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lora技术篇(一):LoRa技术科普
LoRa简介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。
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。
下图以USA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、最大终端连接数等参数上比较了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的区别。后续的LoRa技术小型科普文（下）将具体解释以上的部分参数。
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。
LoRa联盟LoRa联盟是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。 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 早先公布的数据，已经有9个国家开始建网，56个国家开始进行试点。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；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……(后续的文章将详细介绍部分公司利用LoRa技术做出的应用)
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。 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。
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。
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是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。 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。
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。
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（这已是其极好的数据）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。
因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。
关于LPWAN低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物联网中不可或缺的一部分，具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强的特点，适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况，如水运定位、路灯监测、停车位监测等等。LPWAN相关组织LoRa联盟目前在全球已有145位成员，其繁茂的生态系统让遵循LoRaWAN协议的设备具有很强的互操作性。一个完全符合LoRaWAN标准的通讯网关可以接入5到10公里内上万个无线传感器节点，其效率远远高于传统的点对点轮询的通讯模式，也能大幅度降低节点通讯功耗。
转载自：AUGTEK物联网观察
lora技术篇(二):无线通信网络之LoRa技术
LoRa网络架构
在网状网络中， 个别终端节点转发其他节点的信息， 以增加网络的通信距离和网络区域规模大小。虽然这增加了范围，但也增加了复杂性，降低了网络容量，并降低了电池寿命，因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息。 当实现长距离连接时， 长距离星型架构最有意义的是保护了电池寿命。
如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率 20dBm， （100mW） ，那么在高建筑密集的城市环境可以覆盖 2 公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达 10 公里。该网关/集中器还包含 MAC 层协议，对于高层它是透明的。
LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可双向传输。
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。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。
LoRa终端设备
LoRa的终端节点可能是各种设备，比如水表气表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。这些节点通过LoRa无线通信首先与LoRa网关连接，再通过3G网络或者以太网络，连接到网络服务器中。网关与网络服务器之间通过TCP/IP协议通信。
LoRa网络将终端设备划分成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。终端设备的传输时隙是基于其自身通信需求，其微调基于ALOHA协议。
Class A设备的功耗最低，基站下行通信只能在终端上行通信之后
Class B：具有预设接收时隙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。
Class B终端可以使基站知道终端正在接收数据
Class C：具有最大接收窗口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。Class C设备拥有最长的接收窗口，也最耗电
LoRa联盟
LoRa联盟是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。
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。
LoRa 对比 NB-IoT
我们在之前的文章中介绍过NB-IoT，同时作为物联网无线通信技术，NB-IoT和LoRa两种技术具有不同的技术和商业特性，所以在应用场景方面会有不同。
目前从产业的发展来看，已经形成了由芯片、模组、终端、通讯设备、平台、运营商和应用这七大环节组成的完整产业链，将NB-IoT和LoRa做下对比：
频段，服务质量和成本
LoRa工作在1GHz以下的非授权频段，故在应用时不需要额外付费。NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的授权频段。处于500MHz和1GHz之间的频段对于远距离通信是最优的选择，因为天线的实际尺寸和效率是具有相当优势的。
LoRaWAN使用免费的非授权频段，并且是异步通信协议，对于电池供电和低成本是最佳的选择。LoRa 和 LoRaWAN 协议，在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性，但却不能提供像蜂窝协议一样的服务质量（QoS）。
据悉授权的Sub-GHz频段的竞拍，每MHz价格超过5亿美金。蜂窝网络和NB-IoT出于对服务质量（QoS）的考虑，并不能提供类似LoRa一样的电池寿命。由于QoS和高昂的频段使用费，需要确保QoS的应用场景推荐使用蜂窝网络和NB-IoT，而低成本和大量连接是首选项的话LoRa是不错的选择，如下图。
电池寿命和下行延迟
lora技术篇(三):使用LoRa技术进行智慧城市转型
2017年LoRa已然在路上，会有一些项目相继落地。在智慧城市领域，Semtech公司会怎么看LoRa技术的应用呢？小编特别整理了Semtech白皮书-《使用LoRa技术进行智慧城市转型》，供参考。
智慧城市转型
使用LoRa技术
使用LoRa技术进行智慧城市转型
城市在不断发展并采用新的智能解决方案来更好地管理服务，提高生活质量，并以可持续发展的方式减少运营成本。LoRa技术有望成为这些举措成功的关键组成部分
执行摘要
世界人口正在越来越多地向城市转移，已开始探索使用智慧城市技术帮助城市建立一个可持续的基础设施，提供智能治理、智能能源、智能移动、智能基础设施、智能技术、智能医疗、智能市民。
智慧城市技术是政府和城市提供可持续服务以有效满足城市人口涌入的一种方式。Semtech的LoRa技术和基于LoRaWAN?协议的低功耗广域网（LPWAN）提供了一种智能传感和控制的基础设施，使城市以简化有效的方式从成千上万的连接设备收集和分析数据，以便对他们需要提供的服务做出明智的决策。 基于LoRaWAN的网络提供安全的数据传输距离远的双向通信，用最少的网络基础设施覆盖城市区域。 LoRa技术提供针对智慧城市应用而优化的解决方案，这些应用依赖于电池供电的传感器，需要长达20年的电池寿命。 智能城市技术正在改变着城市、政府和市民之间的互动方式，LoRa技术是这些解决方案的一个积极的推动者。
LoRaWAN网络提供安全的双向通信，数据传输距离远。
智慧城市趋势和未来发展
随着政府机构和城市部署广域网收集数据并使用先进应用和基于云的或基于企业的系统来处理和分析数据，智慧城市举措会越来越多。 这些新兴的网络称为物联网，或IoT，网络。 这些举措旨在将传感器和其他仪器放在城市内的关键系统上，收集有关市政和城市服务不可或缺的主动和被动因素的数据。这些信息通常是详细的和可测量的，帮助更好的决策，更有效的城市服务。
目前正在考虑的智慧城市应用范围很广。 试验和部署的项目都显示出了可测量的影响，从更快的停车场到更好的紧急医疗服务。 智慧城市解决方案的一些例子包括：
停车：智能停车场监控显示城市中的可用停车位，帮助减少人们寻找停车位而引起的交通拥堵
交通流量：交通拥堵是城市居民面临的一个重大挑战，智能交通系统可以监控车辆和行人交通，更好地给汽车和行人规划路线。 现在这个是通过感知交通的智能交通灯，协调红绿灯时间，但在未来，智能交通系统还可能包括从交通灯到汽车中传感器的通信。
路灯照明：路灯的电力是一项重要的市政费用，通过更好地管理，城市可以节省资金，通过减少能源消耗可以减少温室气体排放。 智能路灯系统提供城市需要的数据，减少能源使用，同时又保持良好的街道照明。
基于LoRa的路灯系统
交通灯维护：监控交通信号灯可以让市政府快速地对损坏的交通灯做出响应，事故弄断的交通灯杆或发生故障的信号设备。 这有助于减少交通拥堵、潜在事故和其他危险情况。
预见性维护：通过提供预见性维护系统，智能建筑系统可以提供确保建筑结构得以正确维护的数据。 这些系统可以监测建筑、桥梁和历史古迹中的振动和其他物理条件。
废物管理：收集废物是一种必不可少的城市服务，但是当其他的废物容器溢出时，也往往会收集未满的废物容器。 智能废物管理系统可以帮助检测容器中的垃圾水平，以优化废物收集路线，从而提高效率和成本效益。
噪音和空气污染：随着越来越多的人进入到城市，噪音和空气污染成了一个更大的挑战。 智能噪音和空气污染监测可以提供改善市民幸福感和检测系统健康问题相关性的数据。
基于LoRa的噪音和空气污染
对于城市和市民，量化的好处
实施智慧城市技术的目标是提高公众的生活质量，创造效益，增加对服务需求的预防响应，并更有效地利用城市资源， 从而减少纳税人的钱。 通过城市系统和基础设施的实时数据，城市官员和市民可以更容易地评估城市举措的效率，并在必要时进行改进。 已经有14类由国际标准组织编制的指标用于衡量智慧城市举措的成功。 这些指标包括教育、健康、城市财政和其他，然而智慧城市技术的快速扩张性意味着这个名单在未来几年肯定会增长。 下面是一些真实的例子，目前智慧城市项目如何惠及当地社区：
韩国首尔用较低的成本更好的进行废物收集：许多大城市每天都会看到数以百万计的乘客和旅客涌入，必须处理他们路过城市时所产生的废物。 在首尔，废物成为了一个重要的问题，因为溢出的公共垃圾箱会产生垃圾问题，这将会增加保持城市清洁的成本。 在过去，城市不知道垃圾箱填满或哪些溢出的速度。 随着智能垃圾箱的安装，城市能够跟踪每个垃圾箱的填充水平，并跟踪废物收集的效率。 该解决方案的好处是垃圾少了，公共区域更清洁，废弃物收集频率降低了66％，成本降低83％，回收利用增加46％。
基于LoRa的废物管理系统
美国内华达州卡森市整合太阳能：卡森市的领导们发现，太阳能相关技术只能这么多暴露在风中和雪中，这是城市气候的一部分。 此外，传统发电和太阳能设备之间的有效转换对于在多云或夜间保持容量是重要的。 该城市转向智慧城市技术来管理这种基础设施，包括虚拟化技术和通过移动计算设备访问报告。 其结果是提高了运营商和管理层的效率，包括运维人员减少15％，而提升太阳能发电量近750,000 KWH的清洁能源。
法国里昂和格勒诺布尔，降低能源成本：当部署物联网帮助消费者监控其电力使用时，使用工具帮助其减少电力消耗，从而节省钱并可能减少温室气体。里昂和格勒诺布尔附近的城市联手开发了一个平台，按设备类型（如火炉、热水器）监控电力消耗，用一个单独的系统给消费者提供因减少能源消耗而获得的财务奖励。其结果是取暖成本降低了16%，这使消费者更开心、更了解能源，环境受益，并推迟了成本高昂的新能源发电建设。
这些例子证明，智慧城市技术有着重要的影响，对一个城市及其市民的财务状况上，对城市宜居性上和对城市环境上。
为什么LoRa是智慧城市应用的规则改变者
Semtech的LoRa技术为智能城市应用提供技术和商业效益。
技术优势
资产部署成本低：
- 很好的室内覆盖：网关工作在星形网络中，传感器与网关直接通信，通信距离可达20公里。 传感器可以安装在室内或室外。 不需要如网格网络解决方案所需的复杂的覆盖分析。
- 易于安装：电池供电的传感器能够维持长达20年，具体取决于使用的应用。 这意味着传感器不需要电源线，而现有的解决方案诸如GSM、LTE或WiFi则需要。
安全：内置AES-128加密。
开放标准：LoRaWAN?规范由LoRa Alliance?支持和维护，无缝连接、易于扩展。
地理位置：LoRa技术使用免GPS的地理定位技术，无需额外的电源。
低连接成本：LoRa技术工作在免授权ISM频段，这意味着没有或很低的频谱成本（如果使用外部服务提供商，则可能存在非常低的连接费用）。
业务优势
现已可以公有和私有部署
部署和运营成本低，与新兴的基于蜂窝解决方案相比，如LTE-M和NB-IoT。
开放的网络：
- 城市有能力从多个和竞争的网络服务提供商中选择，有助于降低价格。或者
- 城市可以部署自己的本地市政网络，它可以托管多个应用。通过向城市中想运行自己应用的公司租赁带宽，成本可以做到最小化。
利用部署的资产：LoRa 技术的强大的信号可以穿透建筑物，即使在密集的城区也可以广范围覆盖。 这使得一个基于LoRa的网关可能覆盖在2公里多范围内的多个建筑物。
成长的生态系统：快速发展的LoRa联盟?目前有400多家公司，他们使用LoRaWAN规范创建解决方案。 LoRa Alliance?包括主要行业参与者和许多其他初创公司和网络运营商。 联合起来，这个生态系统提供了从通信IC到网络到基于服务器的应用平台的多源供应。 LoRa联盟还认证传感器和其他设备的互操作性。
结论
随着城市越来越高效，智慧城市技术可以为更智慧和更好的城市服务提供新的解决方案。可扩展和低成本的物联网网络是智慧城市计划的基石，基于LoRa的设备和LoRaWAN规范提供了大容量、低功耗的网络，形成了成功的智慧城市解决方案的基础。
有关Semtech的智慧城市应用的LoRa无线射频产品和技术的更多信息，请访问www.semtech.com/IoT。
关于Semtech
Semtech 公司是一家高端消费、企业计算、通信和工业设备用模拟和混合信号半导体领域的领先供应商。产品旨在使工程师社区及全球性开发社区受益。公司致力于降低企业运营及其产品对环境的影响，并推动公司内部的绿色环境计划，通过材料及制程控制并降低垃圾排放、倡导使用绿色环保技术和节能设计。于1967年上市，Semtech现为纳斯达克证券交易所的全球精选上市公司，股票代码：SMTC。欲了解更多详情，请浏览：www.semtech.com。
文 | 王志杰
