物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术，优缺点非常明显，可如下图总结。在低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）产生之前，似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后，设计人员可做到两者都兼顾，最大程度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

图1 LPWAN技术对比和LoRa技术的定位

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。

图2 LoRa技术特点

下图以美国情况为例，从灵敏度、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电池使用寿命、定位、抗干扰性、拓扑结构等参数上比较了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的区别。

图3 LoRa与其他无线通信技术的比较

LoRa网络构成

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

图4 LoRa网络体系结构

LoRa联盟

LoRa联盟（LoRa Alliance）是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信kpn等企业。不到一年时间，联盟已经发展成员公司150余家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。产业链（终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商）中的每一环均有大量的企业，这种技术的开放性，竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

图5 LoRa联盟

网络部署

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa Alliance 2017年公布的数据，已经有30多个国家开始建网，150多个城市开始进行试点。中国AUGTEK在京杭大运河完成284个基站的建设，覆盖1300Km流域；美国网络运营商Senet于2015年中在北美完成了50个基站的建设、覆盖15,000 平方英里（约38850平方千米），预计在第一阶段完成超过200个基站架设；美国最大的有线电视公司Comcast宣布采用LoRa技术，首先将在费城和旧金山地区完成网络部署，并提供计量相关（抄表等）、环境监测相关（温湿度、污染、噪声监测等）和追踪定位相关等服务。法国电信Orange宣布在2016年初在法国建网；荷兰皇家电信kpn宣布将在新西兰建网，在2016年前达到50%覆盖率；印度Tata宣布将在Mumbai和 Delhi建网；Telstra宣布将在墨尔本试点……

图6 LoRa全球网络部署

LoRaWAN协议

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求，如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置，就可以让智能设备间实现无缝对接互操作，给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。

终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的，数据速率的选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信不会互相干扰，且还会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为0.3 kbps至37.5 kbps，为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量，LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应（Adaptive Data Rate , ADR）方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。 全国性覆盖的广域网络瞄准的是诸如关键性基础设施建设、机密的个人数据传输或社会公共服务等物联网应用。 关于安全通信，LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决：一、独特的网络密钥（EU164），保证网络层安全；二、独特的应用密钥（EU164），保证应用层终端到终端之间的安全；三、属于设备的特别密钥（EUI128）。 LoRaWAN网络根据实际应用的不同，把终端设备划分成A/B/C三类：

Class A：双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信，每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求，其微调是基于一个随机的时间基准（ALOHA协议）。Class  A所属的终端设备在应用时功耗最低，终端发送一个上行传输信号后，服务器能很迅速地进行下行通信，任何时候，服务器的下行通信都只能在上行通信之后。

图7 A类型LoRa终端协议

Class B：具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

图8 B类型LoRa终端协议

Class C：具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口，只在传输时关闭。

图9 C类型LoRa终端协议

LoRa技术要点

一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命；工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标；而在FSK系统中，网络拓扑结构的选择将影响传输距离和系统需要的节点数目。 LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

图10 LoRa通信参数

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。

即使噪声很大，LoRa也能从容应对LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子（12）。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

图11 LoRa灵敏度实验

图12 超强灵敏的LoRa技术

超强的链路预算，让信号飞的更远

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm（这已是极其好的数据）的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。

图13 LoRa与GFSK的灵敏度对比图

因此，由于采用了LoRa技术，今天的物联网才能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，而这种低功耗广域技术方向正是未来降低物联网建设成本，实现万物互联所必需的。