當有人問我“什么是LoRa”時，如果不知道他們問這個問題的原因，我很難知道該如何回答。這是因為LoRa可能指不止一件事：

技術上是一種無線電調制方案——一種使用Chirp的多符號格式來調制無線電信號的方法;

LoRa也指支持調制的系統(tǒng)，包括LoRa芯片和網關;

有時是指物聯(lián)網應用中的LoRa通信網絡。

從本質上講，LoRa芯片造價低廉，但卻擁有很高的接收靈敏度和低誤碼率(BER)。這意味著在低速應用場景中，使用LoRa可以獲得比使用其它同等價格的無線電技術更遠的傳輸距離。

LoRaWAN

LoRaWAN是一個建立在LoRa之上的媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議，使用Semtech的LoRa調制方案構建(LoRa只是一個物理層協(xié)議)。然而，LoRaWAN很少用于工業(yè)(私有網絡)應用場景，它更適合公共廣域網，因為所有信道都調制到相同頻率;對于私有網絡，為了避免沖突，最好只有一個網絡在運行。

上圖是LoRaWAN的網絡架構圖，網絡中的所有網關都綁定到同一個服務器，服務器決定哪個網關應該響應傳輸。在一個大型網絡中，任何給定的傳輸通常都被多個接收器檢測到;然后服務器通知一個網關響應，其它網關忽略傳輸。這個過程有助于避免上下行的沖突，因為只有一個網關在傳輸，而重疊的網關可以簡單地偵聽其它傳輸。

許多人沒有意識到的是，有一種方法可以在不使用LoRaWAN的情況下使用LoRaWAN的底層技術(也就是LoRa)。例如，Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一個專有的MAC層，使其更適合需要將物聯(lián)網設備安全地連接到云上的企業(yè)和工業(yè)客戶。除此之外，還有很多公司在其它協(xié)議中使用LoRa芯片。

從技術層面回答“什么是LoRa”

從技術角度講，LoRa是一種獨特的調制方式。

Semtech射頻部件(SX1272、SX1276/7/8收發(fā)芯片)集成了LoRa調制技術(該技術為私有調制技術，目前技術細節(jié)尚未公開)，該技術被稱為調頻(FM)Chirp。LoRa的核心技術是使用分數(shù)鎖相環(huán)(PLL)產生穩(wěn)定的Chirp信號。其它調制格式包括頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)等。有一點很重要：LoRa本身并沒有描述物理(RF介質)層之上的系統(tǒng)功能。

首先看一下Chirp信號(這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點，對于信號處理來講也可稱作掃頻)。Chirp的特點是信號的頻率以一定的規(guī)律變化，而FSK的信號只會在兩個頻點切換。下圖是線性Chirp信號時域圖。

LoRa物聯(lián)網協(xié)議

Semtech在2012年以500萬美元收購了法國Cycleo SAS，從而獲得了LoRa無線技術。

調制解調器在處理LoRa消息時能夠對Chirp信號進行濾波，因此獲得額外的處理增益，提高接收靈敏度。為了“鎖定”LoRa信號，需要傳輸一個長時間的“恒定Chirp”前導信號(見Figure 1)。這就是Lora的獨特之處——使用廉價的芯片和晶體可以獲得非常高的接收靈敏度。

這個前導信號可以設置為一個可變數(shù)量的“符號”，也就是Chirp的數(shù)量?？梢韵胂螅煌琇oRa發(fā)射器的前導信號之間沒有任何選擇性，但是LoRa解調器可以監(jiān)聽到在適當?shù)念l率和Chirp變化速率下的恒定Chirp信號(不管它是否來自預定的系統(tǒng))。一個LoRa接收系統(tǒng)在面對常規(guī)的功率干擾和LoRa干擾時的抗干擾性能是非常重要的，這也是Symphony Link的關鍵技術。

一旦LoRa調制解調器“鎖定”到前導信號，前導信號的結束由圖1中所示的“反向Chirp”發(fā)出。然后開始數(shù)據(jù)傳輸，它有一系列的“符號”，這些符號的功能很像M-ARY FSK符號，但發(fā)生在Chirp上，見Figure 2。

LoRa的另一個強大功能是能夠解調幾個“正交”或同時發(fā)出的同頻信號，只要它們有不同的Chirp變化速率。在數(shù)據(jù)手冊中，LoRa Chirp變化速率被稱為擴頻因子(Spread Factor)，擴頻因子越高，Chirp變化越慢。Semtech的SX1301芯片支持這項功能，有能力同時解碼許多同時發(fā)出的LoRa Chirp，這項功能使得創(chuàng)建大型網絡成為可能。

建立這樣一個LoRa網絡或系統(tǒng)需要大量的開發(fā)。從LoRa到一個無線系統(tǒng)，就好比從一個BPSK無線芯片到一個WiFi網絡。大型網絡的OSI第2層及以上功能包括網關、中繼器、尋址、自適應數(shù)據(jù)速率、消息重試、消息確認和大容量OFDM下行信號，這些功能是LoRaWAN和Symphony Link等系統(tǒng)的功能。

LoRa聯(lián)盟

LoRa聯(lián)盟創(chuàng)立于2015年，旨在LoRa MAC功能標準化。LoRa聯(lián)盟開發(fā)了LoRaWAN協(xié)議，方便移動網絡運營商使用未授權頻譜與網絡中的物聯(lián)網設備通信。

下面列出了關于LoRaWAN的一些細節(jié)：

LoRaWAN是一個多訪問協(xié)議的服務器端實現(xiàn)，旨在減少大量端點的沖突。它需要一個服務器應用程序在網絡連接上運行MAC功能;

LoRaWAN網絡架構通常采用星型拓撲結構，其中網關是在終端設備和后端中央網絡服務器之間中繼消息的透明橋;

客戶邏輯構建到網絡服務器中;

它主要是為具有多個端點的僅上行應用程序設計的，或者只需要少量下行消息的應用程序(受應用程序或端點數(shù)量的限制);

同一網絡中的網關需要同步;

終端設備和網關之間的通信分布在不同的頻率和數(shù)據(jù)速率上。傳輸距離和數(shù)據(jù)速率之間需要權衡(也就是說，傳輸距離越遠，數(shù)據(jù)速率越低);

不同的數(shù)據(jù)速率互不干擾，并創(chuàng)建一組“虛擬”通道來增加網關的容量;

LoRaWAN網絡服務器通過自適應數(shù)據(jù)速率(ADR)方案管理每個終端設備的數(shù)據(jù)速率和RF輸出，該方案通常每24小時更新一次;

多層安全/加密(網絡級和應用級的EUI64和設備特定的EUI128密鑰);

AES CCM(128位)用于加密和身份驗證;

工作范圍在發(fā)射時間占空比ETSI 1%和10%的范圍內，工作在868波段;

根據(jù)草案，B類向下鏈路節(jié)點可以每1秒到128秒輪詢一次信標(現(xiàn)在使用IBM的LMiC提供的工程原型)，信標周期為128秒(2^n)，其中n為0到7;

天線分集，因為所有網關都監(jiān)聽相同的上行信道。

LoRa連接應用

一些公司正以有趣的方式使用全部LoRa/LoRaWAN技術。中國自行車共享公司OfO曾為其自行車配備LoRa設備和無線射頻技術，以確定自行車的位置，在中國180多個城市運營。

LoRa網絡利用率的另一個例子來自加州圣羅莎市的PNI傳感器公司。PNI使用基于LoRaWAN的無線連接來提供實時的城市停車數(shù)據(jù)，使司機更容易找到可用的停車位來進行街內外的公共和私人停車管理。其最終目標是減少交通擁堵和碳排放，這些都是由于司機為了找到停車位而反復折返造成的。

許多行業(yè)正在利用開放的LoRaWAN物聯(lián)網設備標準，包括農業(yè)(用于灌溉/水位監(jiān)測和蟲害控制)、公用事業(yè)(用于智能電表、照明和能源管理場景)和建筑施工(用于建筑門窗傳感器和建筑結構健康應用)。

也有很多公司做的是不基于LoRaWAN的LoRa網絡。

用LoRa部署物聯(lián)網設備

如果你想建立在運營商擁有和運營的公共網絡上，LoRaWAN是一個很好的協(xié)議選擇。在這個領域有很多硬件和網絡服務器提供服務，所以有很多選擇——這是一個很大的優(yōu)勢。但是圍繞LoRaWAN開發(fā)和部署一個系統(tǒng)的過程相當復雜，如果你在射頻協(xié)議或無線系統(tǒng)和規(guī)劃方面沒有太多的專業(yè)知識或經驗，這將是一個挑戰(zhàn)。你還需要考慮部署LoRaWAN網絡是否能夠滿足需求。在某些情況下，使用自定義協(xié)議可能更好，你所要做的就是將數(shù)據(jù)發(fā)送到已經編寫好的節(jié)點，以便連接到云。