LoRa和LoWAN技术综述

王浩然

1. 引言

本文的目的是给出一个LoRa和LoraWAN技术的引导性的技术概览。低功耗广域网络（LPWAN）支持预计有数亿数量级的IoT设备中的绝大多数。LoRaWAN在设计时以自底向上的方式优化了LPWAN的电池寿命、容量、范围和开销。文章给出了不同地区的LoRaWan规范的概览，并在比较高的层面比较了LPWAN领域相互竞争的几种不同技术。

2. 什么是LoRa

LoRa是物理层或无线调制，用来创建长距离通信连接。许多传统无线系统使用频移键控（FSK）调制作为物理层，因为这是获取低功耗的非常有效的方式。LoRa基于chirp调频扩频调制方式，其维持了与FSK调制相同的低功耗特性，重要的是增加了通信距离。线性调频扩频在数十年内被用在军事和航空通信领域，归功于其远距离通信能力和抗干扰的鲁棒性，LoRa是这种技术的第一个商用领域的低功耗应用。

LoRa技术的强项是远距离技术。单个基站或网关能覆盖整个城市或数百平方公里。最远距离取决于环境或给定距离内的阻碍，但LoRa和LoRaWAN的链接预算优于任何其他标准通信技术。链接预算，通常由dB给定，是决定特定环境下的通信范围的首要因素。下图是应用LoRa技术的覆盖图。在最小数量基站的前提下，整个城市被轻松覆盖。

3. LPWAN适合何处

一种技术不能服务IoT的所有应用场景。WiFi和BTLE是广受采纳的标准，其主要服务于个人设备之间的连接等相关应用。蜂窝技术更适宜用于需要高数据带宽的电源供电的设备。LPWAN提供多年电池寿命且被设计成服务于那些需要在长距离内每小时发送几十次少量数据的位于不同环境下的传感器。

LPWAN

LPWAN的关键因素

网络架构
通信距离
低功耗或电池寿命
干扰鲁棒性
网络容量（网络内允许的最大节点数）
网络加密
单路或双路通信
应用服务的多样性

4. 什么是LoRaWAN

LoRaWAN定义了在使能了LoRa物理层的远距离通信链接时网络的通信协议和系统架构。协议和网络架构对节点的电池寿命、网络容量、服务质量、加密和应用服务多样性起着决定性的影响。

网络架构
许多已经被部署的网络使用的是mesh网络架构。在一个mesh网络中，独立的终端节点可以中转其他节点的信息以扩大通信范围和网络的覆盖范围。在增加范围的同时也加大了复杂度，减小了网络容量和电池寿命，因为节点需要接收和中转其他节点的信息，但这些信息与其本身无关。远距离星型架构在使用远距离连接时最有利于延续电池寿命。

在一个LoRaWAN网络中，节点不关联特定的网关。取而代之的是节点的数据传输通常被多个网关接收到。每个网关将从终端节点收到的数据包通过许多回程（蜂窝、以太网、卫星或WiFi）中转给云网络服务器。大计算量和高复杂度运算被推送到网络服务器，其管理整个网络且过滤海量的接收包，完成加密检查，调度最佳网关完成应答，调整数据率等。如果一个节点是手持的或移动的，不需要从一个网关移交给另一个网关，这是一个至关重要的特性，其允许资产跟踪应用——IoT的一个主要应用。

电池寿命

LoRaWAN网络中的节点准备发送数据时，他们之间的通信是异步的，无论是事件驱动型还是调度型。这种类型的协议可以参考aloha方式。在一个mesh网络或一个同步网络中，例如蜂窝网，节点需要频繁唤醒自己以保持与网络的同步并检查消息。这种同步消耗很多能量且是电池寿命降低的第一驱动因素。在最近的研究和由GSMA完成的比较中，LoRaWAN是所有其他技术的电池寿命的3到5倍。

网络容量

为了使星型网络在远距离可用，网关必须有一个非常高的容量或能够从非常多的节点接收数据。LoRaWAN网络的高网络容量依靠的是使用自适应数据率和在网关上使用一个多通道多模收发器，因此在多个通道上的同步消息都能被接收到。影响有效容量的最重要因素是同时存在的通道数量，数据率，净荷长度和节点传输频次。因为LoRa是基于扩频调制，当不同扩展因子在使用时，信号彼此是正交的。当扩展因子改变时，有效数据率也改变了。网关利用这个属性以同时在相同信道接收多个不同的数据率。如果节点有一个好的连接且靠近网关，它没有必要总是使用最低数据速率且占据比其所需的频谱更高的频谱。依靠提高数据率，数据在空中传输时间被缩短了，其潜在地提升了其他节点传输数据的空间。自适应数据率也优化了节点的电池寿命。为了使自适应速率生效，需要对等向上和向下链接。这些特性允许LoRaWAN网络有一个非常高的容量且使网络更可靠。一个网络可以部署最少所需的基础设施，如果需要更多容量，可以增加网关，使得容量扩大6到8倍。其他LPWAN没有LoRaWAN的可靠性，因为技术权衡限制了向下链接容量或是向下链接距离与向上链接距离不对等。

设备类型——并不是所有节点生而平等
终端设备服务不同应用且有着不同的需求。为了优化终端应用场景，LoRaWAN利用不同的设备种类。设备种类权衡了网络向下链接通信延迟和电池寿命。在一个控制或执行类型应用中，下行通信延迟是重要的因素。

双向终端设备（Class A）：A类终端设备允许双向通信，每个终端的上行传输跟在两个短下行接收窗口后。终端设备的传输时隙调度基于它自身的通信需求和一个基于随机时间基础的小变量（ALOHA类型协议）。A类设备运行在最低功耗终端设备系统，应用只需要从服务器来的下行通信，其位于终端设备已经发送的一个上行传输之后。处在任何其他时间的从服务器来的下行通信不得不等到下一个被调度的上行传输。

有着调度接收时隙的双向终端设备（Class B）：除了A类设备的随机接收窗口，B类设备在调度时间内会打开额外的接收窗口。为了终端设备在调度时间打开它的接收窗口，它从网关收到一个时间同步广播。其允许服务器直到终端设备何时在监听。

有着最大接收时隙的双向终端设备（Class C）：C类设备有着几乎持续打开的接收窗口，其只在传输时关闭窗口。

加密

对任何LPWAN来说，合入加密都是极其重要的。LoRaWAN利用两层加密：网络层和应用层。网络层加密确保节点在网络中的认证，应用层加密确保节点网络操作不会访问终端用户的应用数据。在密钥交换时使用一个IEEE EU164鉴别器用作AES加密。

每个技术选择都有权衡，但LoRaWAN在网络架构，设备类型，加密，容量和针对移动寻址的优化可广泛适用多种IoT应用。

LoRaWAN规范在不同地区略有不同，基于不同区域允许的频段和监管需求。欧洲和北美的LoRaWAN规范已经制定了，但其他区域仍由技术委员会制定。加入LoRa联盟成为贡献者成员且参与技术委员会可以获得亚洲市场的至关重要的公司解决方案。

5. LPWAN技术选项对比

IoT领域有很多活动会比较LPWAN选项，不仅是技术比较，也有商业模型观察。LPWAN网络正在被部署，因为有很强的商业原因以支持立即部署，且在非授权信道部署的费用远远少于3G软件更新。在比较不同LPWAN技术前需要回答的问题有：

搭建一个大型多样应用的灵活性
通信协议是否加密
技术面，范围、容量、双路通信、抗干扰鲁棒性
网络部署开销，终端节点BOM开销，电池开销
灵活的商业模型所需的生态系统解决方案
终端产品的可用性以确保网络部署的ROI
生态系统的强度以确保解决方案的长效性和质量

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