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來源：5G 作者：鄭浩

低功耗廣域網技術發展如火如荼，Long Range(LoRa)以及由此而來的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系統，在其中佔據重要地位，商用化程度較高。

本文從描述LoRa技術當前進展開始，闡述典型LoRaWAN系統的組成和作用，結合大量不同環境下的網路測試，和應用案例，探討電信商和企業聯盟，在推動低功耗廣域網建設方面的特點。

同時，展示LoRaWAN技術的部分優勢、當前現狀，和可預見的未來，最後分析當窄頻物聯網技術到來以後，LoRaWAN與之共存的可能，和差異化市場服務的策略。

一技術特點

1、LoRa

2013年8月，美國升特公司(Semtech)，向業界發佈了一種新型的Sub-1GHz頻段的擴頻通信晶片，最高接收靈敏度可達-148dBm，主攻遠距離低功耗的物聯網無線通信市場。

該技術主要工作，在全球各地的ISM免費頻段(即非授權頻段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。與其他傳統的Sub-1GHz晶片相比，LoRa晶片最高接收靈敏度提高20~25dB，體現在應用上，就是擁有5~8倍傳輸距離的提升。

LoRa技術本質上是擴頻調制技術，同時結合了數位信號處理，和前向糾錯編碼技術。此前，擴頻調制技術具有長通信距離和高魯棒特性，在軍事和空間通信領域，已經應用了幾十年，而LoRa的意義，在於首先利用擴頻技術，為工業產品和民用產品，提供低成本的無線通信解決方案。

前向糾錯編碼技術，是給待傳輸數據序列中，增加一些冗餘訊息，數據在傳輸進程中，注入的錯誤碼元，在接收端就會被即時糾正。

前向糾錯編碼技術，可以減少數據包需要重發的需求，而且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來，並注入前向糾錯編碼，以保障可靠性，這些數據包，就將被送到數位擴頻調制器中。

這一調制器將分組數據包中，每一比特時間劃分為眾多碼片，而LoRa調制碼片的可配置範圍為64~4 096碼片/比特。透過使用高擴頻因子，LoRa可將小容量數據，透過大範圍的無線電頻譜傳輸出去。

當使用者透過頻譜分析儀測量時，這些數據看上去像噪音，但區別在於噪音是不相關的，而數據具有相關性。基於這點，數據可以從噪音中提取出來。擴頻因子越高，越多的數據可從噪音中提取出來，接收靈敏度就可以達到更高。

因此LoRa晶片的接收靈敏度最高可達-148dBm，在20dBm的發射功率下，LoRa調制的鏈路預算可達168dB。

2、LoRaWAN

在傳統的廣域連接應用中，主要借助電信商提供的蜂窩網路進行連接，工業、能源、交通、物流等各行業，廣泛採用蜂窩網路實現互聯。

但仍有大量的設備應用，是現有蜂窩網路技術無法滿足的，比如水、電、氣、熱等計量表，市政管網、路燈、垃圾站點等公用設施，大面積畜牧養殖和農業灌溉，廣泛佈局且環境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數據採集，以及偏僻的戶外作業等。這些類型終端，若採用現有電信商蜂窩網路進行聯網，可能遇到如下問題。

1)信號覆蓋不足：很多設備佈局在人口稀少，或環境複雜的區域，電信商網路覆蓋盲區，或信號強度不足，難以保障數據的穩定傳輸。

2)功耗高：大量設備需要電池供電，若採用蜂窩網路，則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環境下很難實現。

3)費效比低：設備單次傳輸數據量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網路為高頻寬設計，採用蜂窩網路要佔用網路和碼號資源，還會產生包月流量費用。

基於以上原因，低功耗廣域網技術(Low Power Wide Area Network，LPWAN)，成為彌補物聯網網路層缺陷的最佳選擇。2015年3月，由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance(以下簡稱LoRa聯盟)，聯盟是一個開放的非盈利性組織，目的在於加速LoRa技術全球商用化，主要發起成員還包括美國IBM、Cisco、法國Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業。

聯盟發佈的LoRaWAN協議，將LPWAN分成了三部分，包括節點應用、通信服務(模組和基地台供應商)、雲服務，數據傳輸過程中的通信層包括兩級加密，數據通信更為安全。

截至到2016年10月，聯盟成員數量高達400多家，其中國家級的電信商有27家，新增電信商有法國Proximus、英國Orange、美國Comcast、日本軟銀、韓國SK電信、印度TATA電信等。

同時，LoRa的產業鏈中，還包括大量終端硬體廠商、模組網管廠商、軟體廠商、系統整合商等，構成了完整的LoRa生態系統，大大促進LoRa技術的快速發展與生態繁盛。

二系統架構

1、網路架構

目前，基於LoRa技術的網路層協議，主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協議，但是通信系統網路，都是星狀網架構，以及在此基礎上的簡化和改進。主要包括以下3種：

1)點對點通信。

一點對一點通信，多見於早期的LoRa技術，A點發起，B點接收，可以回覆，也可以不回覆確認，多組之間的頻點建議分開，如圖1所示。單純利用LoRa調制靈敏度高的特性，目前主要針對特定應用和試驗性質的項目。優點在於最簡單，缺點在於不存在組網。

　　圖1 點對點通信

2)星狀網輪詢。

一點對多點通信，N個從節點輪流與中心點通信，從節點上傳，等待中心點收到後返回確認，然後下一個節點再開始上傳，直到所有N個節點全部完成，一個循環週期結束，如圖2所示。

該結構本質上，還屬於點對點通信，但是加入了分時處理，N個從節點之間的頻點可以分開，也可重複使用。優勢在於單項目成本低，不足之處是僅適合從節點數量不大，和網路即時性要求不高的應用。

　　圖2 星狀網輪詢

3)星狀網併發。

如圖3所示，一點對多點通信，多個從節點可同時與中心點通信，從節點可隨機上傳數據，節點可以根據外界環境，和信道阻塞自動採取跳頻，和速率自適應技術，邏輯上閘道器可以接收不同速率，和不同頻點的信號組合，物理上閘道器可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數據，減少了大量節點上傳時，衝突的機率。

該系統具有極大的延拓性，可單獨建網，可交叉組網，LoRa領域內，目前主要指的是LoRaWAN技術。

　　圖3 星狀網併發

2、系統組成

點對點通信和星狀網輪詢的系統組成比較簡單，兩端都是節點，分為主從。在主節點收到從節點上行數據後，會發下載確認幀給從節點，然後從節點進入休眠，工作模式比較簡單。這裡主要對LoRaWAN星狀網，併發結構進行展開說明，LoRaWAN系統主要分為三部分：節點/終端、閘道器/基地台，以及伺服器，如圖4所示。

　　圖4 LoRaWAN系統架構示意圖

節點/終端(Node)：LoRa節點，代表了海量的各類傳感應用，在LoRaWAN協議裡，被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節點主動上傳，平時休眠，只有在固定的窗口期，才能接收閘道器下載數據。

Class A的優勢是功耗極低，比非LoRaWAN的LoRa節點功耗更低，比如針對水表應用的10年以上，工作壽命通常就是基於Class A實現的。

ClassB模式是固定週期時間同步，在固定週期內，可以隨機確定窗口期接收閘道器下載數據，兼顧即時性和低功耗，特點是對時間同步要求很高。

Class C模式是常發常收模式，節點不考慮功耗，隨時可以接收網關下載數據，即時性最好，適合不考慮功耗，或需要大量下載數據控制的應用，比如智慧電表或智慧路燈控制。

閘道器/基地台：閘道器是建設LoRaWAN網路的關鍵設備，目的是緩解海量節點數據上報，所引發的併發衝突。主要特點如下：1)相容性強，所有符合LoRaWAN協議的應用，都可以接入；2)接入靈活，單閘道器可接入幾十到幾萬個節點，節點隨機入網，數目可延拓；3)併發性強，閘道器最少可支持8頻點，同時隨機8路數據併發，頻點可擴展；4)可實現全雙工通信，上傳下載併發不衝突，實效性強；5)靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設備的靈敏度更高；6)網路拓撲簡單，星狀網路可靠性更高，功耗更低；7)網路建設成本和營運成本很低。

伺服器(Server)：負責LoRaWAN系統的管理和數據解析，主要的控制指令，都由伺服器端下達。根據不同的功能，分為：網路伺服器(Network Server)與閘道器通信，實現LoRaWAN數據包的解析，及下載數據打包，與應用伺服器通信，生成網路地址和ID等密鑰；應用伺服器(Application Server)負責負載數據的加密和解密，以及部分密鑰的生成；客戶伺服器(Client Server)是使用者開發的，基於B/S或C/S架構的伺服器，主要處理具體的應用業務和數據呈現。

LoRaWAN系統的優勢，包括：覆蓋範圍廣，節省網路優化和施工成本，減少現場施工複雜度；伺服器端鑒權可實現交叉覆蓋，減少覆蓋盲點；伺服器端統籌管理，提高信道利用率，增加系統容量；閘道器多路併發減少衝突，支持節點跳頻，增加系統容量；節點速率自適應(Adaptive Data Rate)降低功耗和併發衝突，增加容量；安全性高，兩級AES-128(Advanced Encryption Standard-128)數據加密；星狀網路結構，提高魯棒性；LoRaWAN協議標準化。

三典型環境

四業務經營

五展望未來

LoRaWAN的未來非常值得期待，短期可預見的是基於LoRaWAN的定位技術。

2016年，Semtech宣佈了LoRaWAN支持定位的應用，目前有少量企業，從事利用RSSI為基礎，附加參數修正的定位研究，但精度都不高。而基於Time Difference of Arrival(TDOA)的多LoRaWAN基地台測量定位技術，更具有商用化前景，理論精度可達50m以內，實用性更高。

依照普通LoRaWAN節點，平均休眠電流3μA、時間同步、無需增加其他定位晶片的特性，LoRaWAN完全有希望，大規模代替現有的某些定位技術。

較遠的距離+低功耗+低成本+可室內室外定位的組合，是LoRaWAN有別於其他定位技術的優勢。

2016年是窄頻物聯網技術商用化元年，未來對LoRaWAN會形成一定挑戰和競爭，而LoRa相對窄頻物聯技術，已有成熟商用案例。窄頻物聯技術擁有電信商的強力支持，但LoRaWAN不會被輕易取代，具有某些方面的先天優勢。

LoRaWAN允許企業搭建屬於自己的私有網路，很多企業並不願意把私有數據給別人，所以在投入成本可接受的情況下，企業寧願佈署自己的私有網路，並獨立經營，私有網路的誘惑力巨大。

物聯網技術的發展日新月異，每種技術路線都有其優勢領域，和不足之處，未來的技術接受程度如何，關鍵還是要靠市場來進行選擇，但最終受益的，肯定是整個產業鏈和使用者。