物联网的应用有很多种无线技术，可以组成局域网，也可以组成广域网。局域网的无线技术主要有2.4GHz WiFi、蓝牙、Zigbee，广域网的无线技术主要有2G/3G/4G。这些无线技术有明显的优点和缺点，可以总结在下图中。在低功耗广域网(LPWAN)出现之前，长距离和低功耗之间似乎只有一个选择。采用LPWAN技术，设计者可以兼顾两者，最大程度实现更长距离的通信和更低的功耗，同时节省额外的直放站成本。
图1 LP wan技术与LoRa技术定位对比
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长距离无线传输方案。该方案改变了以往传输距离和功耗之间的折中，为用户提供了一个简单的长距离、长续航、大容量的系统，从而扩展了传感器网络。目前，LoRa主要工作在全球自由频段，包括433、868、915 MHz等。
LoRa技术具有远距离、低功耗(长续航)、多节点、低成本的特点。
图2 lora的技术特征
以美国情况为例，对比Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah、LoRa在灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速率、发送电流、待机电流、接收电流、2000mAh续航、定位、抗干扰、拓扑等参数上的差异。
图Lora与其他无线通信技术的比较
LoRa网络组成
LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或基站)、服务器和云端四部分组成。应用程序数据可以双向传输。
图4 LoRa网络架构
劳拉联盟
LoRa Alliance是2015年3月由Semtech领导的一个开放的非盈利组织，其赞助商包括法国Actility、中国AUGTEK和荷兰皇家电信kpn。在不到一年的时间里，联盟发展了150多家成员企业，包括IBM、思科、法橙等重量级厂商。产业链的每个环节都有大量的企业(终端硬件厂商、芯片厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)。这种技术的开放性和竞争合作的充分性，都促成了LoRa的快速发展和生态繁荣。
图5 LoRa联盟
劳拉在中国。
中国LoRa应用联盟(简称CLAA)是在LoRa联盟支持下，由中兴通讯发起，各行业物联网应用创新主体参与合作的技术联盟。旨在共同建立中国LoRa应用合作生态系统，推动中国LoRa产业链的应用和发展，构建多元业务共享、低成本、广覆盖、可运营的LoRa物联网。
2016年12月，中国LoRa物联网产业运营联盟正式揭牌[3]，这意味着低功耗广域网技术LoRa将在中国进入大规模商用部署阶段，也意味着中国将成为全球最大的LoRa商用市场。彭、先科、中科智成、中兴通讯、上海贝尔、万迪成为首批联盟成员。
与其他技术相比，LoRa具有低成本、低功耗、技术成熟的优势，尤其是其产业链最为完善，国际商用案例更加丰富。然而，中国的LoRa发展缓慢。虽然物联网产业链中的M2M产业已经广泛使用了LoRa模块，但由于缺乏基础网络和技术人员支持，产业生态无法形成闭环。在物联网比较发达的中国台湾省，比如清华大学，台湾省等。，学生们已经开始提供基于LoRa物联网技术的应用课程[4]
。另一方面，目前国内高校物联网专业中LoRa技术及应用的课程很少，虽然学习民间科技网站的热情在逐渐高涨。比如国内的LoRa应用站已经开始整合翻译LoRa技术资料，甚至为物联网专业的大学生准备LoRa实验室课程。
网络部署
目前，LoRa网络已经在全球很多地方进行了试点或部署。根据LoRa Alliance 2017发布的数据，已经有超过30个国家开始建设网络，超过150个城市开始进行试点。中国奥格泰克完成了京杭大运河284个基站的建设，覆盖1300公里流域；美国网络运营商Senet于2015年年中在北美完成了50个基站的建设，覆盖了1.5万平方英里(约3.885万平方公里)。预计一期将架设200多个基站；美国最大的有线电视公司康卡斯特宣布采用LoRa技术。它将首先在费城和旧金山完成网络部署，并提供与计量(抄表等)相关的服务。)、环境监测(温湿度、污染、噪声监测等。)和跟踪定位。法国电信Orange于2016年初宣布在法国建立网络；荷兰皇家电信kpn宣布将在新西兰建设网络，到2016年达到50%的覆盖率；印度塔塔宣布将在孟买和德里建设网络；Telstra宣布将在墨尔本进行试点...
图6 LoRa全球网络部署
洛拉万协议
LoRaWAN是基于由LoRa联盟引入的开源MAC层协议的低功率广域网(LPWAN)标准。这项技术可以为电池供电的无线设备提供本地、全国或全球网络。LoRaWAN针对物联网的一些核心需求，如安全双向通信、移动通信、静态位置识别等。该技术无需复杂的本地配置，即可实现智能设备间的无缝对接和互 *** 作，赋予物联网中的用户、开发者和企业免费运营权。
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心服务器。网关通过标准IP与服务器连接，终端设备通过单跳与一个或多个网关通信。的所有节点都与网关双向通信，还支持云升级等 *** 作，减少云通信时间。
终端和网关的通信是在不同频率和数据传输速率的基础上完成的，数据速率的选择需要在传输距离和消息延迟之间权衡。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信不会互相干扰，还会创建一组“虚拟”频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率从0.3 kbps到37.5 kbps不等。为了最大化终端设备的电池寿命和整个网络的容量，LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率(ADR)方案来控制每个终端设备的数据传输速率和RF输出功率。全国范围的广域网针对物联网应用，如关键基础设施建设、机密个人数据传输或社会公共服务。关于安全通信，LoRaWAN一般采用多层加密:一是唯一网络密钥(EU164)，保证网络层安全；第二，唯一的应用密钥(EU164)保证了从应用层端到端的安全性；三。属于设备的特殊密钥(EUI128)。LoRaWAN网络根据实际应用的不同将终端设备分为A/B/C三类:
A类:双向通信终端设备。这种终端设备允许双向通信，每个终端设备的上行传输会伴随两个下行接收窗口。终端的传输时隙基于其自身的通信需求，并且其微调基于随机时间基准(ALOHA协议)。属于A类的终端设备在应用中功耗最低。终端发送上行传输信号后，服务器可以快速进行下行通信。在任何时候，服务器的下行通信只能跟随上行通信。
图7 A型LoRa终端协议
类别:具有预设接收槽的双向通信终端设备。这种终端设备会在预设时间内打开冗余接收窗口。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的时间。这样，服务器可以知道终端设备正在接收数据。
图8 B型LoRa终端协议
类别:具有最大接收槽的双向通信终端设备。这种终端设备保持接收窗口打开，只在传输时关闭。
图9 C型LoRa终端协议
LoRa技术要点
一般来说，传输速率、工作频带和网络拓扑是影响传感器网络特性的三个主要参数。传输速率的选择会影响系统的传输距离和电池寿命；工作频带的选择应该折衷频带和系统的设计目标；在FSK系统中，网络拓扑的选择会影响系统所需的传输距离和节点数量。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，具有前所未有的性能。以前只有那些高档的工业无线电通信才会集成这些技术，但是随着LoRa的推出，嵌入式无线通信的局面彻底改变了。
图10 LoRa通信参数
前向纠错编码技术是在待传输的数据序列中加入一些冗余信息，使数据传输过程中注入的误码元素在接收端得到及时纠正。这种技术减少了过去创建用于重传的“自愈”分组的需要，并且在解决由多径衰落引起的突发错误方面表现良好。一旦建立了数据包并注入了前向纠错编码以确保可靠性，这些数据包将被发送到数字扩频调制器。这个调制器将分组数据分组中的每个比特馈送到“扩展器”中，并将每个比特时间分成许多码片。
即使噪音很大，LoRa也能从容应对。LoRa调制解调器配置完成后，可分为64-4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特的最高扩频因子(12)。相对来说，ZigBee只能划分10-12码片/比特的范围。
通过使用高扩频因子，LoRa技术可以通过大范围的无线电频谱传输小容量数据。其实当你用频谱分析仪测量的时候，这些数据看起来像是噪声，但不同的是，噪声是不相关的，数据是相关的。基于此，实际上可以从噪声中提取数据。扩频因子越高，从噪声中提取的数据就越多。在功能良好的GFSK接收机中，需要可靠地解调最低8dB的SNR。通过配置AngelBlocks，LoRa可以解调信噪比为-20dB的信号。GFSK和这个结果的差别是28dB，这意味着范围和距离大大扩展了。在室外环境中，6dB的间隙可以是原来传输距离的两倍。
图11劳拉敏感性实验
图12超灵敏LoRa技术
超级链路预算让信号飞得更远。
为了有效地比较不同技术之间传输范围的性能，我们使用了一个称为“链路预算”的量化指标。链路预算包括影响接收机信号强度的每个变量，包括传输功率加上简化系统中接收机的灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收机的灵敏度为-129dBm，总链路预算为149dB。相比而言，灵敏度为-110dBm(这是非常好的数据)的GFSK无线技术需要5W功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。实际上，大多数GFSK无线技术的接收机灵敏度可以达到-103dBm。在这种情况下，发射机频率必须为46dBm或大约36W，以实现类似于LoRa的链路预算值。
图13劳拉和GFSK的灵敏度比较
因此，由于采用了LoRa技术，今天的物联网可以以较低的传输功率获得更广的传输范围和距离，这种低功率广域技术方向对于降低物联网的建设成本，实现未来的万物互联是必要的。
据了解，LoRa联盟和NB-IoT联盟正在火热抢夺物联网市场。由于各自的技术特点和应用场景不同，很难一站式满足客户需求。目前，协诚智慧已有成功案例和丰富的行业解决方案。也是CLAA(LoRa联盟)和中国NB-IoT产业联盟成员，提供一站式LoRa解决方案(兼容NB-IoT)，包括LoRa模块、NB-IoT模块+物联网基站+管理平台软件开源+数据供应等，可定制开发，市场首选。
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