LoRa技术在低功耗广域网络中的实现和应用

　　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，B点接收，可以回复也可以不回复确认，多组之间的频点建议分开，如图1所示。单纯利用LoRa调制灵敏度高的特性，目前主要针对特定应用和试验性质的项目。优点在于最简单，缺点在于不存在组网。

　　图1 点对点通信

　　2)星状网轮询。

　　一点对多点通信，N个从节点轮流与中心点通信，从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个节点再开始上传，直到所有N个节点全部完成，一个循环周期结束，如图2所示。该结构本质上还属于点对点通信，但是加入了分时处理，N个从节点之间的频点可以分开，也可重复使用。优势在于单项目成本低，不足之处是仅适合从节点数量不大和网络实时性要求不高的应用。

　　图2 星状网轮询

　　3)星状网并发。

　　如图3所示，一点对多点通信，多个从节点可同时与中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和不同频点的信号组合，物理上网关可以同时接收8路、16路、32路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时冲突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网，LoRa领域内目前主要指的是LoRaWAN技术。

　　图3 星状网并发

　　2、系统组成

　　点对点通信和星状网轮询的系统组成比较简单，两端都是节点，分为主从。在主节点收到从节点上行数据后会发下行确认帧给从节点，然后从节点进入休眠，工作模式比较简单。这里主要对LoRaWAN星状网并发结构进行展开说明，LoRaWAN系统主要分为三部分：节点/终端、网关/基站，以及服务器，如图4所示。

　　图4 LoRaWAN系统架构示意图

　　节点/终端(Node)：LoRa节点，代表了海量的各类传感应用，在LoRaWAN协议里被分为Class A、Class B和Class C三类不同的工作模式。Class A工作模式下节点主动上报，平时休眠，只有在固定的窗口期才能接收网关下行数据。Class A的优势是功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，比如针对水表应用的10年以上工作寿命通常就是基于Class A实现的。ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗口期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高。Class C模式是常发常收模式，节点不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性最好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能电表或智能路灯控制。

　　网关/基站(Gateway)：网关是建设LoRaWAN网络的关键设备，目的是缓解海量节点数据上报所引发的并发冲突。主要特点如下：1)兼容性强，所有符合LoRaWAN协议的应用都可以接入;2)接入灵活，单网关可接入几十到几万个节点，节点随机入网，数目可延拓;3)并发性强，网关最少可支持8频点，同时随机8路数据并发，频点可扩展;4)可实现全双工通信，上下行并发不冲突，实效性强;5)灵敏度高，同速率下比非LoRaWAN设备的灵敏度更高;6)网络拓扑简单，星状网络可靠性更高，功耗更低;7)网络建设成本和运营成本很低。

　　服务器(Server)：负责LoRaWAN系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。根据不同的功能，分为：网络服务器(Network Server)与网关通信实现LoRaWAN数据包的解析及下行数据打包，与应用服务器通信生成网络地址和ID等密钥;应用服务器(Application Server)负责负载数据的加密和解密，以及部分密钥的生成;客户服务器(Client Server)是用户开发的基于B/S或C/S架构的服务器，主要处理具体的应用业务和数据呈现。

　　LoRaWAN系统的优势包括：覆盖范围广，节省网络优化和施工成本，减少现场施工复杂度;服务器端鉴权可实现交叉覆盖，减少覆盖盲点;服务器端统筹管理，提高信道利用率，增加系统容量; 网关多路并发减少冲突，支持节点跳频，增加系统容量;节点速率自适应(Adaptive Data Rate)降低功耗和并发冲突，增加容量;安全性高，两级AES-128(Advanced Encryption Standard-128)数据加密;星状网络结构提高鲁棒性;LoRaWAN协议标准化。

　　三 典型环境

　　四 业务运营

　　五 展望未来

　　LoRaWAN的未来非常值得期待，短期可预见的是基于LoRaWAN的定位技术。2016年，Semtech宣布了LoRaWAN支持定位的应用，目前有少量企业从事利用RSSI为基础附加参数修正的定位研究，但精度都不高。而基于Time Difference of Arrival(TDOA)的多LoRaWAN基站测量定位技术更具有商用化前景，理论精度可达50m以内，实用性更高。依照普通LoRaWAN节点平均休眠电流3μA、时间同步、无需增加其他定位芯片的特性，LoRaWAN完全有希望大规模代替现有的某些定位技术。较远的距离+低功耗+低成本+可室内室外定位的组合，是LoRaWAN有别于其他定位技术的优势。

　　2016年是窄带物联网技术国内商用化元年，未来对LoRaWAN会形成一定挑战和竞争，而LoRa相对窄带物联技术已有成熟商用案例。窄带物联技术拥有运营商的强力支持，但LoRaWAN不会被轻易取代，具有某些方面的先天优势。LoRaWAN允许企业搭建属于自己的私有网络，很多企业并不愿意把私有数据给别人，所以在投入成本可接受的情况下，企业宁愿部署自己的私有网络并独立运营，私有网络的诱惑力巨大。物联网技术的发展日新月异，每种技术路线都有其优势领域和不足之处，未来的技术接受程度如何，关键还是要靠市场来进行选择，但最终受益的肯定是整个产业链和用户。