當(dāng)有人問我“什么是LoRa”時(shí)，如果不知道他們問這個(gè)問題的原因，我很難知道該如何回答。這是因?yàn)長oRa可能指不止一件事：

技術(shù)上是一種無線電調(diào)制方案——一種使用Chirp的多符號格式來調(diào)制無線電信號的方法;

LoRa也指支持調(diào)制的系統(tǒng)，包括LoRa芯片和網(wǎng)關(guān);

有時(shí)是指物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)。

從本質(zhì)上講，LoRa芯片造價(jià)低廉，但卻擁有很高的接收靈敏度和低誤碼率(BER)。這意味著在低速應(yīng)用場景中，使用LoRa可以獲得比使用其它同等價(jià)格的無線電技術(shù)更遠(yuǎn)的傳輸距離。

LoRaWAN

LoRaWAN是一個(gè)建立在LoRa之上的媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議，使用Semtech的LoRa調(diào)制方案構(gòu)建(LoRa只是一個(gè)物理層協(xié)議)。然而，LoRaWAN很少用于工業(yè)(私有網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用場景，它更適合公共廣域網(wǎng)，因?yàn)樗行诺蓝颊{(diào)制到相同頻率;對于私有網(wǎng)絡(luò)，為了避免沖突，最好只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行。

上圖是LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)關(guān)都綁定到同一個(gè)服務(wù)器，服務(wù)器決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該響應(yīng)傳輸。在一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)中，任何給定的傳輸通常都被多個(gè)接收器檢測到;然后服務(wù)器通知一個(gè)網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，其它網(wǎng)關(guān)忽略傳輸。這個(gè)過程有助于避免上下行的沖突，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)網(wǎng)關(guān)在傳輸，而重疊的網(wǎng)關(guān)可以簡單地偵聽其它傳輸。

許多人沒有意識到的是，有一種方法可以在不使用LoRaWAN的情況下使用LoRaWAN的底層技術(shù)(也就是LoRa)。例如，Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一個(gè)專有的MAC層，使其更適合需要將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全地連接到云上的企業(yè)和工業(yè)客戶。除此之外，還有很多公司在其它協(xié)議中使用LoRa芯片。

從技術(shù)層面回答“什么是LoRa”

從技術(shù)角度講，LoRa是一種獨(dú)特的調(diào)制方式。

Semtech射頻部件(SX1272、SX1276/7/8收發(fā)芯片)集成了LoRa調(diào)制技術(shù)(該技術(shù)為私有調(diào)制技術(shù)，目前技術(shù)細(xì)節(jié)尚未公開)，該技術(shù)被稱為調(diào)頻(FM)Chirp。LoRa的核心技術(shù)是使用分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生穩(wěn)定的Chirp信號。其它調(diào)制格式包括頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)等。有一點(diǎn)很重要：LoRa本身并沒有描述物理(RF介質(zhì))層之上的系統(tǒng)功能。

首先看一下Chirp信號(這個(gè)詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點(diǎn)，對于信號處理來講也可稱作掃頻)。Chirp的特點(diǎn)是信號的頻率以一定的規(guī)律變化，而FSK的信號只會(huì)在兩個(gè)頻點(diǎn)切換。下圖是線性Chirp信號時(shí)域圖。

LoRa物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

Semtech在2012年以500萬美元收購了法國Cycleo SAS，從而獲得了LoRa無線技術(shù)。

調(diào)制解調(diào)器在處理LoRa消息時(shí)能夠?qū)hirp信號進(jìn)行濾波，因此獲得額外的處理增益，提高接收靈敏度。為了“鎖定”LoRa信號，需要傳輸一個(gè)長時(shí)間的“恒定Chirp”前導(dǎo)信號(見Figure 1)。這就是Lora的獨(dú)特之處——使用廉價(jià)的芯片和晶體可以獲得非常高的接收靈敏度。

這個(gè)前導(dǎo)信號可以設(shè)置為一個(gè)可變數(shù)量的“符號”，也就是Chirp的數(shù)量。可以想象，不同LoRa發(fā)射器的前導(dǎo)信號之間沒有任何選擇性，但是LoRa解調(diào)器可以監(jiān)聽到在適當(dāng)?shù)念l率和Chirp變化速率下的恒定Chirp信號(不管它是否來自預(yù)定的系統(tǒng))。一個(gè)LoRa接收系統(tǒng)在面對常規(guī)的功率干擾和LoRa干擾時(shí)的抗干擾性能是非常重要的，這也是Symphony Link的關(guān)鍵技術(shù)。

一旦LoRa調(diào)制解調(diào)器“鎖定”到前導(dǎo)信號，前導(dǎo)信號的結(jié)束由圖1中所示的“反向Chirp”發(fā)出。然后開始數(shù)據(jù)傳輸，它有一系列的“符號”，這些符號的功能很像M-ARY FSK符號，但發(fā)生在Chirp上，見Figure 2。

LoRa的另一個(gè)強(qiáng)大功能是能夠解調(diào)幾個(gè)“正交”或同時(shí)發(fā)出的同頻信號，只要它們有不同的Chirp變化速率。在數(shù)據(jù)手冊中，LoRa Chirp變化速率被稱為擴(kuò)頻因子(Spread Factor)，擴(kuò)頻因子越高，Chirp變化越慢。Semtech的SX1301芯片支持這項(xiàng)功能，有能力同時(shí)解碼許多同時(shí)發(fā)出的LoRa Chirp，這項(xiàng)功能使得創(chuàng)建大型網(wǎng)絡(luò)成為可能。

建立這樣一個(gè)LoRa網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)需要大量的開發(fā)。從LoRa到一個(gè)無線系統(tǒng)，就好比從一個(gè)BPSK無線芯片到一個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)。大型網(wǎng)絡(luò)的OSI第2層及以上功能包括網(wǎng)關(guān)、中繼器、尋址、自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率、消息重試、消息確認(rèn)和大容量OFDM下行信號，這些功能是LoRaWAN和Symphony Link等系統(tǒng)的功能。

LoRa聯(lián)盟

LoRa聯(lián)盟創(chuàng)立于2015年，旨在LoRa MAC功能標(biāo)準(zhǔn)化。LoRa聯(lián)盟開發(fā)了LoRaWAN協(xié)議，方便移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商使用未授權(quán)頻譜與網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。

下面列出了關(guān)于LoRaWAN的一些細(xì)節(jié)：

LoRaWAN是一個(gè)多訪問協(xié)議的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，旨在減少大量端點(diǎn)的沖突。它需要一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)連接上運(yùn)行MAC功能;

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)是在終端設(shè)備和后端中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間中繼消息的透明橋;

客戶邏輯構(gòu)建到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中;

它主要是為具有多個(gè)端點(diǎn)的僅上行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，或者只需要少量下行消息的應(yīng)用程序(受應(yīng)用程序或端點(diǎn)數(shù)量的限制);

同一網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)需要同步;

終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的通信分布在不同的頻率和數(shù)據(jù)速率上。傳輸距離和數(shù)據(jù)速率之間需要權(quán)衡(也就是說，傳輸距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)速率越低);

不同的數(shù)據(jù)速率互不干擾，并創(chuàng)建一組“虛擬”通道來增加網(wǎng)關(guān)的容量;

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率(ADR)方案管理每個(gè)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)速率和RF輸出，該方案通常每24小時(shí)更新一次;

多層安全/加密(網(wǎng)絡(luò)級和應(yīng)用級的EUI64和設(shè)備特定的EUI128密鑰);

AES CCM(128位)用于加密和身份驗(yàn)證;

工作范圍在發(fā)射時(shí)間占空比ETSI 1%和10%的范圍內(nèi)，工作在868波段;

根據(jù)草案，B類向下鏈路節(jié)點(diǎn)可以每1秒到128秒輪詢一次信標(biāo)(現(xiàn)在使用IBM的LMiC提供的工程原型)，信標(biāo)周期為128秒(2^n)，其中n為0到7;

天線分集，因?yàn)樗芯W(wǎng)關(guān)都監(jiān)聽相同的上行信道。

LoRa連接應(yīng)用

一些公司正以有趣的方式使用全部LoRa/LoRaWAN技術(shù)。中國自行車共享公司OfO曾為其自行車配備LoRa設(shè)備和無線射頻技術(shù)，以確定自行車的位置，在中國180多個(gè)城市運(yùn)營。

LoRa網(wǎng)絡(luò)利用率的另一個(gè)例子來自加州圣羅莎市的PNI傳感器公司。PNI使用基于LoRaWAN的無線連接來提供實(shí)時(shí)的城市停車數(shù)據(jù)，使司機(jī)更容易找到可用的停車位來進(jìn)行街內(nèi)外的公共和私人停車管理。其最終目標(biāo)是減少交通擁堵和碳排放，這些都是由于司機(jī)為了找到停車位而反復(fù)折返造成的。

許多行業(yè)正在利用開放的LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，包括農(nóng)業(yè)(用于灌溉/水位監(jiān)測和蟲害控制)、公用事業(yè)(用于智能電表、照明和能源管理場景)和建筑施工(用于建筑門窗傳感器和建筑結(jié)構(gòu)健康應(yīng)用)。

也有很多公司做的是不基于LoRaWAN的LoRa網(wǎng)絡(luò)。

用LoRa部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

如果你想建立在運(yùn)營商擁有和運(yùn)營的公共網(wǎng)絡(luò)上，LoRaWAN是一個(gè)很好的協(xié)議選擇。在這個(gè)領(lǐng)域有很多硬件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供服務(wù)，所以有很多選擇——這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。但是圍繞LoRaWAN開發(fā)和部署一個(gè)系統(tǒng)的過程相當(dāng)復(fù)雜，如果你在射頻協(xié)議或無線系統(tǒng)和規(guī)劃方面沒有太多的專業(yè)知識或經(jīng)驗(yàn)，這將是一個(gè)挑戰(zhàn)。你還需要考慮部署LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是否能夠滿足需求。在某些情況下，使用自定義協(xié)議可能更好，你所要做的就是將數(shù)據(jù)發(fā)送到已經(jīng)編寫好的節(jié)點(diǎn)，以便連接到云。