Lora验证及探索

LoRa技术是低功耗广域网领域中一种热门技术，北京研究院基于新址的便利环境，对几种典型场景进行了测试验证，为实施物联网相关试点及部署提供参考。

针对物联网不同的应用场景，我们利用北京研究院周边的真实环境，有针对性的设计了三组测试场景进行了验证。

此类环境相互通信的双方中间没有阻挡，或基本可视。主要针对平原、河流、湖泊，或者能通过选取高点实现大范围可视通信的山丘等场景。

地点在北京研究院未来科技城及周边道路，天线发射功率20dBm，天线增益25dBi。室内端在办公楼15层会议室固定，高度约50米，室外移动端随车移动，高度约15米，在各测试点处验证。

实测最远有效传输距离84km。
通过调整天线角度等，在测试点1，测试点2都能做到通信数据的正常收、发。在测试点3处，基本收不到消息，无法正常通信。从实测数据看，在无遮挡或遮挡较少的情况下，LoRa至少能满足8公里以内的覆盖需求。

此类环境内大多有多个楼宇，对通信信号有一定的遮挡，一般情况下通信节点相互不可视。比如大型企业或居民小区内部各类控制设备和传感器等的场景。

测试地点在北京研究院东侧鲁疃嘉园小区，天线发射功率20dBm，天线增益25dBi。其中一个节点位置固定，另一个节点在不同测试点处进行验证。

对于区域间通信的环境，在实测小区范围内，即使是在有明显视距遮挡的情况下，节点之间的通信成功率仍然较高，仅当距离较远时，通信效果会受一定影响（如测试点2）。在实际部署中建议通过合理规划节点位置，实现更大范围的小区覆盖。

此类环境多为同一楼宇内部，主要需要考虑的是跨楼层通信的能力。主要的应用场景比如家庭水、电、燃气、热力等的抄表和统计，写字楼等楼宇内部烟感报警等应用场景。

测试地点在北京研究院办公楼，天线发射功率20dBm，天线增益25dBi。其中一个节点在15层前台位置，另一个节点在各楼层测试点处验证。每层测试点取三个位置，分别为靠电梯附近、靠窗户附近、中间内部房间或走廊。
各楼层主体结构细节上有少量的差异，但总体相似，参考平面图以及三个不同测试点在各楼层大致的位置如下：

下图是实测过程中拍摄的楼内几个测试样点的实测。

从结果可以看出，节点之间穿透四层楼后仍可保证100%正常通信，而对于电梯井，或楼道间等有通道的环境中，通信能覆盖的楼层会更多。而对于阻挡较严重的房间或走廊等环境，通信覆盖能力影响较大。

相比较传统的WiFi、宽带技术，LoRa技术的优势在于其成本较低、传输距离远，而且功耗也相对传统移动网络要低。
但同时测试过程中我们也发现，由于LoRa协议工作在非管制频段，所以，当两个节点在通信过程中，若受到周边其他同频节点干扰，将严重影响通信质量，甚至无法正常通信。

LoRa和NB-IoT同样都属于LPWAN（低功率广域网络），是对目前网络通信的补充，主要用于物联网领域，例如“共享单车”“智慧农业”等领域。他们共同的特点是“覆盖范围广”、“低功耗，待机时间长”、“布置成本低”，技术本身是没有“优劣之分”的，主要是应用的区别。NB-IoT利用的是运营商专有频谱，是需要给运营商定期交钱的，LoRa需要自己进行网络建设，但是建成之后不需要再交钱，所以2017年开始国内3家运营商都开始建设NB-IoT网络，当时工信部的发文是要“到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖”，本来以为NB-IoT网络会在国内大获全胜，可是现在已经2019年底了，3家运营商对NB-IoT网络的建设都已经减缓。因为NB-IoT的基站不像手机基站那样只要有人的地方就要覆盖的，一般是在有需要的地方才覆盖，运营商也要算投入产出比，所以目前实施的NB-IoT项目很多都发现网络覆盖不够好，还有很多的项目运营商会转用2G网络去代替NB-IoT。对于很多需要LPWAN的应用，如智慧农业、智慧电网等覆盖范围非常广、传输点位不多的项目，运营商是不会去专门建基站的，这种情况就非常适合用户自己利用LoRa去建设物联网络。个人认为LoRa会比较适合物理网应用，但是NB-IoT和LoRa会在非常长的时间里边共存，直到下一次的技术革新。

1LoRa是一种线性调频扩频调制技术，它的全称为远距离无线电，因其传输距离远、低功耗、组网灵活等诸多优势特性都和物联网碎片化、低成本、大连接的需求不谋而合，故而被广泛应用于物联网各个垂直行业中。

2 LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，其实也是是诸多LPWAN通信技术中的一种，最早由美国Semtech公司采用和推广。

3这一方案为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。

4目前，LoRa主要在ISM频段运行，主要包括43 86 2400MHz等。

2009年9月17日，一家法国公司Cycleo向人们展示了一种创新的半导体技术-LoRa，给无线数据传输带来了前所未有的距离。基于这种颠覆性的专利技术，LoRa以最低的成本实现了前所未有的低功率远程无线通信。10mW RF输出功率可提供超过25km视线距离。LoRa技术作为一个低功耗数字IP，不到50K门，可以运行在纽扣或AA电池上。

2012年3月，Semtech公司收购了无线长距离IP服务商Cycleo。Cycelo技术并入到了Semtech RF平台。

2015年2月，LoRa联盟成立于巴塞罗那移动世界大会。 LoRaMAC被重新命名为“LoRaWAN”，成为LoRa联盟成员的规范。LoRa调制解调：LoRa (Long Range，远距离)是一种调制技术，与同类技术相比，提供更长的通信距离。调制是基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）。LoRa显著地提高了接受灵敏度，与其他扩频技术一样，使用了整个信道带宽广播一个信号，从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。LoRa可以调制信号195dB低于底噪声，而大多数频移键控（FSK）在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。LoRa调制是物理层（PHY），可为不同协议和不同网络架构所用-Mesh、Star、点对点等等

LoRaWAN：LoRa调制解调是PHY，LoRaWAN是MAC协议，用于大容量远距离低功耗的星型网络，LoRa联盟正在对低功耗广域网（LPWAN）进行标准化。LoRaWAN协议针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化，包括了不同级别的终端节点以优化网络延迟和电池寿命间的平衡关系。它是完全双向的，由安全专家构建确保了可靠性和安全性。LoRaWAN架构还可轻松定位移动目标用于资产跟踪，这是物联网增长量最快的应用。主要的电信运营商正在将LoRaWAN部署为全国网络，LoRa联盟正在标准化LoRaWAN以确保不同的国家网络是可以互 *** 作的。

LoRaWAN 是一种低功耗广域网络（LPWAN）规范，面向在地区、国家或全球网络中电池供电的无线设备。LoRaWAN 针对物联网的关键要求，如安全的双向通讯、移动化和本地化服务。LoRaWAN规范提供智能设备间无缝的互 *** 作性，不需要复杂的本地安装，给用户、开发者、企业以自由，使其在物联网中发挥作用。

LoRaWAN网络结构通常部署成一个星型拓扑结构，其中网关是一个透明桥接，在终端设备和后台中央网络服务器之间中继消息。网关通过标准IP连接连接到网络服务器，而终端设备使用单跳无线通信到一个或多个网关。所有终端节点通信一般都是双向的，但还支持如组播 *** 作实现软件空中升级（OTA）或其他大量信息分发以减少空中通信时间。

终端设备和网关之间的通信在不同频道和数据速率上传播。数据速率的选择需要在通信距离和消息持续时间上做一个权衡。由于扩频技术，不同数据速率的通信不会相互干扰，并创建一组“虚拟”通道以增加网关容量。LoRaWAN的数据速率范围从03kbps到50kbps。为最大限度地提高终端设备的电池寿命和整体网络容量，LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率（ADR）的方案单独管理每个终端设备的数据速率和RF输出。
针对物联网的全国范围网络，如重要的基础设施、保密的个人数据或社会对安全通信有特殊需求的社会重要功能。这已通过几层的加密解决了。

唯一网络密钥（EU164），确保网络层安全

唯一应用密钥（EU164），确保应用层端到端的安全

设备专用密钥（EUI128）

LoRaWAN有几种不同类型的终端设备以解决广泛应用中的不同需求：

双向通讯终端设备（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着两个短的下行链路接受窗口。传输时隙由终端设备基于其自身的通讯需求安排，根据随机时基有一个小的变化（ALOHA类型协议）。在终端设备发送一个上行链路传输后，对仅简短地要求服务器的下行链路通讯的应用来说，这种A类 *** 作是功耗最低的终端设备系统。在其他任何时间来自服务器的下行链路通讯必须等到下一个调度的上行链路通讯。

具备调度接受时隙的双向通讯终端设备（B类）：除A类随机的接受窗口外，B类设备还在预定时间打开接受窗口。为使终端设备在预定时间打开接受窗口，它接受网关的一个时间同步信标。这使得服务器知道终端设备什么时候在侦听。

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

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

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