從小網(wǎng)到大網(wǎng)，LoRa究竟會雄霸一方，還是一統(tǒng)天下？

       在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）大潮下，未來將會有海量設(shè)備需要連入網(wǎng)絡(luò)，據(jù)Mason的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，保守估計未來將會有27億個設(shè)備需要連入網(wǎng)絡(luò)，其中農(nóng)業(yè)、環(huán)保占據(jù)市場份額的25%，消費電子占據(jù)21%，智能樓宇占18%。

圖1 未來聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

       那么，未來的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是否還會是Wi-Fi+Traditional Cellular（傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，例如GSM、3G、4G等）結(jié)構(gòu)呢？答案是否定的。

       就現(xiàn)在的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來看，不論是Wi-Fi、藍牙等局域網(wǎng)絡(luò)，還是3G/4G等廣域網(wǎng)絡(luò)，遠距離和低功耗似乎都只能是二選一的選擇題，這顯然無法滿足未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。也因此，才有了近些年針對物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用提出的一個概念——低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）。

       目前國內(nèi)最火的LPWAN有兩種，即LoRa和NB-IoT。其中，NB-IoT作為華為主推的針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)政策和眾廠商的聯(lián)合推動下，已于今年推出相關(guān)芯片方案和設(shè)計方案。而相對于NB-IoT的火力全開，年長幾歲的LoRa則更顯得老練成熟，有條不紊。

工作模式

       LoRa（Long Range）技術(shù)簡單來講是一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案，該技術(shù)是在FSK技術(shù)基礎(chǔ)上演變而來的。

       FSK（Frequency shiftkeying）是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，該方式用兩個頻率承載二進制的0和1，0的時候傳一個頻率，1的時候傳另一個頻率，即雙頻FSK系統(tǒng)。

       LoRa采用掃頻方式，0的時候從高頻掃到低頻，1的時候從低頻掃到高頻，其中一個小頻段受到干擾后，也可以通過掃頻看到整個信號的頻率趨勢，從而大大提高了整個信號的靈敏度。如圖2所示，圖中黑色曲線表示信號，紅色曲線表示噪聲，LoRa通過掃頻方式可以將信號離解出來，即使信號低于噪聲的時候也可以接收到。

圖2 LoRa可以將信號從噪聲中離解出來

LoRa網(wǎng)絡(luò)

       物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要分為三個層面，即應(yīng)用層、協(xié)議層和物理層。其中，LoRa網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層為LoRaWAN^TM，該協(xié)議是開源的，由LoRa聯(lián)盟（LoRa Alliance^TM）制定并推出。在中國，也有中興在做LoRaWAN的協(xié)議改良，使其適合中國市場應(yīng)用。

       LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點、基站/網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器四部分組成。其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器都在云端，中間的基站/網(wǎng)關(guān)并沒有網(wǎng)絡(luò)控制功能，只是將收集到的數(shù)據(jù)傳送到云端，因而，整個系統(tǒng)的硬件部分很簡單，絕大部分技術(shù)在云端的網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用管理中。另外，LoRa網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

圖3 LoRa網(wǎng)絡(luò)

       網(wǎng)絡(luò)傳輸中，保密也是必須考慮的一點。LoRaWAN^TM采用的是IBM提供的安全技術(shù)，協(xié)議中會有register，將傳輸數(shù)據(jù)寫入后，經(jīng)過節(jié)點一端的偏碼傳輸出去，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端和應(yīng)用服務(wù)器端可以分別將各自相對應(yīng)的信息解碼。如圖3所示，其中藍色箭頭線為從端到端的保密協(xié)議，紅色箭頭線為數(shù)據(jù)和控制的保密協(xié)議，另外，在應(yīng)用設(shè)備中也有保密協(xié)議。

技術(shù)特性

傳輸距離

       LoRa的傳輸距離主要受到環(huán)境因素的影響。在地面上，可以傳輸15~30英里；而在天空中（例如有人將其用于地軌衛(wèi)星和測天氣的氣球中），甚至可以傳輸上百英里。之所以傳輸距離有如此大的差別，是因為其會受到環(huán)境影響，即與天線所處的位置有關(guān)，擺放太低會受到地球及地面建筑的遮擋。

       在2013年推出LoRa產(chǎn)品初期，Semtech采用1301的基站和1272的節(jié)點（基站和節(jié)點介紹見后文）在曼哈頓測試了其在市內(nèi)的傳輸距離，如圖4所示圖左側(cè)紅色標志點是基站，右側(cè)紅色標志點是節(jié)點，在大樓林立的街道上，其測試得到的傳輸距離為2.8英里。

圖4 傳輸距離驗證試驗

       另外，Semtech還就FSK和LoRa相關(guān)傳輸能力進行了實驗對比，如圖5所示。其中，傳輸?shù)紸、B兩點采用的是FSK網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)紺、D兩點采用的是LoRa網(wǎng)絡(luò)。由表中數(shù)據(jù)可知，就傳輸距離來講，LoRa遠遠高于FSK；但是另一方面，就傳輸帶寬大小和數(shù)據(jù)量來看，LoRa不如FSK有優(yōu)勢。即LoRa是犧牲了頻率來換取傳輸數(shù)據(jù)的距離。

圖5 FSK與LoRa相關(guān)性能對比實驗

       就物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來看，一般情況并不會有太大的數(shù)據(jù)傳輸量，300bps已經(jīng)是一個較大的數(shù)據(jù)量，相對而言對傳輸距離會有更高的要求。因而，在未來的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，LoRa會有更好的應(yīng)用前景。

穿透能力及低功耗

       LoRa在室內(nèi)傳輸中，靈敏度也很高，穿透能力很強。例如，國外的水表都是埋在地下的，因而需要很強的穿透能力。LoRa可以很好地解決這一難題。如今，LoRa在電表行業(yè)已經(jīng)很成熟，已經(jīng)成為水表、電表，甚至當下智能電表行業(yè)的一個標準。

在低功耗方面，LoRa應(yīng)用中的電池壽命超過十年，基本上可以滿足設(shè)備使用需求，不需要更換電池。

擴容能力

速率自適應(yīng)（Adaptive DateRate, ADR）是調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率來保證可靠數(shù)據(jù)傳輸、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、擴充網(wǎng)絡(luò)容量的一種技術(shù)。當節(jié)點靠近網(wǎng)關(guān)時，數(shù)據(jù)傳輸速率可以更快、發(fā)射功率也更低。

LoRa的系統(tǒng)架構(gòu)有速率自適應(yīng)能力，因而容易擴容。例如，用戶搭建一個基站，之后發(fā)現(xiàn)該基站的容量不夠用的話，可以通過在附近搭建另外一個基站來進行擴容，其中，中間節(jié)點會自動調(diào)節(jié)，靠近新基站的節(jié)點會自動連接到新的基站，因而很容易實現(xiàn)容量上的擴充和速率優(yōu)化。

低成本

       LoRa包括基站在內(nèi)的硬件結(jié)構(gòu)很簡單；使用非授權(quán)頻段（即免費頻段），鋪網(wǎng)成本低，不需要給月費；很多軟件是公開的，可以免費下載，從組網(wǎng)到應(yīng)用上的成本都很低。

產(chǎn)品布局

       作為一家為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供LoRa器件和無線射頻技術(shù)等遠距離、低功耗解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，Semtech主要的LoRa產(chǎn)品分為兩大系列，分別針對節(jié)點/傳感器和基站端。

圖6 Semtech針對LoRa的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

       節(jié)點一端針對不同市場應(yīng)用，主要分為三類產(chǎn)品，包括針對全球應(yīng)用的1276芯片，針對中國經(jīng)過專門調(diào)整的1278芯片，以及針對美國和歐洲應(yīng)用的1272芯片。

       基站一端包括針對企業(yè)級的1301芯片，該芯片工作溫度范圍為-40~85℃，主要應(yīng)用于室外大基站，另外也有針對小基站應(yīng)用的1308，主要針對室內(nèi)應(yīng)用。

       另外，1255芯片和1257芯片是給傳輸設(shè)備應(yīng)用的，用于發(fā)送和接收信號的射頻功率放大器（radio frequency power amplifier，RFPA）。

       其中，主要的LoRa調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)控制都是在1301和1308中實現(xiàn)。

       Semtech還針對專業(yè)的、穩(wěn)定性強很多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器推出了LoRaWAN-enabled參考設(shè)計，針對小基站則有picocell gateway的參考設(shè)計。

四大應(yīng)用領(lǐng)域

       在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，除去電表領(lǐng)域，Semtech的LoRa產(chǎn)品主要針對四大應(yīng)用市場。分別是智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智慧城市和智慧大樓。

圖7 LoRa物聯(lián)網(wǎng)四大應(yīng)用領(lǐng)域

       以智能農(nóng)業(yè)為例，首先是畜牧業(yè)管理，在牛場中，每五頭牛中有一頭會發(fā)病，最早是靠有經(jīng)驗的牛仔肉眼識別出來病牛，而現(xiàn)在可以用無人機進行搜索檢查，但是效率仍然有點低。通過采用LoRa技術(shù)，將包含LoRa技術(shù)的標簽擺在牛的耳朵里來實時測量每頭牛的體溫，從而實時確認每頭牛的健康狀況。

       其次，農(nóng)業(yè)灌溉也會用到LoRa網(wǎng)絡(luò)，例如在以色列等沙漠地帶，在沙下種植作物就需要有無線傳感器放置在地下測量灌溉水量是否合適，由于LoRa有很好的穿透性，因而也可以應(yīng)用于此。

       Semtech無線和傳感產(chǎn)品事業(yè)部市場營銷副總裁黃旭東先生表示，這一市場可能不是最大的，但是對人類的貢獻應(yīng)該是最大的。另外，黃旭東先生也表示，未來更看好物流管理領(lǐng)域的應(yīng)用。

LoRa聯(lián)盟及布網(wǎng)情況

       Semtech是LoRa聯(lián)盟的主要發(fā)起者之一，該聯(lián)盟主要制定和推廣LoRa相關(guān)的協(xié)議標準，現(xiàn)在已經(jīng)有500多家會員，絕大部分是做應(yīng)用的。

       基于LoRaWAN規(guī)范的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在超過60個國家和地區(qū)部署，目前有50家運營商在進行布網(wǎng)，100多家在做新的試點運營工作。其中，美國Comcast公司去年在3個城市鋪設(shè)了LoRa網(wǎng)絡(luò)，兩個月前決定再在12個城市鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)；法國電信Orange已經(jīng)實現(xiàn)在法國全部覆蓋LoRa網(wǎng)絡(luò)；印度的TATA公司在30多個城市實現(xiàn)了LoRa網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；韓國公司SK布網(wǎng)最快，在去年用4個月實現(xiàn)了整個國家覆蓋LoRa網(wǎng)絡(luò)。

       在國內(nèi)，Semtech主要與中興有合作。就LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況來看，在北上廣深都有LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其中，北京6環(huán)以內(nèi)已經(jīng)全部覆蓋。在二線城市例如南京、蘇州、杭州等也都有LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋。另外，據(jù)黃旭東先生介紹，阿里巴巴在幾個月前也加入了LoRa聯(lián)盟。

       黃旭東先生表示，通過Semtech針對LoRa網(wǎng)絡(luò)的Picocell參考設(shè)計，個人鋪設(shè)的小網(wǎng)可以連接到LoRa的大網(wǎng)中，Semtech最終的理想是使大家通過同一個協(xié)議或平臺，將各個小網(wǎng)最終連接成一個大網(wǎng)。