在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的世界中，連接就是一切。它是物聯(lián)網(wǎng)中的“我”，也是我們提供遠程產(chǎn)品和應(yīng)用程序的工具，這些產(chǎn)品和應(yīng)用程序可以將他們的地面智能傳輸?shù)皆浦羞M行監(jiān)控、管理和決策。雖然向產(chǎn)品、設(shè)備或機器添加連接從未如此簡單，但為解決方案選擇正確的連接選項仍然充滿復(fù)雜性。

在某些情況下，很明顯以太網(wǎng)或 Wi-Fi 是正確的選擇——例如在家庭或工廠中。在其他情況下，近場通信 (NFC) 或藍牙可能是首選選項，因為您的解決方案需要短距離設(shè)備到設(shè)備通信。但是，如果您的產(chǎn)品是移動的，或者在 Wi-Fi 設(shè)置的復(fù)雜性根本無法實現(xiàn)的城市、農(nóng)業(yè)或其他環(huán)境中，您就只能尋找其他地方了。具體來說，在蜂窩或 LoRa（由“遠程”一詞形成）和 LoRaWAN（遠程廣域網(wǎng)）。

通過全球統(tǒng)一的頻段和運營商間漫游協(xié)議，以及為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供高帶寬連接的可用性，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋范圍使這種方法對許多用例具有吸引力。盡管具有吸引力，但一些應(yīng)用偏愛 LoRa，其信號抗噪，并且免費、未經(jīng)許可的頻段的可用性使得單個設(shè)備的單位成本顯著降低。

鑒于不同的需求將導(dǎo)致您選擇蜂窩或 LoRa，并且這些方法更具互補性而不是競爭性，讓我們更深入地研究 LoRa。

什么是洛拉？

LoRa 是一種低功耗通信協(xié)議，旨在使用未經(jīng)許可的頻譜進行長距離操作，特別是為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 目的保留的無線電頻段。

LoRa 設(shè)備以亞千兆赫頻率進行通信，因此可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)傳輸，盡管可用頻段很窄，而且一些政府對這些頻段上的設(shè)備傳輸頻率有嚴(yán)格的規(guī)定。在開放系統(tǒng)互連 (OSI) 術(shù)語中，如圖 1 中的參考模型所示，LoRa 芯片是支撐其之上所有事物的物理層，并使硬件設(shè)備能夠利用未經(jīng)許可的頻譜進行低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)應(yīng)用程序。基本上，它規(guī)定了用于無線電通信的頻譜和協(xié)議。

圖 1.LoRa 在 OSI 參考模型的物理層運行

盡管 LoRa 在亞千兆赫頻譜下運行，但 LoRa 芯片利用的特定頻段因地區(qū)而異。歐洲的 LoRa 無線電工作頻率為 863-870/873 MHz，而亞洲和南美的設(shè)備工作頻率為 915-928 MHz，北美的設(shè)備工作頻率為 902-928 MHz。在為某個應(yīng)用購買 LoRa 芯片時，根據(jù)特定的范圍要求，許多芯片將被預(yù)編程到某個地區(qū)的頻譜。在圖 2 中可以看到具有 LoRa 頻率范圍的頻譜概覽。

圖 2.LoRa 無線電在亞千兆赫頻譜上運行。圖片 [已修改] 由NASA提供

除了使用的頻譜之外，LoRa 還指定了用于無線電通信或LoRa PHY的協(xié)議。

LoRa 調(diào)制：擴頻調(diào)制

LoRa 使用專有的無線調(diào)制技術(shù)，它是擴頻調(diào)制的衍生物，它使用“擴大”脈沖作為編碼信息的一種方式。擴頻調(diào)制是一種正弦波，如圖 3 所示，其信號頻率隨時間增加或減少。

圖 3.LoRa 使用一系列增加（如此處所示）或減少的“啁啾”脈沖對信息進行編碼。圖片由Georg-Johann提供

LoRa 無線電通過使用多個信息啁啾來表示有效載荷中的每一位信息來執(zhí)行其調(diào)制。在這種情況下，名稱中的“擴頻”意味著使用這種技術(shù)的設(shè)備，包括 LoRa 衍生產(chǎn)品，都使用分配的帶寬進行廣播，從而使這些信號能夠抵抗 ISM 頻段上常見的信道噪聲。

LoRa 設(shè)備允許工程師調(diào)整他們的應(yīng)用程序，并使用稱為擴頻因子 (SF) 的東西在高數(shù)據(jù)速率或高靈敏度之間進行選擇。使用可調(diào)無線電參數(shù)，工程師可以選擇每秒發(fā)送的啁啾數(shù)量。低 SF 將每秒發(fā)送更多的啁啾，這意味著您可以每秒編碼更多的數(shù)據(jù)，但從接收器的角度來看，信號不是很敏感。

低靈敏度意味著您打算發(fā)送的數(shù)據(jù)在途中丟失的可能性更高。另一方面，高 SF 將每秒發(fā)送更少的啁啾，但會產(chǎn)生對接收器更敏感的信號，因此更可靠。然而，高 SF 啁啾需要更多“通話時間”（網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時間）并且需要更多功率，因為調(diào)制解調(diào)器運行的時間比低 SF 方法更長。

通過為無線電設(shè)置 SF，以及更改調(diào)制解調(diào)器的傳輸功率（可在 2 dBm 和 20 dBm 之間調(diào)整，具體取決于區(qū)域），LoRa 為工程師提供了功能強大的工具，用于根據(jù)他們的需要配置應(yīng)用程序的功耗和通信范圍。

作為一個物理層，LoRa 涵蓋了在可以使用相同協(xié)議的公共頻譜上實現(xiàn)遠程通信所需的一切。但是，它并未涵蓋設(shè)備如何相互識別、它們?nèi)绾我宰畲笙薅鹊販p少網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_的方式相互通信，或者如何將來自本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)安全地傳輸?shù)皆苹蜻h程位置。這就是 LoRaWAN（和其他人）的用武之地。

什么是 LoRaWAN？

另一方面，LoRaWAN 是建立在基于 LoRa 的調(diào)制之上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。盡管 LoRa 本身本質(zhì)上是點對點的，但 LoRaWAN 通過定義兩個核心設(shè)備角色將網(wǎng)絡(luò)塑造成一個中心輻射型：

一個節(jié)點，通常是一個傳感器

集中器，充當(dāng)節(jié)點和云之間的網(wǎng)關(guān)

在 OSI 術(shù)語中（圖 4），LoRaWAN 規(guī)定了處理節(jié)點到節(jié)點通信的數(shù)據(jù)鏈路層，以及處理節(jié)點如何跨本地網(wǎng)絡(luò)邊界發(fā)送數(shù)據(jù)和從本地網(wǎng)絡(luò)邊界接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層。

圖 4.LoRaWAN 指定了在 OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層運行的技術(shù)。

在數(shù)據(jù)鏈路層，LoRaWAN 定義了一種介質(zhì)訪問控制(MAC) 協(xié)議，該協(xié)議確定網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點如何識別自己（也稱為 MAC 地址）以及用于 LoRa 設(shè)備之間通信的功率要求、頻率和數(shù)據(jù)速率。

在網(wǎng)絡(luò)層，LoRaWAN 涵蓋了位于網(wǎng)絡(luò)邊緣以與 LoRaWAN 節(jié)點通信的物理硬件以及位于云中的服務(wù)。這包括從本地 LoRa 網(wǎng)絡(luò)接收、路由、處理數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)路由到本地 LoRa 網(wǎng)絡(luò)（圖 5）。

圖 5.典型的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)由本地和基于云的元素組成。

集中器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，管理來自 LoRaWAN 節(jié)點的連接，以及通過互聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)服務(wù)器的連接。市場上的許多集中器往往包括八個通道，用于同時接收來自 LoRaWAN 節(jié)點的請求數(shù)據(jù)包，以及一個用于將響應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送回這些節(jié)點的通道。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器合作，在設(shè)備加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)時對其進行管理，并處理與基于云的應(yīng)用服務(wù)器之間的通信。

雖然不是 LoRa 唯一的媒體訪問協(xié)議，但 LoRaWAN 協(xié)議享有廣泛的行業(yè)支持并擁有健康的生態(tài)系統(tǒng)。它由LoRa 聯(lián)盟發(fā)起并維護，該聯(lián)盟成立于 2015 年，旨在支持 LoRaWAN 協(xié)議的協(xié)作開發(fā)并確保 LoRaWAN產(chǎn)品和服務(wù)之間的互操作性。

在世界的某些地區(qū)（尤其是歐洲），蜂窩運營商已經(jīng)看到了提供自己專有的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的收入潛力，其中許多網(wǎng)絡(luò)針對智能城市和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。在其他地方，更常見的是將 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)視為“構(gòu)建自己的”廣域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，客戶需要自己資助和部署。

LoRa 與 LoRaWAN

我在本文開頭提到 LoRa 和 LoRaWAN 經(jīng)?；Q使用，因此大多數(shù)工程師期望這些技術(shù)必須在一個解決方案中一起使用也就不足為奇了。雖然 LoRaWAN 確實需要在邊緣網(wǎng)絡(luò)中使用 LoRa 設(shè)備才能運行，但 LoRa 設(shè)備的部署是否需要 LoRaWAN 集中器、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序服務(wù)器。

現(xiàn)實情況是，雖然 LoRaWAN 是 LoRa 廣域網(wǎng)最流行和部署最廣泛的協(xié)議，并且是支持許多設(shè)備的可互操作標(biāo)準(zhǔn)，但它可能不是每個 LPWAN 應(yīng)用程序的最佳選擇。除了 8 通道集中器的費用外，LoRaWAN 協(xié)議還規(guī)定了可能不適用于每個用例的鏈路、通話時間和功率要求——尤其是那些節(jié)點數(shù)量不多且不經(jīng)常傳輸?shù)那闆r。此外，您希望使用的云服務(wù)可能不符合 LoRaWAN 解決方案的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器要求。

在沒有 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa

在不使用 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa 的第一步是您必須實現(xiàn)自己的媒體訪問協(xié)議，以便節(jié)點之間可以就如何識別彼此、如何隱藏通信以及如何以及何時在空中進行通信而不互相踩踏達成一致.在沒有 LoRaWAN 的情況下將 LoRa 部署連接到云還需要實施您自己的機制來處理到云服務(wù)的回程。

這可能感覺過于復(fù)雜，但是，根據(jù)您的需要，它可以非常簡單：兩個節(jié)點的點對點連接可以交替發(fā)送和接收角色，幾十個節(jié)點的小型網(wǎng)絡(luò)可以使用非常簡單的時分多址 (TDMA) 時隙協(xié)議。LoRaWAN 是為大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，如果目標(biāo)是靈活且成本更低的單點解決方案，LoRa 節(jié)點無需重新實現(xiàn) LoRaWAN 協(xié)議的每一部分。這種方法在市場上并不少見。

Amazon Sidewalk用于 Echo、Ring 和其他亞馬遜智能設(shè)備，使用 LoRa 并實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) MAC 層。在商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Blues Wireless提供了一款名為 Sparrow 的產(chǎn)品，如圖 6 所示，該產(chǎn)品使用 LoRa 作為節(jié)點，與蜂窩或 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)進行通信以實現(xiàn)云回程（完全披露：我為 Blues 工作）。

圖 6.Blues Wireless Sparrow 產(chǎn)品使用 LoRa 進行本地網(wǎng)絡(luò)通信，同時使用傳統(tǒng)的 Wi-Fi 或蜂窩云回程到 Notehub.io 云服務(wù)和客戶的終極云基礎(chǔ)設(shè)施。

Sparrow 隨附的 LoRa MAC 是開源的，實現(xiàn)了簡單的一鍵式網(wǎng)關(guān)/節(jié)點安全配對機制以及優(yōu)化電池供電節(jié)點壽命的自適應(yīng)發(fā)射功率子系統(tǒng)。

審核編輯 ：李倩