，其创始成员包括法国的Actility、中国的AUGTEK和荷兰皇家电信kpn。在不到一年的时间里，联盟已经发展了150多家成员公司，包括IBM、思科、法国Orange等重量级厂商。

产业链的每个环节都有大量的企业。这项技术的开放性和充分的竞争与合作促进了LoRa的快速发展和生态繁荣。

劳拉万协议

LoRaWAN是基于开源MAC层协议的LoRa电力广域网标准。这项技术可以为电池供电的无线设备提供本地、国家或全球网络。劳拉万针对物联网中的一些核心需求，如安全双向通信、移动通信和静态位置识别。该技术可以实现智能设备之间的无缝对接和互操作，无需本地复杂配置，并赋予用户、开发者和企业在物联网领域的自由运营权。

劳拉vs NB-物联网

我们在前一篇文章中介绍了NB-IoT。同时，作为物联网的无线通信技术，NB-IoT和LoRa具有不同的技术和商业特性，因此会有不同的应用场景。

目前从产业发展的角度来看，已经形成了由芯片、模块、终端、通信设备、平台、运营商、应用组成的完整产业链，对比NB-IoT和LoRa:

频带、服务质量和成本

LoRa工作在1GHz以下的无执照频段，因此无需为其应用支付额外费用。NB-物联网和蜂窝通信使用1GHz以下的授权频段。500MHz到1GHz之间的频段是长距离通信的最佳选择，因为天线的实际尺寸和效率都是相当有利的。

LoRaWAN使用免费免执照频段，是异步通信协议，是电池供电、低成本的最佳选择。LoRa和LoRaWAN协议在处理干扰、网络重叠和可扩展性方面具有独特的特点，但它们不能提供与蜂窝协议相同的服务质量。

据报道，授权的亚千兆赫频段的投标价格超过5亿美元每兆赫。考虑到服务质量，蜂窝网络和NB-IoT无法提供与LoRa相同的电池寿命。由于服务质量和高频段使用费，对于需要保证服务质量的应用场景，建议使用蜂窝网络和NB-物联网，如果首选低成本和大量连接，LoRa是一个很好的选择，如下图所示。

电池寿命和下行链路延迟

蜂窝网络设计的思路是频带的优化利用，相应地牺牲了节点成本和电池寿命。相反，LoRaWAN节点是为了低成本和长电池寿命而诞生的，它缺乏频带利用率。

关于电池寿命，有两个重要因素需要考虑，即节点的电流消耗和协议内容。LoRaWAN是一种基于ALOHA的异步协议，这意味着节点可以根据具体应用场景的要求长时间或短时间休眠，而蜂窝等同步协议的节点必须定期联网。

比如市面上的手机必须每1.5s秒与网络同步一次。在NB-IoT中，这种同步比较少但还是定期进行，消耗额外的电池电量。

调制是蜂窝网络中充分利用频带的有效手段，但从节点的角度来看并不有效。蜂窝调制需要线性发射机来产生调制信号，线性发射机需要比非线性调制多几个数量级的峰值电流，并且更高的峰值电流将消耗更多的电池功率。

而同步通信协议在下行延迟短方面有优势，NB-IoT可以为需要大数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。LoRaWAN的B类通过定期唤醒终端以接收下行消息来缩短下行通信的延迟。

因此，对于需要频繁通信、短延迟或大量数据的应用，NB-IoT可能是更好的选择，而LoRa更适合需要更低成本、更长电池寿命和不频繁通信的场景。

设备成本、网络成本和混合模型

与NB-IoT相比，LoRaWAN协议对于终端节点来说更简单、更容易开发，对于微处理器来说具有更好的适用性和兼容性。NB-IoT的调制机制和协议比较复杂，需要更复杂的电路和更多的开销。同时，NB-IoT和3GPP一样，也是要征税的。

目前一部手机的税大约是5美元，但是对于物联网设备来说太贵了，如果贸然减税，会在手机等移动通信市场造成价格混乱。所以，3GPP组织权衡物联网和移动通信的税费也是一个很大的问题。

市场上已经可以找到成本低、技术相对成熟的LoRa模块，升级版也会随之而来。LoRa联盟对版权和税收没有太多的限制，这使得LoRa产业链中不到4美元的模块非常令人印象深刻。目前市场上的LoRa模块价格一般在7-10美元，但随着技术的成熟，4-5美元的涨幅也不是什么大问题。现在，一个LTE模块的价格几乎不低于20美元。

与传统的“塔式”网络相比，物联网和LPWAN需要使用不同的模式来降低支出和运营成本。部署LoRaWAN的成本较低，因为它可以通过使用传统的信号塔、工业基站甚至便携式家庭网关来实现。

目前，塔式基站的价格在1000美元左右，而工业基站不到500美元，而家庭网关只有100美元左右。但是对于NB-IoT来说，升级现有4G LTE基站的价格保守估计不低于15000美元一个。

LoRa和NB-物联网的应用场景

没有任何技术可以同时满足物联网应用的所有要求。下面将通过几个具体的应用实例来分析NB-IoT和LoRa的适用应用场景。

智能电表

在智能电表领域，相关公司和部门需要高速的数据传输、频繁的通信和低延迟。因为电表由电源供电，所以不需要超低功耗和长电池寿命。此外，还需要对网络进行实时监控，以便及时处理隐患。

LoRaWAN的ClassC可以实现低延迟，但NB-IoT更适合智能电表，因为它需要高传输速率和频繁的通信。另外，电表一般安装在人口密集地区的固定位置，运营商的部门网络比较容易。

b:智慧农业

对于农业，迫切需要低功耗、低成本的传感器。温度、湿度、二氧化碳、盐度等传感器的应用对增加农业产量、减少用水量具有重要意义，这些传感器需要定期上传数据。

LoRa非常适合这样的场景。而且很多偏远的农场或者耕地都不覆盖蜂窝网络，更别说4G/LTE了，所以NB-IoT不像LoRa那样适合智能农业。

c:自动化制造

工厂机器的运行需要实时监控，不仅可以保证生产效率，还可以通过远程监控提高劳动效率。在工厂的自动化制造和生产中，有许多不同类型的传感器和设备。

有些场景需要频繁的通信，保证良好的服务质量，所以NB-IoT是更合适的选择。在某些场景下，需要低功耗、长寿命的低成本传感器来跟踪设备和监控状态，因此LoRa是一个合理的选择。因此，NB-IoT和LoRa对于自动化制造的多样性都是有用的。

D:智能建筑

大楼改造增加了温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器，并定期上传监测信息，方便管理人员监督，更方便用户。

一般来说，这些传感器的通信不需要非常频繁或者保证非常好的服务质量，便携式家庭网关就可以满足需求。所以，LoRa是这个场景的合适选择。

e:零售终端

零售终端系统往往需要频繁、高质量的通信，而这些设备通常都有专门的供电设备，因此不需要更长的电池寿命。同时对通信的及时性和低延迟有更高的要求。因此，基于以上考虑，NB-IoT更适合这种应用。

外宾:物流跟踪

跟踪或定位市场的一个重要要求是终端的电池寿命。物流跟踪可以作为混合部署的一个实际案例。物流企业可以根据定位的需要，在需要的地方搭建网络，可以是仓库，也可以是运输车辆。这时，便携式基站开始使用。

LoRa可以提供这样的部署方案，但是对于NB-IoT来说，铺设跟踪范围大的基站是一个很大的问题。同时，LoRa在高速移动时具有通信比NB-IoT更稳定的特点。基于以上原因，LoRa更适合物流跟踪。

一项从纸到商业的技术，离不开强大的生态系统的支持。长期以来，物联网的连接技术一直各行其是，从芯片到系统，各方采用的规范不尽相同，造成大规模部署的瓶颈。

目前，中国电信、中国移动、中国联通、华为、高通等运营商的部署，已经逐步构建起支撑NB-IOT科技产业的生态系统，而Orange、软银、Senet、Comcast等主流运营商的使用，也使得LoRa科技产业的生态初具规模。

两种技术都在不断扩展，使得拥抱万物互联的条件慢慢成熟。大量供应商和运营商也在开展试点项目。相信未来NB-IoT和LoRa的互补发展将极大地推动物联网技术的创新与进步。