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  很多人不清楚LoRa是什么，而且對(duì)于“LoRa是什么”這個(gè)問題可能很難去回答，這是因?yàn)長(zhǎng)oRa可能不僅僅意味著是一件事：

  技術(shù)上來說，LoRa是一種無線電調(diào)制方案——利用Chirp的多符號(hào)格式調(diào)制無線電信號(hào)的方法;

  LoRa也指支持調(diào)制的系統(tǒng)，包括LoRa芯片和網(wǎng)關(guān);

  有時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中稱為L(zhǎng)oRa通信網(wǎng)絡(luò)。

  從本質(zhì)上講，LoRa芯片價(jià)格低，但具有較高的接收靈敏度和較低的誤碼率(BER)。這意味著在低速應(yīng)用場(chǎng)景中，使用LoRa比使用其他同等價(jià)格的無線電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離。

  LoRaWAN

  LoRaWAN是基于LoRa的媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議，采用Semtech的LoRa調(diào)制方案(LoRa只是物理層協(xié)議)。然而，LoRaWAN更適合于公共廣域網(wǎng)，因?yàn)樗行诺蓝颊{(diào)制到同一頻率;對(duì)于私有網(wǎng)絡(luò)，為了避免沖突，最好只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

  上圖為L(zhǎng)oRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)關(guān)都綁定到同一服務(wù)器。服務(wù)器決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該響應(yīng)傳輸。在大型網(wǎng)絡(luò)中，任何給定的傳輸通常由多個(gè)接收器檢測(cè)到;然后服務(wù)器通知一個(gè)網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，而其他網(wǎng)關(guān)忽略該傳輸。這個(gè)過程有助于避免上行鏈路和下行鏈路的沖突，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)網(wǎng)關(guān)在傳輸，而重疊的網(wǎng)關(guān)可以簡(jiǎn)單地監(jiān)聽其他傳輸。

  很多人沒有意識(shí)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(shù)(又名LoRa)。例如，Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一個(gè)專有的MAC層，使其更適合需要將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全連接到云上的企業(yè)和工業(yè)客戶。此外，許多公司在其他協(xié)議中使用LoRa芯片。

  技術(shù)上回答“什么是LoRa”

  從技術(shù)角度來看，LoRa是一種獨(dú)特的調(diào)制方法。

  Semtech的RF組件(SX1272、SX1276/7/8收發(fā)器芯片)集成了LoRa調(diào)制技術(shù)(該技術(shù)為私有調(diào)制技術(shù)，目前技術(shù)細(xì)節(jié)尚未公開)。這種技術(shù)被稱為調(diào)頻(FM)Chirp。LoRa的核心技術(shù)是利用分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生穩(wěn)定的Chirp信號(hào)。其他調(diào)制格式包括頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。一個(gè)重要的觀點(diǎn)是：LoRa本身并沒有描述物理(RF介質(zhì))層之上的系統(tǒng)功能。

  首先看Chirp信號(hào)(這個(gè)術(shù)語(yǔ)是從同名鳥類的信號(hào)特征中派生出來的，也可以稱為信號(hào)處理的掃頻)。Chirp的特點(diǎn)是信號(hào)的頻率變化具有一定的規(guī)律性，而FSK信號(hào)只在兩個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行切換。下圖是線性Chirp信號(hào)的時(shí)域圖。

  LoRa物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

  2012年，Semtech以500萬(wàn)美元收購(gòu)了法國(guó)Cycleo SAS，從而收購(gòu)了LoRa 無線技術(shù)。

  調(diào)制解調(diào)器在處理LoRa信息時(shí)可以對(duì)Chirp信號(hào)進(jìn)行濾波，從而獲得額外的處理增益，提高接收靈敏度。為了“鎖定”LoRa信號(hào)，需要發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)的“恒定Chirp”信號(hào)(見下圖)。這就是LoRa獨(dú)特之處，它使用較低價(jià)格的芯片和晶體就可以用來實(shí)現(xiàn)非常高的接收靈敏度。

  這個(gè)前導(dǎo)信號(hào)可以設(shè)置為可變數(shù)目的“符號(hào)”，即Chipr的數(shù)目?？梢韵胂螅煌腖oRa發(fā)射器的前導(dǎo)信號(hào)之間沒有選擇性，但是LoRa解調(diào)器可以監(jiān)聽恒定的Chirp信號(hào)(無論它是否來自預(yù)定的系統(tǒng))。一個(gè)LoRa接收系統(tǒng)在面對(duì)常規(guī)的功率干擾和LoRa干擾時(shí)的抗干擾性能是非常重要的，這也是Symphony Link的關(guān)鍵技術(shù)。

  一旦LoRa modem被“鎖定”到前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼的末端由圖中所示的“反向Chirp”發(fā)出。然后開始數(shù)據(jù)傳輸，它有一系列的“符號(hào)”，這些符號(hào)的功能與M-ARY FSK符號(hào)很相似，但發(fā)生在Chirp上，見下圖。

  LoRa的另一個(gè)強(qiáng)大特性是能夠解調(diào)多個(gè)“正交”或同時(shí)的同頻信號(hào)，只要它們具有不同的Chirp變化率。在數(shù)據(jù)表中，LoRa Chirp變化率稱為擴(kuò)頻因子(Spread Factor)。擴(kuò)頻因子越高，Chirp變化越慢。Semtech的SX1301芯片支持這一特性，能夠同時(shí)解碼許多同時(shí)的LoRa Chirp。此功能使創(chuàng)建大型網(wǎng)絡(luò)成為可能。

  LoRa特點(diǎn)

  LoRa聯(lián)盟成立于2015年，旨在標(biāo)準(zhǔn)化LoRaMAC的功能。LoRa聯(lián)盟開發(fā)了LoRaWAN協(xié)議，允許移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商使用未經(jīng)授權(quán)的頻譜與網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。

  LoRaWAN是一種多訪問協(xié)議的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，旨在減少與大量端點(diǎn)的沖突。需要一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)連接上運(yùn)行MAC功能;

  LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)是在終端設(shè)備和后端中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間中繼消息的透明橋;

  客戶端邏輯內(nèi)置于web服務(wù)器中;

  它主要是為具有多個(gè)端點(diǎn)的僅上行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，或者只需要少量下行消息的應(yīng)用程序(受應(yīng)用程序或端點(diǎn)數(shù)量的限制);

  同一網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)需要同步;

  終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)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(quán)衡(也就是說，傳輸距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)速率越低);

  許多行業(yè)正在利用開放的LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，包括農(nóng)業(yè)(用于灌溉/水位監(jiān)測(cè)和蟲害控制)、公用事業(yè)(用于智能電表、照明和能源管理場(chǎng)景)和建筑施工(用于建筑門窗傳感器和建筑結(jié)構(gòu)健康應(yīng)用)。