你觉得LoRa究竟是个什么

当有人问我“什么是LoRa”时，如果不知道他们问这个问题的原因，我很难知道该如何回答。这是因为LoRa可能指不止一件事：

技术上是一种无线电调制方案——一种使用Chirp的多符号格式来调制无线电信号的方法；

LoRa也指支持调制的系统，包括LoRa芯片和网关；

有时是指物联网应用中的LoRa通信网络。

从本质上讲，LoRa芯片造价低廉，但却拥有很高的接收灵敏度和低误码率（BER）。这意味着在低速应用场景中，使用LoRa可以获得比使用其它同等价格的无线电技术更远的传输距离。

LoRaWAN

LoRaWAN是一个建立在LoRa之上的媒体访问控制（MAC）层协议，使用Semtech的LoRa调制方案构建（LoRa只是一个物理层协议）。然而，LoRaWAN很少用于工业（私有网络）应用场景，它更适合公共广域网，因为所有信道都调制到相同频率；对于私有网络，为了避免冲突，最好只有一个网络在运行。

上图是LoRaWAN的网络架构图，网络中的所有网关都绑定到同一个服务器，服务器决定哪个网关应该响应传输。在一个大型网络中，任何给定的传输通常都被多个接收器检测到;然后服务器通知一个网关响应，其它网关忽略传输。这个过程有助于避免上下行的冲突，因为只有一个网关在传输，而重叠的网关可以简单地侦听其它传输。

许多人没有意识到的是，有一种方法可以在不使用LoRaWAN的情况下使用LoRaWAN的底层技术（也就是LoRa）。例如，Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一个专有的MAC层，使其更适合需要将物联网设备安全地连接到云上的企业和工业客户。除此之外，还有很多公司在其它协议中使用LoRa芯片。

从技术层面回答“什么是LoRa”

从技术角度讲，LoRa是一种独特的调制方式。

Semtech射频部件（SX1272、SX1276/7/8收发芯片）集成了LoRa调制技术（该技术为私有调制技术，目前技术细节尚未公开），该技术被称为调频（FM）Chirp。LoRa的核心技术是使用分数锁相环（PLL）产生稳定的Chirp信号。其它调制格式包括频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等。有一点很重要：LoRa本身并没有描述物理（RF介质）层之上的系统功能。

首先看一下Chirp信号（这个词来源于同名鸟类的叫声的信号特点，对于信号处理来讲也可称作扫频）。Chirp的特点是信号的频率以一定的规律变化，而FSK的信号只会在两个频点切换。下图是线性Chirp信号时域图。

LoRa物联网协议

Semtech在2012年以500万美元收购了法国Cycleo SAS，从而获得了LoRa无线技术。

调制解调器在处理LoRa消息时能够对Chirp信号进行滤波，因此获得额外的处理增益，提高接收灵敏度。为了“锁定”LoRa信号，需要传输一个长时间的“恒定Chirp”前导信号（见Figure 1）。这就是Lora的独特之处——使用廉价的芯片和晶体可以获得非常高的接收灵敏度。

这个前导信号可以设置为一个可变数量的“符号”，也就是Chirp的数量。可以想象，不同LoRa发射器的前导信号之间没有任何选择性，但是LoRa解调器可以监听到在适当的频率和Chirp变化速率下的恒定Chirp信号（不管它是否来自预定的系统）。一个LoRa接收系统在面对常规的功率干扰和LoRa干扰时的抗干扰性能是非常重要的，这也是Symphony Link的关键技术。

一旦LoRa调制解调器“锁定”到前导信号，前导信号的结束由图1中所示的“反向Chirp”发出。然后开始数据传输，它有一系列的“符号”，这些符号的功能很像M-ARY FSK符号，但发生在Chirp上，见Figure 2。

LoRa的另一个强大功能是能够解调几个“正交”或同时发出的同频信号，只要它们有不同的Chirp变化速率。在数据手册中，LoRa Chirp变化速率被称为扩频因子（Spread Factor），扩频因子越高，Chirp变化越慢。Semtech的SX1301芯片支持这项功能，有能力同时解码许多同时发出的LoRa Chirp，这项功能使得创建大型网络成为可能。

建立这样一个LoRa网络或系统需要大量的开发。从LoRa到一个无线系统，就好比从一个BPSK无线芯片到一个WiFi网络。大型网络的OSI第2层及以上功能包括网关、中继器、寻址、自适应数据速率、消息重试、消息确认和大容量OFDM下行信号，这些功能是LoRaWAN和Symphony Link等系统的功能。

LoRa联盟

LoRa联盟创立于2015年，旨在LoRa MAC功能标准化。LoRa联盟开发了LoRaWAN协议，方便移动网络运营商使用未授权频谱与网络中的物联网设备通信。

下面列出了关于LoRaWAN的一些细节：

LoRaWAN是一个多访问协议的服务器端实现，旨在减少大量端点的冲突。它需要一个服务器应用程序在网络连接上运行MAC功能；

LoRaWAN网络架构通常采用星型拓扑结构，其中网关是在终端设备和后端中央网络服务器之间中继消息的透明桥；

客户逻辑构建到网络服务器中；

它主要是为具有多个端点的仅上行应用程序设计的，或者只需要少量下行消息的应用程序（受应用程序或端点数量的限制）；

同一网络中的网关需要同步；

终端设备和网关之间的通信分布在不同的频率和数据速率上。传输距离和数据速率之间需要权衡（也就是说，传输距离越远，数据速率越低）；

不同的数据速率互不干扰，并创建一组“虚拟”通道来增加网关的容量；

LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率（ADR）方案管理每个终端设备的数据速率和RF输出，该方案通常每24小时更新一次；

多层安全/加密（网络级和应用级的EUI64和设备特定的EUI128密钥）；

AES CCM（128位）用于加密和身份验证；

工作范围在发射时间占空比ETSI 1%和10%的范围内，工作在868波段；

根据草案，B类向下链路节点可以每1秒到128秒轮询一次信标（现在使用IBM的LMiC提供的工程原型），信标周期为128秒（2^n），其中n为0到7；

天线分集，因为所有网关都监听相同的上行信道。

LoRa连接应用

一些公司正以有趣的方式使用全部LoRa/LoRaWAN技术。中国自行车共享公司OfO曾为其自行车配备LoRa设备和无线射频技术，以确定自行车的位置，在中国180多个城市运营。

LoRa网络利用率的另一个例子来自加州圣罗莎市的PNI传感器公司。PNI使用基于LoRaWAN的无线连接来提供实时的城市停车数据，使司机更容易找到可用的停车位来进行街内外的公共和私人停车管理。其最终目标是减少交通拥堵和碳排放，这些都是由于司机为了找到停车位而反复折返造成的。

许多行业正在利用开放的LoRaWAN物联网设备标准，包括农业（用于灌溉/水位监测和虫害控制）、公用事业（用于智能电表、照明和能源管理场景）和建筑施工（用于建筑门窗传感器和建筑结构健康应用）。

也有很多公司做的是不基于LoRaWAN的LoRa网络。

用LoRa部署物联网设备

如果你想建立在运营商拥有和运营的公共网络上，LoRaWAN是一个很好的协议选择。在这个领域有很多硬件和网络服务器提供服务，所以有很多选择——这是一个很大的优势。但是围绕LoRaWAN开发和部署一个系统的过程相当复杂，如果你在射频协议或无线系统和规划方面没有太多的专业知识或经验，这将是一个挑战。你还需要考虑部署LoRaWAN网络是否能够满足需求。在某些情况下，使用自定义协议可能更好，你所要做的就是将数据发送到已经编写好的节点，以便连接到云。

责任编辑：ct