谈谈LoRa与LoRaWAN

在物联网(IoT)的世界中，连接就是一切。这些产品和应用程序可以将他们的地面智能传输到云端，以进行监控、管理和决策。虽然为产品、设备或机器添加连接从未如此简单，但为解决方案选择正确的连接仍然充满复杂性。

在某些情况下，很明显以太网或Wi-Fi是正确的选择——例如在家庭或工厂中。在其他情况下，近场通信(NFC)或蓝牙可能是首选选项，因为您的解决方案需要短距离设备到设备通信。但是，如果您的产品是移动的，或者在Wi-Fi根本无法覆盖的城市、农业或其他环境中，您就只能寻找其他方法了——包括蜂窝或LoRa和LoRaWAN（远程广域网）。

通过全球统一的频段和运营商间漫游协议，以及为数据密集型应用提供高带宽连接的可用性，蜂窝网络的全球覆盖范围使这种方法对许多用例具有吸引力。尽管具有吸引力，但一些应用偏爱LoRa，它的信号具有抗噪性，而且免费、使用未经许可的频段使得单个设备的单位成本显着降低。

鉴于不同的需求，蜂窝或LoRa等方法更具互补性而不是竞争性。

什么是LoRa？

LoRa是一种低功耗通信协议，旨在使用未经许可的频谱进行长距离操作，特别是为工业、科学和医疗(ISM)目的而保留的无线电频段。

LoRa设备以Sub-1GHz频率进行通信，因此可以实现长距离的数据传输，可用频段很窄，且一些政府对这些频段上的设备传输频率有严格的规定。在开放系统互连(OSI)术语中，如图1中的参考模型所示，LoRa芯片是支撑其之上所有事物的物理层，并使硬件设备能够利用未经许可的频谱进行低功耗广域网(LPWAN)应用，它规定了用于无线电通信的频谱和协议。

图1.LoRa在OSI参考模型的物理层运行

尽管LoRa在Sub-1GHz频谱下运行，但LoRa芯片利用的特定频段因地区而异。欧洲的LoRa无线电的工作频率为863-870/873MHz，而亚洲和南美的设备工作频率为915-928MHz，北美的设备工作频率为902-928MHz。在为某个应用购买LoRa芯片时，许多芯片将根据特定的范围要求预先编程到某个地区的频谱。在图2中可以看到具有LoRa频率范围的频谱概览。

图2.LoRa无线电在Sub-1GHz频谱上运行。图片由NASA提供

除了使用的频谱之外，LoRa还指定了用于无线电通信或LoRaPHY的协议。

LoRa调制：啁啾扩频

LoRa使用专有的无线调制技术，它是啁啾扩频的衍生物，它使用“啁啾”脉冲作为编码信息的一种方式。啁啾是一种正弦波，如图3所示，其信号频率随时间增加或减少。

图3.LoRa使用一系列增加（如此处所示）或减少的“啁啾”脉冲对信息进行编码。图片由Georg-Johann提供

LoRa无线电通过使用多个信息啁啾来表示有效载荷中的每一位信息来执行其调制。在这种情况下，“扩频”意味着使用这种技术的设备，包括LoRa衍生产品，都使用分配的带宽进行广播，从而使这些信号能够抵抗ISM频段上常见的信道噪声。

LoRa设备允许工程师调整他们的应用程序，并使用称为扩展因子(SF)在高数据速率或高灵敏度之间进行选择。使用可调无线电参数，工程师可以选择每秒发送的啁啾数量。低SF将每秒发送更多的啁啾，这意味着您可以每秒编码更多的数据，但从接收器的角度来看，信号不是很敏感。

低灵敏度意味着您打算发送的数据在途中丢失的可能性更高。另一方面，高SF将每秒发送更少的啁啾，但会产生对接收器更敏感的信号，因此更可靠。然而，高SF啁啾需要更多的“通话时间”（网络上的传输时间）并且需要更多的功率，因为调制解调器运行的时间比使用低SF方法的时间更长。

通过为无线电设置SF以及更改调制解调器的传输功率（根据地区可在2dBm和20dBm之间调整），LoRa为工程师提供了功能强大的工具，用于根据他们的需要配置应用程序的功耗和通信范围。

作为物理层，LoRa涵盖了在可以使用相同协议的公共频谱上实现远程通信所需的一切。但是，它并未涵盖设备如何相互识别、如何以最大限度地减少网络串扰的方式相互通信，或者如何将来自本地网络设备的数据安全地传输到云或远程位置。这就是LoRaWAN（和其他人）的用武之地。

什么是LoRaWAN？

LoRaWAN是建立在基于LoRa的调制之上的网络协议。尽管LoRa本身本质上是点对点的，但LoRaWAN通过定义两个核心设备角色将网络塑造成一个中心辐射型：

一个节点，通常是一个传感器

集中器，充当节点和云之间的网关

在OSI术语中（图4），LoRaWAN规定了处理节点到节点通信的数据链路层，以及处理节点如何跨本地网络边界发送数据和从本地网络边界接收数据的网络层。

图4.LoRaWAN指定了在OSI参考模型的数据链路和网络层运行的技术。

在数据链路层，LoRaWAN定义了一种介质访问控制(MAC)协议，该协议确定网络上的节点如何识别自己（也称为MAC地址）以及用于LoRa设备之间通信的功率要求、频率和数据速率。

在网络层，LoRaWAN涵盖了位于网络边缘以与LoRaWAN节点通信的物理硬件以及位于云中的服务。这包括接收、路由、处理来自本地LoRa网络的数据以及将数据路由到本地LoRa网络（图5）。

图5.典型的LoRaWAN网络由本地和基于云的元素组成。

集中器充当网关，管理来自LoRaWAN节点的连接，以及通过互联网与广域网服务器的连接。市场上的许多集中器往往包括八个通道，用于同时接收来自LoRaWAN节点的请求数据包，以及一个用于将响应数据包发送回这些节点的通道。网关与网络服务器合作，在设备加入LoRaWAN网络时对其进行管理，并处理与基于云的应用服务器之间的通信。

虽然不是LoRa唯一的媒体访问协议，但LoRaWAN协议享有广泛的行业支持并拥有健康的生态系统。它由LoRa联盟发起并维护，该联盟成立于2015年，旨在支持LoRaWAN协议的协作开发并确保LoRaWAN产品和服务之间的互操作性。

在世界的某些地区（尤其是欧洲），蜂窝运营商已经看到了提供自己专有的LoRaWAN网络的收入潜力，其中许多网络针对智能城市和农业应用。在其他地方，更常见的是将LoRaWAN网络视为“构建自己的”广域专用网络，客户需要自己资助和部署。

LoRa与LoRaWAN

在本文开头提到LoRa和LoRaWAN经常互换使用，因此大多数工程师期望这些技术必须在一个解决方案中一起使用也就不足为奇了。虽然LoRaWAN确实需要在边缘网络中使用LoRa设备才能运行，但LoRa部署不一定需要LoRaWAN集中器、网络或应用程序服务器。

LoRa是物理层传输技术，典型特点是距离远、功耗低、速率相对较低。对应的产品就是收发器芯片，使用这种技术需要把自己业务bit输入或者读出，再往上层的协议和业务都需要自己定义。

LoRaWAN是在LoRa物理层传输技术基础之上的以MAC层为主的一套协议标准。对应产品包括LoRaWAN节点，LoRaWAN网关和LoRaWAN的协议和数据云平台。

现实情况是，虽然LoRaWAN是LoRa广域网最流行和部署最广泛的协议，并且是支持许多设备的可互操作标准，但它可能不是每个LPWAN应用程序的最佳选择。除了8通道集线器的费用外，LoRaWAN协议还规定了可能不适用于每个用例的链路、通话时间和功率要求——尤其是那些节点数量不多且不经常传输的情况。此外，您希望使用的云服务可能不符合LoRaWAN解决方案的网络和应用服务器要求。

在没有LoRaWAN的情况下使用LoRa

在没有LoRaWAN的情况下使用LoRa的第一步是您必须实现自己的媒体访问协议，以便节点可以在彼此之间就如何识别彼此达成一致，如何一次通信，以及如何以及何时在不相互干扰的情况下进行空中通信。在没有 LoRaWAN 的情况下将 LoRa 部署连接到云还需要实施您自己的机制来处理到云服务的回程。

这可能感觉过于复杂，但是，根据您的需要，它可以非常简单：两个节点的点对点连接可以交替发送和接收角色，几十个节点的小型网络可以使用非常简单的时分多址 (TDMA) 时隙协议。 LoRaWAN 是为大规模网络设计的，如果目标是灵活且成本更低的单点解决方案，LoRa 节点无需重新实现 LoRaWAN 协议的每一部分，这种方法在市场上并不少见。

Amazon Sidewalk 用于 Echo、Ring 和其他亚马逊智能设备，使用 LoRa 并实现网状网络 MAC 层。在商业物联网领域，Blues Wireless 提供了一款名为 Sparrow 的产品，如图 6 所示，该产品使用 LoRa 作为节点，与蜂窝或 Wi-Fi 网关进行通信以实现云回程。

图 6. Blues Wireless Sparrow 产品使用 LoRa 进行本地网络通信，同时使用传统的 Wi-Fi 或蜂窝云回程到 Notehub.io 云服务和客户的终极云基础设施。

Sparrow 随附的 LoRa MAC 是开源的，实现了简单的一键式网关/节点安全配对机制以及优化电池供电节点寿命的自适应发射功率子系统。

LoRaWAN网关是什么？

LoRaWAN网关 是LoRaWAN物联网架构中的一个核心硬件组件，通过它可以从设备收集数据并将其转发至网络服务器。可以说没有LoRaWAN网关，就不可能有LoRaWAN物联网网络。

LoRaWAN物联网架构

LoRaWAN网关构成：

构造方面，一个LoRaWAN网关 主要由两个组件构成：主机和集中器。

第一个组件，称为主机，主机是LoRaWAN网关的大脑。它其实是一台微型计算机，负责控制集中器实现无线收发功能，并将数据包转发至网络服务器。在主机中运行的关键软件被称为包转发器，它决定了哪个网络服务器将接受由LoRaWAN网关收集的数据包。

第二个组件是集中器。它是LoRaWAN网关的RF(射频)部分，在其前端部分有RF芯片，可以同时接收数据。集中器上有一个数字基带芯片，对RF信号进行数字信号处理，使其对主机有意义。LoRaWAN网关的主机和集中器在板级上通过串行进行通信。

除了集中器和主机之外，每个LoRaWAN网关都还需要一个很重要的东西，即外壳。外壳可以保护网关不受周围环境变量的影响。外壳会根据预期使用环境而改变，比如：室内网关采用紧凑的外壳。而户外网关则使用更加坚固、耐用和防水的外壳。

NiceRF LoRaWAN网关

LoRaWAN网关的频率

与其它网关一样，LoRaWAN网关也需要在规定的工作频率上工作。在特定国家部署网关时，必须要遵循LoRa联盟的区域参数。不过，它是没有通用频率的，每个国家对使用非授权MHz频段都有不同的法律规定。例如，中国的LoRaWAN频段是CN470（470-510MHz），欧洲和美国的则分别是EU868(863-870MHz)和US915(902-928MHz)。每个国家都有其特定的频道。详细情况，你们可以参考LoRa联盟的区域参数文件。

对了，LoRaWAN网关和设备必须要在相同频率的计划中才能运行工作。假如LoRaWAN设备与LoRaWAN网关使用了不同的频率计划，这个设备就会对网关不可见。这种情况下，LoRaWAN网关就没办法将设备数据转发至网络服务器。

LoRaWAN网关运行框图

LoRaWAN网关在线或离线部署

根据物联网应用的要求和限制，LoRaWAN网关可以进行在线或离线部署。对于在线网关来说，它需要有一个回程网络来连接到互联网，其通信回程可选WiFi、以太网、蜂窝网络等。在线连接的网关主要通过使用部署在云端的LoRaWAN网络服务器，这些服务器主要包括The Things Stack、腾讯云物联网平台和用于LoRaWAN的AWS IoT Core等。LoRaWAN网关离线部署时，可以利用LoRaWAN网关本身的内置网络服务器，或者连接到本地部署在PC或服务器上的网络服务器。其用于本地网络的主流网络服务器之一是Chirpstack。在这种情况下，无论网关是在线还是离线，都必须向LoRaWAN网络服务器注册，然后对数据包转发器进行适当地设置。

LoRaWAN网关看起来很复杂，但其实它只是设备和网络服务器之间的一个“中间人”。它的第一项工作是通过选择适当的频率计划来接收数据包，当然该计划与它所部署地区的设备需要是匹配的。第二项工作是将数据正确地转发到网络服务器，在这过程中，LoRaWAN网关是通过数据包转发器来注册的。有了这些充分地配置，就可以在短时间内拥有能工作的LoRaWAN网关。

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