在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）大潮下，未來(lái)將會(huì)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(jì)未來(lái)將會(huì)有27億個(gè)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(chǎng)份額的25%，消費(fèi)電子占據(jù)21%，智能樓宇占18%。

圖1 未來(lái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

       那么，未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是否還會(huì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來(lái)看，不論是Wi-Fi、藍(lán)牙等局域網(wǎng)絡(luò)，還是3G/4G等廣域網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)距離和低功耗似乎都只能是二選一的選擇題，這顯然無(wú)法滿足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。也因此，才有了近些年針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用提出的一個(gè)概念——低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）。

       目前國(guó)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，在國(guó)內(nèi)政策和眾廠商的聯(lián)合推動(dòng)下，已于今年推出相關(guān)芯片方案和設(shè)計(jì)方案。而相對(duì)于NB-IoT的火力全開，年長(zhǎng)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(jiǎn)單來(lái)講是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，該技術(shù)是在FSK技術(shù)基礎(chǔ)上演變而來(lái)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(gè)頻率承載二進(jìn)制的0和1，0的時(shí)候傳一個(gè)頻率，1的時(shí)候傳另一個(gè)頻率，即雙頻FSK系統(tǒng)。

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

圖2 LoRa可以將信號(hào)從噪聲中離解出來(lái)

LoRa網(wǎng)絡(luò)

       物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要分為三個(gè)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L(zhǎng)oRaWAN^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(guó)，也有中興在做LoRaWAN的協(xié)議改良，使其適合中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用。

       LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn)、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(gè)系統(tǒng)的硬件部分很簡(jiǎn)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(diǎn)。LoRaWAN^TM采用的是IBM提供的安全技術(shù)，協(xié)議中會(huì)有register，將傳輸數(shù)據(jù)寫入后，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的信息解碼。如圖3所示，其中藍(lán)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(cè)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?yàn)槠鋾?huì)受到環(huán)境影響，即與天線所處的位置有關(guān)，擺放太低會(huì)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(diǎn)（基站和節(jié)點(diǎn)介紹見后文）在曼哈頓測(cè)試了其在市內(nèi)的傳輸距離，如圖4所示圖左側(cè)紅色標(biāo)志點(diǎn)是基站，右側(cè)紅色標(biāo)志點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)，在大樓林立的街道上，其測(cè)試得到的傳輸距離為2.8英里。

圖4 傳輸距離驗(yàn)證試驗(yàn)

       另外，Semtech還就FSK和LoRa相關(guān)傳輸能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如圖5所示。其中，傳輸?shù)紸、B兩點(diǎn)采用的是FSK網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)紺、D兩點(diǎn)采用的是LoRa網(wǎng)絡(luò)。由表中數(shù)據(jù)可知，就傳輸距離來(lái)講，LoRa遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FSK；但是另一方面，就傳輸帶寬大小和數(shù)據(jù)量來(lái)看，LoRa不如FSK有優(yōu)勢(shì)。即LoRa是犧牲了頻率來(lái)?yè)Q取傳輸數(shù)據(jù)的距離。

圖5 FSK與LoRa相關(guān)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

       就物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)看，一般情況并不會(huì)有太大的數(shù)據(jù)傳輸量，300bps已經(jīng)是一個(gè)較大的數(shù)據(jù)量，相對(duì)而言對(duì)傳輸距離會(huì)有更高的要求。因而，在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，LoRa會(huì)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(qiáng)。例如，國(guó)外的水表都是埋在地下的，因而需要很強(qiáng)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(dāng)下智能電表行業(yè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

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(kuò)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(lái)保證可靠數(shù)據(jù)傳輸、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量的一種技術(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)靠近網(wǎng)關(guān)時(shí)，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(kuò)容。例如，用戶搭建一個(gè)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(gè)基站來(lái)進(jìn)行擴(kuò)容，其中，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，靠近新基站的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)連接到新的基站，因而很容易實(shí)現(xiàn)容量上的擴(kuò)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(jiǎn)單；使用非授權(quán)頻段（即免費(fèi)頻段），鋪網(wǎng)成本低，不需要給月費(fèi)；很多軟件是公開的，可以免費(fèi)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(wú)線射頻技術(shù)等遠(yuǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)/傳感器和基站端。

圖6 Semtech針對(duì)LoRa的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

       節(jié)點(diǎn)一端針對(duì)不同市場(chǎng)應(yīng)用，主要分為三類產(chǎn)品，包括針對(duì)全球應(yīng)用的1276芯片，針對(duì)中國(guó)經(jīng)過專門調(diào)整的1278芯片，以及針對(duì)美國(guó)和歐洲應(yīng)用的1272芯片。

       基站一端包括針對(duì)企業(yè)級(jí)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(duì)小基站應(yīng)用的1308，主要針對(duì)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(hào)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(shí)現(xiàn)。

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

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(duì)四大應(yīng)用市場(chǎng)。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(chǎng)中，每五頭牛中有一頭會(huì)發(fā)病，最早是靠有經(jīng)驗(yàn)的牛仔肉眼識(shí)別出來(lái)病牛，而現(xiàn)在可以用無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜索檢查，但是效率仍然有點(diǎn)低。通過采用LoRa技術(shù)，將包含LoRa技術(shù)的標(biāo)簽擺在牛的耳朵里來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量每頭牛的體溫，從而實(shí)時(shí)確認(rèn)每頭牛的健康狀況。

       其次，農(nóng)業(yè)灌溉也會(huì)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(wú)線傳感器放置在地下測(cè)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(wú)線和傳感產(chǎn)品事業(yè)部市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁黃旭東先生表示，這一市場(chǎng)可能不是最大的，但是對(duì)人類的貢獻(xiàn)應(yīng)該是最大的。另外，黃旭東先生也表示，未來(lái)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(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)有500多家會(huì)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(gè)國(guó)家和地區(qū)部署，目前有50家運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行布網(wǎng)，100多家在做新的試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)工作。其中，美國(guó)Comcast公司去年在3個(gè)城市鋪設(shè)了LoRa網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)月前決定再在12個(gè)城市鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)；法國(guó)電信Orange已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在法國(guó)全部覆蓋LoRa網(wǎng)絡(luò)；印度的TATA公司在30多個(gè)城市實(shí)現(xiàn)了LoRa網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；韓國(guó)公司SK布網(wǎng)最快，在去年用4個(gè)月實(shí)現(xiàn)了整個(gè)國(guó)家覆蓋LoRa網(wǎng)絡(luò)。

       在國(guó)內(nèi)，Semtech主要與中興有合作。就LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況來(lái)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(gè)月前也加入了LoRa聯(lián)盟。

       黃旭東先生表示，通過Semtech針對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)的Picocell參考設(shè)計(jì)，個(gè)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(gè)協(xié)議或平臺(tái)，將各個(gè)小網(wǎng)最終連接成一個(gè)大網(wǎng)。