LoRa和LoRaWAN技术概览

　　1、简介

　　本文的目的是针对LoRa和LoRaWAN做一个介绍性的技术概览。低功耗广域网(LPWAN)预计将会支持物联网预测的数十亿设备的一个主要部分。LoRaWAN自下而上设计，为电池寿命、容量、距离和成本而优化了LPWAN。对于不同地区给出了一个LoRaWAN规范概要，以及在LPWAN空间竞争的不同技术的高级比较。（内容与原文相比有删减和改动）

　　2、LoRa是什么?

　　LoRa是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(FSK)调制作为物理层，因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制。LoRa是基于线性调频扩频调制，它保持了像FSK调制相同的低功耗特性，但明显地增加了通信距离。线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，由于其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，但是LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。

　　长距离 (LoRa)

　　LoRa的优势在于技术方面的长距离能力。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方公里范围。在一个给定的位置，距离在很大程度上取决于环境或障碍物，但LoRa和LoRaWAN有一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术。链路预算，通常用分贝(dB为单位)表示，是在给定的环境中决定距离的主要因素。下面是部署在比利时是Proximus网络覆盖图。随着小量的基础设施建设实施，可以容易地覆盖到整个国家。

　　3、LPWAN适合在那里?

　　一种技术不能满足物联网所有项目应用和量。WiFi和BTLE是被广泛采用的标准，非常好地满足了与个人设备通讯相关的应用。蜂窝技术非常适合那些需要较高数据吞吐量并配有电源的应用。LPWAN提供多年的电池寿命，是专为那些需要发送少量数据的传感器和应用而设计，从不同环境中通过长距离每小时发送几次。

　　LPWAN中最关键的因素是：

　　网络架构

　　通信距离

　　电池寿命或低功耗

　　干扰的鲁棒性

　　网络容量(网络中的最大节点数)

　　网络安全

　　单向与双向通信

　　各种服务应用

　　4、LoRaWAN是什么?

　　LoRaWAN定义了网络的通讯协议和系统架构，而LoRa物理层能够使长距离通讯链路成为可能。协议和网络架构对节点的电池寿命、网络容量、服务质量、安全性、网络的各种应用服务质量等影响最大。

　　网络架构

　　许多现有部署的网络采用了网状网络架构。在网状网络中，个别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规模大小。虽然这增加了范围，但也增加了复杂性，降低了网络容量，并降低了电池寿命，因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息。当实现长距离连接时，长距离星型架构最有意义的是保护了电池寿命。

　　在LoRaWAN网络中，节点与专用网关不相关联。相反，一个节点传输的数据通常是由多个网关收到。每个网关将从终端节点接所接受到的数据包通过一些回程 (蜂窝、 以太网、 卫星或 Wi-Fi)转发到基于云计算的网络服务器。智能化和复杂性放到了服务器上，服务器管理网络和过滤冗余的接受到的数据，执行安全检查，通过最优的网关进行调度确认，并执行自适应数据速率等。如果一个节点是移动的或正在移动，不需要从网关到网关切换，这是一个重要的功能，可以应用于资产跟踪---物联网一个主要的目标垂直应用。

　　电池寿命

　　在LoRaWAN网络中的节点是异步的通信的，当其要发送的数据准备好的时候通信，无论是事件驱动还是时间调度。这种类型的协议通常称为Aloha方法。在网状网络或同步网络，如蜂窝，节点必须经常唤醒以同步网络，并检查消息。这个同步明显消耗能量，是减少电池寿命第一推手。在最近一项研究中，GSMA对不同解决LPWAN空间的技术进行了比较，LoRaWAN比其他技术选择有3到5倍的优势。

　　网络容量

　　为了使远距离星型网络能够实现，网关必须具有非常高的容量或性能，从大量的节点接收消息。高网络容量利用自适应的数据速率和网关中的多通道多调制收发器实现，因此可以在多信道上同时接受消息。影响容量的关键因素是并发通道数、数据速率(空中时间)、负载长度以及节点如何经常发送数据。因为LoRa是基于扩频调制，当使用不同扩频因子时，信号实际上是彼此正交。当扩频因子的发生变化，有效的数据速率也会发生变化。网关利用了这个特性，能够在同一时间相同信道上接受多个不同的数据速率。如果一个节点有一个好的连接并靠近网关，它没有理由总是使用最低的数据速率，填满可用的频谱比它需要的时间更长。数据传输速率越高，在空气中的时间就越短，可以为其他要传送数据的节点开放更多的潜在空间。自适应数据速率也优化了节点的电池寿命。为使自适应的数据速率工作，对称的上行链路和下行链路要求有足够的下行链路容量。这些特点使得LoRaWAN有非常高的容量，网络更具有可扩展性。用最少量的基础设施可以部署网络，当需要容量时，可以添加更多网关，变换数据速率，减少串音次数，可扩展6~8倍网络容量。其他LPWAN技术没有LoRaWAN的可扩展性，缘于技术上的权衡，其限制了下行链路的容量，使下行链路距离与上行链路距离不对称。

　　设备类 – 并非所有节点都相同

　　终端设备服务不同的应用，有不同的要求。为优化各种终端应用规范，LoRaWAN使用了不同的设备类别。设备类别权衡了网络下行通信延迟与电池寿命。在控制或执行器类型应用中，下行链路通信延迟是一个重要因素。

　　双向终端设备(A类)：A类的终端设备允许双向通信，因此每个终端设备的上行链路传输跟随两个短的下行链路接受窗口。传输时隙由终端设备调度，基于其自身的通讯需求并有一个基于随机时基的微小变化(ALOHA类型协议)。对于在终端设备已发送一个上行链路传输后，仅需要从服务器下行链路简短地通讯的应用来说，这种A类操作是最低功耗的终端系统。在任何其他时间从服务器下行链路通讯必须等下一个调度的上行链路。

　　具备调度接受时隙的双向终端设备(B类)：除A类随机接受窗口外，B类设备在调度时间上打开了额外的接受窗口。为使终端设备在调度时间上打开其接受窗口接受网关同步信标一次。这允许服务器知道什么时候终端设备在侦听。

　　具备最大接受时隙的双向终端设备(C类)：C类终端设备几乎是连续地打开节接受窗口，仅在发送时关闭。

　　安全

　　加入安全对于任何的LPWAN来说是极其重要的。 LoRaWAN使用了两层安全：一个是网络层安全;另一个是应用层安全。网络安全保证了网络节点的可靠性，而应用层的安全性确保了网络运营商不能访问终端用户的应用数据。密钥交换使用了AES加密的IEEE EUI64标识符。每种技术选择都会有所所权衡， 但LoRaWAN在网络架构中的特性，设备类别，安全性，容量可扩展性以及为移动优化满足了各种各样的潜在的物联网应用。

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　　5、LoRaWAN区域概述

　　LoRaWAN 规范根据不同的地区频谱分配和监管要求而略有不同。欧洲和北美已制定了LoRaWAN 规范，但其他区域仍在由技术委员会制定中。加入LoRa联盟作为贡献者成员并参与技术委员会，对以亚洲市场解决方案为目标的公司有明显的优势。

　　LoRa WAN协议介绍

　　物联网应用中的无线技术，除城域网的2G/3G/4G外，还有局域网和短距的多种通信技术，比如2.4G 频段的WiFi，蓝牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。这些短距无线技术，优缺点也都非常明显。而且从无线应用开发和工程运维人员角度来看，一直以来都存在这样一个两难问题：即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一。而采用LoRa技术之后，设计人员现在可做到两者都兼顾，最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

　　一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将决定系统的传输距离和电池寿命。工作频段的选择要折衷考虑频段和系统的设计目标。而在FSK系统中网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。升特(Semtech)公司采用新的扩频技术的的高性价比收发机方案将会改变以往的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的系统而又能实现远距离、长电池寿命并增加系统容量，进而扩展你的传感网络，于是LoRa技术应运而生了。

　　LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

　　前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，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且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包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馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

　　通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你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，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实，扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。

　　在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

　　为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。

　　AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。

　　因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。

　　传输速率和距离

　　传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK或者GFSK。要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。如图展示了在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

　　与FSK系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。

　　网络架构和协议

　　选择星型网还是网状网是影响整个无线网络系统性能优劣的一个关键因素。星型网是具有最低延迟的最简单的网络结构。远距离、共信道同步传输、共信道抑制的改善和高选择性，这些扩频方式的优点为传感网络提供了一种可供选择的高性能的系统解决方案，而这是传统FSK调制方式无法达到的。

　　在相同速率下扩频调制方式所具备的优势可以轻易地用于改善现有网状网的性能，而星形网也会达到最优的系统性能。利用星型网在郊区环境可以达到8-16km距离的情况下，我们不再需要很庞大的网状网结构来覆盖这么宽的范围。

　　一个多通道、多调制解调方式的集中器可以适应不同节点的不同速率和不同的功率，这样就可以获得最大的网络容量和最长的电池寿命。使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率。可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。借助网络仿真工具，我们可以很容易观察到，与传统采用固定速率的FSK系统相比，采用上述技术的星型网能容易地获得很多优势，诸如95%的节点只占用10%的总能耗，同时整个系统的容量也将提高5-6倍。

　　总的来说，与其他无线系统相比，LoRa技术拥有如下几大优势。它使用扩频调制技术，可解调低于20 dB的噪声。这确保了高灵敏度、可靠的网络连接，同时提高了网络效率并消除了干扰。而相比于网状网络，LoRaWAN协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。同时，LoRa技术实现的通信距离比其他无线协议都要长得多，这使得LoRa系统无需中继器即可工作，从而降低了整体拥有成本。此外，相较于3G和4G蜂窝网络，LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强，性价比更高。

　　LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范，这一技术可以为电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络。LoRaWAN瞄准了物联网中的一些核心需求，如安全地双向通讯、移动化和本地服务。该技术无需本地复杂配置，即可以让智能设备实现无缝互操作性，给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。

　　LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明的中继，连接前端终端设备和后端中央服务器。网关与服务器通过标准IP连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。

　　终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的，数据速率选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术，不同数据传输速率通信不会互相干扰，且会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN网络数据传输速率范围为0.3 kbps至50 kbps，为了最大化终端设备电池寿命和整个网络容量，LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应(ADR)方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出。适用于物联网的覆盖全国的网络需要解决诸如关键性基础设施、机密的个人数据或社会公共服务等安全通信的问题，这方面一般采用多层加密的方式来解决：

　　唯一网络密钥(EU164)并保证网络层安全;

　　唯一应用密钥(EU164)并保证应用层端到端的安全。

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　　设备特别密钥(EUI128)LoRaWAN网络各节点具有多层级安全方案，保证各类应用的不同需求：

　　Class A

　　双向通信终端设备(A等级)：处于A等级的终端设备允许双向通信，每一终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求，其微调是基于一个随机的时间基准(ALOHA协议)。A等级的终端设备应用中功耗最低，在终端发送一个上行传输信号后才能与服务器进行下行通信，与服务器任何时候的下行通信都只能是在上行通信之后。

　　Class B

　　具有预设接收槽的双向通信终端设备(B等级)：B等级的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收到一个Beacon，这一方式会让服务器了解终端设备正在“倾听”。

　　Class C

　　具有最大接收槽的双向通信终端设备(C等级)：C等级的终端设备几乎持续为接收窗口开放，只在传输时关闭。

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