當(dāng)有人問我“什么是LoRa”時，如果不知道他們問這個問題的原因，我很難知道該如何回答。這是因為LoRa可能指不止一件事：

技術(shù)上是一種無線電調(diào)制方案——一種使用Chirp的多符號格式來調(diào)制無線電信號的方法；

LoRa也指支持調(diào)制的系統(tǒng)，包括LoRa芯片和網(wǎng)關(guān)；

有時是指物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)。

從本質(zhì)上講，LoRa芯片造價低廉，但卻擁有很高的接收靈敏度和低誤碼率（BER）。這意味著在低速應(yīng)用場景中，使用LoRa可以獲得比使用其它同等價格的無線電技術(shù)更遠的傳輸距離。

LoRaWAN

LoRaWAN是一個建立在LoRa之上的媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議，使用Semtech的LoRa調(diào)制方案構(gòu)建（LoRa只是一個物理層協(xié)議）。然而，LoRaWAN很少用于工業(yè)（私有網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用場景，它更適合公共廣域網(wǎng)，因為所有信道都調(diào)制到相同頻率；對于私有網(wǎng)絡(luò)，為了避免沖突，最好只有一個網(wǎng)絡(luò)在運行。

上圖是LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)關(guān)都綁定到同一個服務(wù)器，服務(wù)器決定哪個網(wǎng)關(guān)應(yīng)該響應(yīng)傳輸。在一個大型網(wǎng)絡(luò)中，任何給定的傳輸通常都被多個接收器檢測到;然后服務(wù)器通知一個網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，其它網(wǎng)關(guān)忽略傳輸。這個過程有助于避免上下行的沖突，因為只有一個網(wǎng)關(guān)在傳輸，而重疊的網(wǎng)關(guān)可以簡單地偵聽其它傳輸。

許多人沒有意識到的是，有一種方法可以在不使用LoRaWAN的情況下使用LoRaWAN的底層技術(shù)（也就是LoRa）。例如，Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一個專有的MAC層，使其更適合需要將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全地連接到云上的企業(yè)和工業(yè)客戶。除此之外，還有很多公司在其它協(xié)議中使用LoRa芯片。

從技術(shù)層面回答“什么是LoRa”

從技術(shù)角度講，LoRa是一種獨特的調(diào)制方式。

Semtech射頻部件（SX1272、SX1276/7/8收發(fā)芯片）集成了LoRa調(diào)制技術(shù)（該技術(shù)為私有調(diào)制技術(shù)，目前技術(shù)細節(jié)尚未公開），該技術(shù)被稱為調(diào)頻（FM）Chirp。LoRa的核心技術(shù)是使用分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生穩(wěn)定的Chirp信號。其它調(diào)制格式包括頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等。有一點很重要：LoRa本身并沒有描述物理（RF介質(zhì)）層之上的系統(tǒng)功能。

首先看一下Chirp信號（這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點，對于信號處理來講也可稱作掃頻）。Chirp的特點是信號的頻率以一定的規(guī)律變化，而FSK的信號只會在兩個頻點切換。下圖是線性Chirp信號時域圖。

LoRa物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

Semtech在2012年以500萬美元收購了法國Cycleo SAS，從而獲得了LoRa無線技術(shù)。

調(diào)制解調(diào)器在處理LoRa消息時能夠?qū)hirp信號進行濾波，因此獲得額外的處理增益，提高接收靈敏度。為了“鎖定”LoRa信號，需要傳輸一個長時間的“恒定Chirp”前導(dǎo)信號（見Figure 1）。這就是Lora的獨特之處——使用廉價的芯片和晶體可以獲得非常高的接收靈敏度。

這個前導(dǎo)信號可以設(shè)置為一個可變數(shù)量的“符號”，也就是Chirp的數(shù)量?？梢韵胂?，不同LoRa發(fā)射器的前導(dǎo)信號之間沒有任何選擇性，但是LoRa解調(diào)器可以監(jiān)聽到在適當(dāng)?shù)念l率和Chirp變化速率下的恒定Chirp信號（不管它是否來自預(yù)定的系統(tǒng)）。一個LoRa接收系統(tǒng)在面對常規(guī)的功率干擾和LoRa干擾時的抗干擾性能是非常重要的，這也是Symphony Link的關(guān)鍵技術(shù)。

一旦LoRa調(diào)制解調(diào)器“鎖定”到前導(dǎo)信號，前導(dǎo)信號的結(jié)束由圖1中所示的“反向Chirp”發(fā)出。然后開始數(shù)據(jù)傳輸，它有一系列的“符號”，這些符號的功能很像M-ARY FSK符號，但發(fā)生在Chirp上，見Figure 2。

LoRa的另一個強大功能是能夠解調(diào)幾個“正交”或同時發(fā)出的同頻信號，只要它們有不同的Chirp變化速率。在數(shù)據(jù)手冊中，LoRa Chirp變化速率被稱為擴頻因子（Spread Factor），擴頻因子越高，Chirp變化越慢。Semtech的SX1301芯片支持這項功能，有能力同時解碼許多同時發(fā)出的LoRa Chirp，這項功能使得創(chuàng)建大型網(wǎng)絡(luò)成為可能。

建立這樣一個LoRa網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)需要大量的開發(fā)。從LoRa到一個無線系統(tǒng)，就好比從一個BPSK無線芯片到一個WiFi網(wǎng)絡(luò)。大型網(wǎng)絡(luò)的OSI第2層及以上功能包括網(wǎng)關(guān)、中繼器、尋址、自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率、消息重試、消息確認和大容量OFDM下行信號，這些功能是LoRaWAN和Symphony Link等系統(tǒng)的功能。

LoRa聯(lián)盟

LoRa聯(lián)盟創(chuàng)立于2015年，旨在LoRa MAC功能標(biāo)準(zhǔn)化。LoRa聯(lián)盟開發(fā)了LoRaWAN協(xié)議，方便移動網(wǎng)絡(luò)運營商使用未授權(quán)頻譜與網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。

下面列出了關(guān)于LoRaWAN的一些細節(jié)：

LoRaWAN是一個多訪問協(xié)議的服務(wù)器端實現(xiàn)，旨在減少大量端點的沖突。它需要一個服務(wù)器應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)連接上運行MAC功能；

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)是在終端設(shè)備和后端中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間中繼消息的透明橋；

客戶邏輯構(gòu)建到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中；

它主要是為具有多個端點的僅上行應(yīng)用程序設(shè)計的，或者只需要少量下行消息的應(yīng)用程序（受應(yīng)用程序或端點數(shù)量的限制）；

同一網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)需要同步；

終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的通信分布在不同的頻率和數(shù)據(jù)速率上。傳輸距離和數(shù)據(jù)速率之間需要權(quán)衡（也就是說，傳輸距離越遠，數(shù)據(jù)速率越低）；

不同的數(shù)據(jù)速率互不干擾，并創(chuàng)建一組“虛擬”通道來增加網(wǎng)關(guān)的容量；

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）方案管理每個終端設(shè)備的數(shù)據(jù)速率和RF輸出，該方案通常每24小時更新一次；

多層安全/加密（網(wǎng)絡(luò)級和應(yīng)用級的EUI64和設(shè)備特定的EUI128密鑰）；

AES CCM（128位）用于加密和身份驗證；

工作范圍在發(fā)射時間占空比ETSI 1%和10%的范圍內(nèi)，工作在868波段；

根據(jù)草案，B類向下鏈路節(jié)點可以每1秒到128秒輪詢一次信標(biāo)（現(xiàn)在使用IBM的LMiC提供的工程原型），信標(biāo)周期為128秒（2^n），其中n為0到7；

天線分集，因為所有網(wǎng)關(guān)都監(jiān)聽相同的上行信道。

LoRa連接應(yīng)用

一些公司正以有趣的方式使用全部LoRa/LoRaWAN技術(shù)。中國自行車共享公司OfO曾為其自行車配備LoRa設(shè)備和無線射頻技術(shù)，以確定自行車的位置，在中國180多個城市運營。

LoRa網(wǎng)絡(luò)利用率的另一個例子來自加州圣羅莎市的PNI傳感器公司。PNI使用基于LoRaWAN的無線連接來提供實時的城市停車數(shù)據(jù)，使司機更容易找到可用的停車位來進行街內(nèi)外的公共和私人停車管理。其最終目標(biāo)是減少交通擁堵和碳排放，這些都是由于司機為了找到停車位而反復(fù)折返造成的。

許多行業(yè)正在利用開放的LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，包括農(nóng)業(yè)（用于灌溉/水位監(jiān)測和蟲害控制）、公用事業(yè)（用于智能電表、照明和能源管理場景）和建筑施工（用于建筑門窗傳感器和建筑結(jié)構(gòu)健康應(yīng)用）。

也有很多公司做的是不基于LoRaWAN的LoRa網(wǎng)絡(luò)。

用LoRa部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

如果你想建立在運營商擁有和運營的公共網(wǎng)絡(luò)上，LoRaWAN是一個很好的協(xié)議選擇。在這個領(lǐng)域有很多硬件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供服務(wù)，所以有很多選擇——這是一個很大的優(yōu)勢。但是圍繞LoRaWAN開發(fā)和部署一個系統(tǒng)的過程相當(dāng)復(fù)雜，如果你在射頻協(xié)議或無線系統(tǒng)和規(guī)劃方面沒有太多的專業(yè)知識或經(jīng)驗，這將是一個挑戰(zhàn)。你還需要考慮部署LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是否能夠滿足需求。在某些情況下，使用自定義協(xié)議可能更好，你所要做的就是將數(shù)據(jù)發(fā)送到已經(jīng)編寫好的節(jié)點，以便連接到云。