LoRa 作為低功耗廣域網（LPWAN）的一種長距離通信技術，近些年受到越來越多的關注。

LoRa 技術
LoRa 是 LPWAN 通信技術中的一種，是美國 Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。

是物理層或無線調制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調制作為物理層，因為它是一種實現(xiàn)低功耗的非常有效的調制。

LoRa 是基于線性調頻擴頻調制，它保持了像 FSK 調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。

LoRa 技術本身擁有超高的接收靈敏度（RSSI）和超強信噪比（SNR） 。此外使用跳頻技術，通過偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜，防止定頻干擾。

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括 433、868、915 MHz 等。

LoRa 的最大特點就是：

傳輸距離遠

工作功耗低

組網節(jié)點多

LoRa 網絡架構

在網狀網絡中， 個別終端節(jié)點轉發(fā)其他節(jié)點的信息， 以增加網絡的通信距離和網絡區(qū)域規(guī)模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網絡容量，并降低了電池壽命，因節(jié)點接受和轉發(fā)來自其他節(jié)點的可能與其不相關的信息。當實現(xiàn)長距離連接時， 長距離星型架構最有意義的是保護了電池壽命。

如果把網關安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率 20dBm， （100mW） ，那么在高建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達 10 公里。該網關 / 集中器還包含 MAC 層協(xié)議，對于高層它是透明的。

LoRa 網絡主要由終端（可內置 LoRa 模塊）、網關（或稱基站）、網絡服務器以及應用服務器組成。應用數據可雙向傳輸。

LoRaWAN 網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa 網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的節(jié)點與網關間均是雙向通信。

LoRa 終端設備

LoRa 的終端節(jié)點可能是各種設備，比如水表氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。這些節(jié)點通過 LoRa 無線通信首先與 LoRa 網關連接，再通過 3G 網絡或者以太網絡，連接到網絡服務器中。網關與網絡服務器之間通過 TCP/IP 協(xié)議通信。

LoRa 網絡將終端設備劃分成 A/B/C 三類：

Class A：雙向通信終端設備。這一類的終端設備允許雙向通信，每一個終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸時隙是基于其自身通信需求，其微調基于 ALOHA 協(xié)議。

Class A 設備的功耗最低，基站下行通信只能在終端上行通信之后

Class B：具有預設接收時隙的雙向通信終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會同步從網關接收一個 Beacon，通過 Beacon 將基站與模塊的時間進行同步。

Class B 終端可以使基站知道終端正在接收數據

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設備。這一類的終端設備持續(xù)開放接收窗口，只在傳輸時關閉。

Class C 設備擁有最長的接收窗口，也最耗電

LoRa 聯(lián)盟

LoRa 聯(lián)盟是 2015 年 3 月 Semtech 牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發(fā)起成員還有法國 Actility，中國 AUGTEK 和荷蘭皇家電信 kpn 等企業(yè)。不到一年時間，聯(lián)盟已經發(fā)展成員公司 150 余家，其中不乏 IBM、思科、法國 Orange 等重量級產商。

產業(yè)鏈（終端硬件產商、芯片產商、模塊網關產商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網絡運營商）中的每一環(huán)均有大量的企業(yè)，這種技術的開放性，競爭與合作的充分性都促使了 LoRa 的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

LoRaWAN 協(xié)議

LoRaWAN 是 LoRa 聯(lián)盟推出的一個基于開源的 MAC 層協(xié)議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術可以為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡。LoRaWAN 瞄準的是物聯(lián)網中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動通訊和靜態(tài)位置識別等服務。該技術無需本地復雜配置，就可以讓智能設備間實現(xiàn)無縫對接互操作，給物聯(lián)網領域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權限。

LoRa 對比 NB-IoT

我們在之前的文章中介紹過 NB-IoT，同時作為物聯(lián)網無線通信技術，NB-IoT 和 LoRa 兩種技術具有不同的技術和商業(yè)特性，所以在應用場景方面會有不同。

目前從產業(yè)的發(fā)展來看，已經形成了由芯片、模組、終端、通訊設備、平臺、運營商和應用這七大環(huán)節(jié)組成的完整產業(yè)鏈，將 NB-IoT 和 LoRa 做下對比：

頻段，服務質量和成本

LoRa 工作在 1GHz 以下的非授權頻段，故在應用時不需要額外付費。NB-IoT 和蜂窩通信使用 1GHz 以下的授權頻段。處于 500MHz 和 1GHz 之間的頻段對于遠距離通信是最優(yōu)的選擇，因為天線的實際尺寸和效率是具有相當優(yōu)勢的。

LoRaWAN 使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協(xié)議，對于電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協(xié)議，在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務質量（QoS）。

據悉授權的 Sub-GHz 頻段的競拍，每 MHz 價格超過 5 億美金。蜂窩網絡和 NB-IoT 出于對服務質量（QoS）的考慮，并不能提供類似 LoRa 一樣的電池壽命。由于 QoS 和高昂的頻段使用費，需要確保 QoS 的應用場景推薦使用蜂窩網絡和 NB-IoT，而低成本和大量連接是首選項的話 LoRa 是不錯的選擇。

電池壽命和下行延遲
蜂窩網絡設計的理念是最優(yōu)的頻段利用率，相應的就犧牲了節(jié)點成本和電池壽命。相反，LoRaWAN 節(jié)點是為了低成本和長電池壽命而生，在頻段利用率方面有一定的欠缺。

關于電池壽命方面有兩個重要的因素需要考慮，節(jié)點的電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協(xié)議內容。LoRaWAN 是一種異步的基于 ALOHA 的協(xié)議，也就是說節(jié)點可以根據具體應用場景需求進行或長或短的睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點必須定期地聯(lián)網。

例如，現(xiàn)在市面上的手機工作時每 1.5s 必須與網絡進行同步。在 NB-IoT 中，這種同步變少但是仍然在定期進行，這樣就額外的消耗了電池的電量。

在蜂窩網絡中調制是充分利用頻段的有效手段，但是從節(jié)點的角度這并不是有效的。蜂窩的調制（OFDM 或者 FDMA）需要一個線性的發(fā)射器來產生調制信號，而一個線性的發(fā)射器需要的峰值電流比非線性調制多幾個數量級，越高的峰值電流會消耗電池更多的電量。

但同步的通信協(xié)議在較短的下行延遲方面具有優(yōu)勢，同時 NB-IoT 可以為需要大量數據吞吐量的應用提供快速的數據傳輸速率。而 LoRaWAN 的 Class B 通過定期地（編程實現(xiàn)）喚醒終端以收取下行消息而縮短了下行通信的延遲。

所以對于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數據量的應用來說 NB-IoT 或許是更好的選擇，而對于需要較低的成本、較高的電池壽命和通信并不頻繁的場景來說 LoRa 更好。

設備成本,網絡成本和混合模型

對終端節(jié)點來說，LoRaWAN 協(xié)議比 NB-IoT 更簡單，更容易開發(fā)并且對于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT 的調制機制和協(xié)議比較復雜，這就需要更復雜的電路和更多的花費，同時 NB-IoT 和 3GPP 一樣是要收稅的。

現(xiàn)階段對于一部手機的稅費大概是 5 美元，但這對于物聯(lián)網設備來說顯得太昂貴了，而且如果貿然的降低稅費會引起手機等移動通信市場的價格混亂。所以 3GPP 組織如何權衡 IoT 和移動通信兩方面稅費問題也個大問題。

低成本、技術相對成熟的 LoRa 模塊已經可以在市場上找到了，并且升級版還會接踵而至。LoRa 聯(lián)盟沒有過多版權和稅費的限制使得在 LoRa 產業(yè)鏈下模塊低于 4 美元是十分可觀的?，F(xiàn)在市場上的 LoRa 模塊價格一般在 7-10 美元，但是隨著技術的成熟度提高 4-5 美元并不是大問題。而現(xiàn)在一個 LTE 模塊的價格卻很難低于 20 美元。

相對于傳統(tǒng)的只依靠“鐵塔”部網，對于 IoT 和 LPWAN 來說部署需要使用不同模型以降低支出和運營成本。LoRaWAN 部署花費更少，因為可以利用傳統(tǒng)的信號塔、工業(yè)基站甚至是便攜式家庭網關來進行。

現(xiàn)階段一個塔式的基站價格大概是 1000 美元，工業(yè)基站價格低于 500 美元，而家庭式的網關只需要 100 美元左右。但是對于 NB-IoT 來說，升級現(xiàn)有的 4G LTE 基站的價格保守估計每個不少于 15000 美元。

LoRa 和 NB-IoT 的應用場景

沒有一種技術可以同時滿足 IoT 應用的所有需求。下面將通過幾個具體的應用實例來分析 NB-IoT 和 LoRa 各自適合的應用場景。

A：智能電表

在智能電表領域相關的公司和部門需要高速率的數據傳輸、頻繁的通信和低延遲。由于電表是由電源供電的，所以并沒有超低功耗和長電池使用壽命的需求。并且還需要對線網進行實時監(jiān)控以便發(fā)現(xiàn)隱患時及時處理。

LoRaWAN 的 ClassＣ可以實現(xiàn)低延遲，但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求 NB-IoT 是更適合于智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區(qū)的固定位置，所以對于運營商部網也較為容易。

B：智慧農業(yè)

對農業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應用對于農業(yè)提高產量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數據。

LoRa 十分適用于這樣的場景。而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡，更不用說 4G/LTE 了，所以 NB-IoT 并不如 LoRa 一樣適合于智慧農業(yè)。

C：自動化制造

工廠機器的運行需要實時的監(jiān)控，不僅可以保證生產效率而且通過遠程監(jiān)控可以提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產中，有許多不同類型的傳感器和設備。

一些場景需要頻繁的通信并且確保良好的服務質量（QoS），這時 NB-IoT 是較為合適的選擇。而一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設備、監(jiān)控狀態(tài)，這時 LoRa 便是合理的選擇。所以對于自動化生產制造的多樣性來說，NB-IoT 和 LoRa 都有用武之地。

D：智能建筑

對于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監(jiān)測等傳感器并且定時的將監(jiān)測的信息上傳，方便了管理者的監(jiān)管同時更方便了用戶。

通常來說這些傳感器的通信不需要特別頻繁或者保證特別好的服務質量，同時便攜式的家庭式網關便可以滿足需要。所以該場景 LoRa 是比較合適的選擇。

E：零售終端（POS）

零售終端（POS）系統(tǒng)往往需要較頻繁和高質量的通信，而且這些設備通常有專門供電的設備，所以對于較長的電池使用壽命沒有要求。同時對于通信的時效性和低延遲要求較高。所以出于以上考慮 NB-IoT 比較適合于本應用。

F：物流追蹤

追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實際案例。物流企業(yè)可以根據定位的需要在需要場所部網，可以是倉庫或者運輸車輛上，這時便攜式的基站便派上了用場。

LoRa 可以提供這樣的部署方案，而對于 NB-IoT 來說追蹤范圍過大基站的鋪設是很大的問題。同時 LoRa 有一個特點，在高速移動時通信相對于 NB-IoT 更穩(wěn)定。出于以上的考慮，LoRa 更適合于物流追蹤。

一項技術由紙面到商用離不開一個強大生態(tài)系統(tǒng)的支撐。長期以來，物聯(lián)網連接技術各自為戰(zhàn)，從芯片到系統(tǒng)各方采用的規(guī)范不一，造成大規(guī)模部署的瓶頸。

如今，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、華為與高通等運營商的陸續(xù)部署逐漸構建起了支撐 NB-IOT 技術產業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，而 Orange、軟銀、Senet 和 Comcast 等各國主流運營商的紛紛運用也使得 LoRa 技術行業(yè)的生態(tài)已初步成型。

兩項技術均在持續(xù)擴大中，使之擁抱萬物互聯(lián)的條件慢慢開始成熟。大量的供應商與運營商也在不斷的展開試點，相信日后 NB-IoT 與 LoRa 的互補發(fā)展將大大推動物聯(lián)網技術的革新與進步。

審核編輯 黃昊宇