快速了解LoRa和LoRaWAN

许多事物进一步推动工业物联网 (IIoT)； 其中之一是 LoRa——一种由 Semtech Corporation 开发和拥有的专有无线通信技术，代表扩展范围。 LoRa的主要特点是超远距离、低功耗、数据加密、多种用途和低成本。 LoRa 的覆盖范围可达 10 公里，是无线物联网网络的出色通信解决方案。 部署距离较远的物体可以通过 LoRa 进行频繁的低带宽数据交换，而不会耗尽电池电量。 LoRa 是一种提供无线调制的物理层技术，但缺乏联网功能。 设备或事物之间的无线连接需要网络管理协议。 在这里，LoRaWAN 填补了这一空白。 LoRaWAN 是由 LoRa 联盟维护的网络层协议，用于管理无线 LoRa 网络上的数据通信。

LoRa 已经存在了一段时间了。 当 Semtech 公司推出低功耗 LoRa 芯片时，它在物联网市场上受到了关注。 物联网设备需要以最小的功耗运行。 常见的无线技术要么在物联网环境中不节能（例如 WiFi），要么距离太短（例如蓝牙）。 LoRa 加上 LoraWAN 解决了这两个问题。 它提供超长距离无线连接，而功耗即使是小型电池也能轻松承受。

1、什么是LoRa

LoRa（即长距离）是一种专有无线技术，在免许可的无线电频谱中运行。 它基于线性调频扩频技术，以窄带宽为代价提供超远距离无线通信。 通过调制窄带波形将数据传送到中心频率。 使用线性调频脉冲将信息编码在波形上，使其能够抵抗任何干扰。 用于编码数据的射频频带取决于位置。 LoRa在北美使用902~928 MHz频段，在欧洲使用863~870 MHz频段，在印度使用865~867 MHz频段，在韩国使用920~923 MHz频段，在南美使用915~928 MHz频段，在亚洲使用923 MHz频段。

LoRa 适用于长距离以低比特率 (~27 Kbps) 传输少量数据。 LoRa 可以以最低的功耗在比 WiFi、Zigbee 和蓝牙更高的范围内传输数据。 LoRa 网络的典型范围在 2~8 公里之间，具体取决于地形。 LoRa 网络中的数据速率可以通过使用同样属于 ISM 频段的 2.4 GHz 频率来提高。 LoRa 是通过收发器芯片对数据进行编码和解码的物理层标准。 它不包括网络管理，例如网络流量管理或端点设备之间的通信。

LoRa 基于线性调频扩频 (CSS) 技术，类似于 FSK 调制。 它使用芯片脉冲来调制载波波形。 线性调频脉冲是频率以不同速度上下移动的信号或脉冲。 升高的频率称为上行线性调频脉冲，降低的频率称为下行线性调频脉冲。 上行线性调频脉冲和下行线性调频脉冲之间的移动速率由扩频因子 (SF) 决定。 扩频因子越高，通信范围和功耗越远。 扩频因子越低，范围越短，但在相同带宽和周期内传输数据的速度更快。 每秒发送的线性调频脉冲数可以通过调整扩频因子来调整。 扩频因子较低； 每个信号可以发送更多的码片，但代价是信号灵敏度。

LoRa 调制信号中的上行线性调频脉冲和下行线性调频脉冲示例如下：

每一位信息都由波形上的多个线性调频编码。 因此，由于使用“扩频”对每个比特进行编码，因此信号对任何类型的信道噪声或干扰都具有鲁棒性。 通过选择扩频因子和调制解调器传输功率（2~20 dBm）的适当组合，可以调整所需的功耗相对范围。 LoRa 信号使用的扩频因子和可变带宽决定了数据速率。 下表说明了根据扩频因子在范围和数据速率之间进行权衡。

2、什么是 LoRaWAN

LoRaWAN 是一种低功耗广域网 (LPWAN) 协议，适用于基于 LoRa 的调制。 LoRa 是一种物理层调制技术，而 LoRaWAN 是一种通信协议。 LoRa 负责对 LoRa 收发器之间的载波信号进行编码和调制，在 LoRa 设备之间建立点对点双向链路。 它不包含任何用于管理网络内设备或在 LoRa 设备与互联网服务器或云服务之间建立通信的协议。 LoRaWAN 是一种数据链路（媒体访问控制）层和网络层协议，用于在 LoRa 调制信号上运行。

LoRa 和 LoRaWAN 在 OSI 模型中的布局如下：

LoRaWAN 负责将 LoRa 设备配置为节点或网关。 在数据链路层，协议负责处理节点到节点的通信。 它通过唯一的MAC地址识别LoRa设备并配置网络参数。 在网络层，它负责通过本地网络与服务器或云服务通信和处理数据。 LoRaWAN 旨在利用 LoRa 技术的功能并确保遍布全球的 LoRa 网络之间的互操作性。 它处理 LoRa 网络内端点设备之间的流量管理和数据通信以及 LoRa 网络与互联网的通信。 它还负责加密 LoRa 设备之间的数据。

其他 MAC 层协议也可与 LoRa 调制配合使用，例如 Symphony Link，但没有一个像 LoRaWAN 那样流行。 LoRaWAN 是由 LoRa 联盟维护的开放协议。

3、LoRa和LoRaWAN比较

通常，LoRa 和 LoRaWAN 可以互换使用。 LoRa是一种无线硬件技术，而LoRaWAN是一种网络层协议。 事实上，LoRaWAN 在 LoRa 设备和网络上运行。 相反的情况可能并不总是如此。 还有其他网络层协议（例如 Symphony Link）可用于配置和管理网络中的 LoRa 设备。 LoRa 设备在许多地方通过 DIY LPWAN 配置和管理到网络中。 因此，可以使用其他专有或 DIY 协议在没有 LoRaWAN 的情况下设置 LoRa 网络。 LoRaWAN 是可以将 LoRa 设备聚合到运营网络中的众多软件协议之一。 LoRa 是一种运行在网络物理层或设备级别的硬件技术。

4、LoRa与其他无线技术比较

根据用例，物联网中会使用蜂窝技术和非蜂窝技术。 在非蜂窝技术中，LoRa 是唯一能够以小功耗提供超长距离的无线通信解决方案。 与 WiFi、蓝牙和 Zigbee 相比，它提供最长的覆盖范围。 然而，它提供的数据速率是所有产品中最低的。

LoRa是一种低功耗、远距离、低带宽、高度安全、无噪声的无线解决方案，适用于室外物联网网络。 它是连接由电池供电且部署在几公里之外、需要频繁但低带宽数据通信的物体的最佳解决方案。 WiFi和Zigbee可以被认为是室内应用的最佳解决方案。 蓝牙最适合与配件和外围设备进行短距离无线通信。

与其他非蜂窝无线技术相比，Lora 在范围和能源效率方面脱颖而出； 它面临着 NB-IoT 和 LTE-M 等蜂窝技术的激烈竞争，这些技术提供相似的范围，并不断降低其功耗。

5、为什么需要LoRaWAN

为 IIoT 应用选择 LoRaWAN 有多种原因。 LoRaWAN 的传输范围在农村地区可达 10 公里，在城市地区可达 3 公里，这是其他非蜂窝技术无法比拟的。 提供该范围时不会牺牲功率效率。 电池供电的 LoRa 设备依靠纽扣电池运行十年，且其使用寿命的大部分时间都在低功耗模式下运行。 它是一种开放协议，无需任何许可证费用，就像 WiFi 和蓝牙一样。 LoRa 网络可以容纳数千个网关而不会造成阻塞。 Lora 基于免许可无线电频谱，不受干扰。 LoRaWAN 上的数据通信采用 AES-128 加密，高度安全。 此外，LoRa 网络内的设备可以使用三角测量轻松定位。 通过在不同 Lora 网络之间无缝漫游，可以使用相同的硬件和软件工具来设置公共和专用 LoRaWAN 网络。 LoRa 网络需要最少的基础设施，并且可以使用成本低廉的硬件来构建。 该协议本身是开放且免许可的。

6、LoRa的缺点

Lora 和 LoRaWAN 最显着的缺点是数据速率低，因为该技术使用窄带宽。 LoRaWAN 是 WiFi、Zigbee 和蓝牙等所有非蜂窝技术中最慢的。 数据速率通常限制为 27 Kbps。 这限制了 LoRaWAN 在传感器网络中的使用。 他们不可能通过 LoRaWAN 传输任何数据。 LoRa 只能传输小数据包，但通常可以在超长距离内进行传输。

7、LoRa联盟

LoRa 联盟维护 LoRaWAN 协议。 LoRa联盟是一个开放的、非营利性的协会，由500多家成员公司组成，支持LoRaWAN协议的开发并确保所有LoRaWAN技术和产品之间的互操作性。 它成立于 2015 年，还为 LoRaWAN 终端设备提供认证。 只有LoRa联盟的成员才能成为经过认证的LoRaWAN设备制造商。 LoRa 联盟的成员名录是寻找提供基于 LoraWAN 的垂直特定服务和产品的公司的好地方。

8、LoRaWAN标准

2021年，LoRaWAN被正式批准为ITU（国际电信联盟）LPWAN国际标准。

9、LoRaWAN的应用

LoRaWAN 最适合智能城市、农场和工业物联网等户外物联网网络。 LoRaWAN 对于多层建筑中的无线连接也很有用。 不过，它只能用于传感器网络或嵌入式物联网应用。 由于数据速率较低，无法像WiFi一样用于餐饮互联网服务。