物聯網應用技術開發——LoRa

LoRa技術具備遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性。編程

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括43三、86八、915 MHz等。後端

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。安全

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，鏈接終端設備和後端中央服務器。終端設備採用單跳與一個或多個網關通訊。全部的節點與網關間均是雙向通訊。服務器

LoRa終端設備網絡

LoRa的終端節點多是各類設備，好比水錶氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。這些節點經過LoRa無線通訊首先與LoRa網關鏈接，再經過3G網絡或者以太網絡，鏈接到網絡服務器中。網關與網絡服務器之間經過TCP/IP協議通訊。架構

LoRa網絡將終端設備劃分紅A/B/C三類：異步

Class A：雙向通訊終端設備。這一類的終端設備容許雙向通訊，每個終端設備上行傳輸會伴隨着兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸時隙是基於其自身通訊需求，其微調基於ALOHA協議。ide

Class A設備的功耗最低，基站下行通訊只能在終端上行通訊以後大數據

Class B：具備預設接收時隙的雙向通訊終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多餘的接收窗口，爲了達到這一目的，終端設備會同步從網關接收一個Beacon，經過Beacon將基站與模塊的時間進行同步。設計

Class B終端可使基站知道終端正在接收數據

Class C：具備最大接收窗口的雙向通訊終端設備。這一類的終端設備持續開放接收窗口，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聯盟

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

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

LoRaWAN協議

LoRaWAN是 LoRa聯盟推出的一個基於開源的MAC層協議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術能夠爲電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡。LoRaWAN瞄準的是物聯網中的一些核心需求，如安全雙向通信、移動通信和靜態位置識別等服務。該技術無需本地複雜配置，就可讓智能設備間實現無縫對接互操做，給物聯網領域的用戶、開發者和企業自由操做權限。

LoRa 對比 NB-IoT

咱們在以前的文章中介紹過NB-IoT，同時做爲物聯網無線通訊技術，NB-IoT和LoRa兩種技術具備不一樣的技術和商業特性，因此在應用場景方面會有不一樣。

目前從產業的發展來看，已經造成了由芯片、模組、終端、通信設備、平臺、運營商和應用這七大環節組成的完整產業鏈，將NB-IoT和LoRa作下對比：

頻段，服務質量和成本

LoRa工做在1GHz如下的非受權頻段，故在應用時不須要額外付費。NB-IoT和蜂窩通訊使用1GHz如下的受權頻段。處於500MHz和1GHz之間的頻段對於遠距離通訊是最優的選擇，由於天線的實際尺寸和效率是具備至關優點的。

LoRaWAN使用免費的非受權頻段，而且是異步通訊協議，對於電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協議，在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具備獨特的特性，但卻不能提供像蜂窩協議同樣的服務質量（QoS）。

據悉受權的Sub-GHz頻段的競拍，每MHz價格超過5億美金。蜂窩網絡和NB-IoT出於對服務質量（QoS）的考慮，並不能提供相似LoRa同樣的電池壽命。因爲QoS和高昂的頻段使用費，須要確保QoS的應用場景推薦使用蜂窩網絡和NB-IoT，而低成本和大量鏈接是首選項的話LoRa是不錯的選擇，以下圖。

電池壽命和下行延遲

 

蜂窩網絡設計的理念是最優的頻段利用率，相應的就犧牲了節點成本和電池壽命。相反，LoRaWAN節點是爲了低成本和長電池壽命而生，在頻段利用率方面有必定的欠缺。

關於電池壽命方面有兩個重要的因素須要考慮，節點的電流消耗（峯值電流和平均電流）以及協議內容。LoRaWAN是一種異步的基於ALOHA的協議，也就是說節點能夠根據具體應用場景需求進行或長或短的睡眠，而蜂窩等同步協議的節點必須按期地聯網。

例如，如今市面上的手機工做時每1.5s必須與網絡進行同步。在NB-IoT中，這種同步變少可是仍然在按期進行，這樣就額外的消耗了電池的電量。

在蜂窩網絡中調製是充分利用頻段的有效手段，可是從節點的角度這並非有效的。蜂窩的調製（OFDM或者FDMA）須要一個線性的發射器來產生調製信號，而一個線性的發射器須要的峯值電流比非線性調製多幾個數量級，越高的峯值電流會消耗電池更多的電量。

但同步的通訊協議在較短的下行延遲方面具備優點，同時NB-IoT能夠爲須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 經過按期地（編程實現）喚醒終端以收取下行消息而縮短了下行通訊的延遲。

因此對於須要頻繁通訊、較短的延遲或者較大數據量的應用來講NB-IoT或許是更好的選擇，而對於須要較低的成本、較高的電池壽命和通訊並不頻繁的場景來講LoRa更好。

設備成本,網絡成本和混合模型

對終端節點來講，LoRaWAN協議比NB-IoT更簡單，更容易開發而且對於微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調製機制和協議比較複雜，這就須要更復雜的電路和更多的花費，同時NB-IoT和3GPP同樣是要收稅的。

現階段對於一部手機的稅費大概是5美圓，但這對於物聯網設備來講顯得太昂貴了，並且若是貿然的下降稅費會引發手機等移動通訊市場的價格混亂。因此3GPP組織如何權衡IoT和移動通訊兩方面稅費問題也個大問題。

低成本、技術相對成熟的LoRa模塊已經能夠在市場上找到了，而且升級版還會接踵而至。LoRa聯盟沒有過多版權和稅費的限制使得在LoRa產業鏈下模塊低於4美圓是十分可觀的。如今市場上的LoRa模塊價格通常在7-10美圓，可是隨着技術的成熟度提升4-5美圓並非大問題。而如今一個LTE模塊的價格卻很難低於20美圓。

相對於傳統的只依靠「鐵塔」部網，對於IoT和LPWAN來講部署須要使用不一樣模型以下降支出和運營成本。LoRaWAN部署花費更少，由於能夠利用傳統的信號塔、工業基站甚至是便攜式家庭網關來進行。

現階段一個塔式的基站價格大概是1000美圓，工業基站價格低於500美圓，而家庭式的網關只須要100美圓左右。可是對於NB-IoT來講，升級現有的4G LTE基站的價格保守估計每一個很多於15000美圓。

LoRa 和NB-IoT 的應用場景

沒有一種技術能夠同時知足IoT應用的全部需求。下面將經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：智能電錶

在智能電錶領域相關的公司和部門須要高速率的數據傳輸、頻繁的通訊和低延遲。因爲電錶是由電源供電的，因此並無超低功耗和長電池使用壽命的需求。而且還須要對線網進行實時監控以便發現隱患時及時處理。

LoRaWAN的ClassＣ能夠實現低延遲，可是對於高傳輸速率和頻繁通訊的需求NB-IoT是更適合於智能電錶的選擇。而且電錶通常安裝在人口密集的地區的固定位置，因此對於運營商部網也較爲容易。

B：智慧農業

對農業來講，低功耗低成本的傳感器是迫切須要的。溫溼度、二氧化碳、鹽鹼度等傳感器的應用對於農業提升產量、減小水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器須要按期地上傳數據。

LoRa十分適用於這樣的場景。並且不少偏遠的農場或者耕地並無覆蓋蜂窩網絡，更不用說4G/LTE了，因此NB-IoT並不如LoRa同樣適合於智慧農業。

C：自動化製造

工廠機器的運行須要實時的監控，不只能夠保證生產效率並且經過遠程監控能夠提升人工效率。在工廠的自動化製造和生產中，有許多不一樣類型的傳感器和設備。

一些場景須要頻繁的通訊而且確保良好的服務質量（QoS），這時NB-IoT是較爲合適的選擇。而一些場景須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、監控狀態，這時LoRa即是合理的選擇。因此對於自動化生產製造的多樣性來講，NB-IoT 和LoRa都有用武之地。

D：智能建築

對於建築的改造，加入溫溼度、安全、有害氣體、水流監測等傳感器而且定時的將監測的信息上傳，方便了管理者的監管同時更方便了用戶。

一般來講這些傳感器的通訊不須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即可以知足須要。因此該場景LoRa是比較合適的選擇。

E：零售終端（POS）

零售終端（POS）系統每每須要較頻繁和高質量的通訊，並且這些設備一般有專門供電的設備，因此對於較長的電池使用壽命沒有要求。同時對於通訊的時效性和低延遲要求較高。因此出於以上考慮NB-IoT比較適合於本應用。

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。物流追蹤能夠做爲混合型部署的實際案例。物流企業能夠根據定位的須要在須要場所部網，能夠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能夠提供這樣的部署方案，而對於NB-IoT來講追蹤範圍過大基站的鋪設是很大的問題。同時LoRa有一個特色，在高速移動時通訊相對於NB-IoT更穩定。出於以上的考慮，LoRa更適合於物流追蹤。

一項技術由紙面到商用離不開一個強大生態系統的支撐。長期以來，物聯網鏈接技術各自爲戰，從芯片到系統各方採用的規範不一，形成大規模部署的瓶頸。

現在，中國電信、中國移動、中國聯通、華爲與高通等運營商的陸續部署逐漸構建起了支撐NB-IOT技術產業的生態系統，而Orange、軟銀、Senet和Comcast等各國主流運營商的紛紛運用也使得LoRa技術行業的生態已初步成型。

兩項技術均在持續擴大中，使之擁抱萬物互聯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，相信往後NB-IoT與LoRa的互補發展將大大推進物聯網技術的革新與進步。