本文的目的是針對LoRa和LoRaWAN做一個介紹性的技術概覽。低功耗廣域網(LPWAN)預計將會支持物聯網預測的數十億設備的一個主要部分。LoRaWAN自下而上設計，為電池壽命、容量、距離和成本而優化了LPWAN。對于不同地區給出了一個LoRaWAN規范概要，以及在LPWAN空間競爭的不同技術的比較。(內容與原文相比有刪減和改動)
LoRa是什么?
LoRa是物理層或無線調制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統的無線系統使用頻移鍵控(FSK)調制作為物理層，因為它是一種實現低功耗的非常有效的調制。LoRa是基于線性調頻擴頻調制，它保持了像FSK調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。線性擴頻已在軍事和空間通信領域使用了數十年，由于其可以實現長通信距離和干擾的魯棒性，但是LoRa是個用于商業用途的低成本實現。
長距離 (LoRa)
LoRa的優勢在于技術方面的長距離能力。單個網關或基站可以覆蓋整個城市或數百平方公里范圍。在一個給定的位置，距離在很大程度上取決于環境或障礙物，但LoRa和LoRaWAN有一個鏈路預算優于其他任何標準化的通信技術。鏈路預算，通常用分貝(dB為單位)表示，是在給定的環境中決定距離的主要因素。下面是部署在比利時是Proximus網絡覆蓋圖。隨著小量的基礎設施建設實施，可以容易地覆蓋到整個國家。
LPWAN適合在那里?
一種技術不能滿足物聯網所有項目應用和量。WiFi和BTLE是被廣泛采用的標準，非常好地滿足了與個人設備通訊相關的應用。蜂窩技術非常適合那些需要較高數據吞吐量并配有電源的應用。LPWAN提供多年的電池壽命，是專為那些需要發送少量數據的傳感器和應用而設計，從不同環境中通過長距離每小時發送幾次。
LPWAN中關鍵的因素是：
網絡架構
通信距離
電池壽命或低功耗
干擾的魯棒性
網絡容量(網絡中的大節點數)
網絡安全
單向與雙向通信
各種服務應用
LoRaWAN是什么?
LoRaWAN定義了網絡的通訊協議和系統架構，而LoRa物理層能夠使長距離通訊鏈路成為可能。協議和網絡架構對節點的電池壽命、網絡容量、服務質量、安全性、網絡的各種應用服務質量等影響大。
網絡架構
許多現有部署的網絡采用了網狀網絡架構。在網狀網絡中，個別終端節點轉發其他節點的信息，以增加網絡的通信距離和網絡區域規模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網絡容量，并降低了電池壽命，因節點接受和轉發來自其他節點的可能與其不相關的信息。當實現長距離連接時，長距離星型架構有意義的是保護了電池壽命。
在LoRaWAN網絡中，節點與網關不相關聯。相反，一個節點傳輸的數據通常是由多個網關收到。每個網關將從終端節點接所接受到的數據包通過一些回程 (蜂窩、 以太網、 衛星或 Wi-Fi)轉發到基于云計算的網絡服務器。智能化和復雜性放到了服務器上，服務器管理網絡和過濾冗余的接受到的數據，執行安全檢查，通過網關進行調度確認，并執行自適應數據速率等。如果一個節點是移動的或正在移動，不需要從網關到網關切換，這是一個重要的功能，可以應用于資產跟蹤---物聯網一個主要的目標垂直應用。
電池壽命
在LoRaWAN網絡中的節點是異步的通信的，當其要發送的數據準備好的時候通信，無論是事件驅動還是時間調度。這種類型的協議通常稱為Aloha方法。在網狀網絡或同步網絡，如蜂窩，節點必須經常喚醒以同步網絡，并檢查消息。這個同步明顯消耗能量，是減少電池壽命推手。在近一項研究中，GSMA對不同解決LPWAN空間的技術進行了比較，LoRaWAN比其他技術選擇有3到5倍的優勢。
網絡容量
為了使遠距離星型網絡能夠實現，網關必須具有非常高的容量或性能，從大量的節點接收消息。高網絡容量利用自適應的數據速率和網關中的多通道多調制收發器實現，因此可以在多信道上同時接受消息。影響容量的關鍵因素是并發通道數、數據速率(空中時間)、負載長度以及節點如何經常發送數據。因為LoRa是基于擴頻調制，當使用不同擴頻因子時，信號實際上是彼此正交。當擴頻因子的發生變化，有效的數據速率也會發生變化。網關利用了這個特性，能夠在同一時間相同信道上接受多個不同的數據速率。如果一個節點有一個好的連接并靠近網關，它沒有理由總是使用低的數據速率，填滿可用的頻譜比它需要的時間更長。數據傳輸速率越高，在空氣中的時間就越短，可以為其他要傳送數據的節點開放更多的潛在空間。自適應數據速率也優化了節點的電池壽命。為使自適應的數據速率工作，對稱的上行鏈路和下行鏈路要求有足夠的下行鏈路容量。這些特點使得LoRaWAN有非常高的容量，網絡更具有可擴展性。用少量的基礎設施可以部署網絡，當需要容量時，可以添加更多網關，變換數據速率，減少串音次數，可擴展6~8倍網絡容量。其他LPWAN技術沒有LoRaWAN的可擴展性，緣于技術上的權衡，其限制了下行鏈路的容量，使下行鏈路距離與上行鏈路距離不對稱。
設備類 – 并非所有節點都相同
終端設備服務不同的應用，有不同的要求。為優化各種終端應用規范，LoRaWAN使用了不同的設備類別。設備類別權衡了網絡下行通信延遲與電池壽命。在控制或執行器類型應用中，下行鏈路通信延遲是一個重要因素。
雙向終端設備(A類)：A類的終端設備允許雙向通信，因此每個終端設備的上行鏈路傳輸跟隨兩個短的下行鏈路接受窗口。傳輸時隙由終端設備調度，基于其自身的通訊需求并有一個基于隨機時基的微小變化(ALOHA類型協議)。對于在終端設備已發送一個上行鏈路傳輸后，僅需要從服務器下行鏈路簡短地通訊的應用來說，這種A類操作是低功耗的終端系統。在任何其他時間從服務器下行鏈路通訊必須等下一個調度的上行鏈路。
具備調度接受時隙的雙向終端設備(B類)：除A類隨機接受窗口外，B類設備在調度時間上打開了額外的接受窗口。為使終端設備在調度時間上打開其接受窗口接受網關同步信標一次。這允許服務器知道什么時候終端設備在偵聽。
具備大接受時隙的雙向終端設備(C類)：C類終端設備幾乎是連續地打開節接受窗口，僅在發送時關閉。
安全
加入安全對于任何的LPWAN來說是極其重要的。 LoRaWAN使用了兩層安全：一個是網絡層安全;另一個是應用層安全。網絡安全保證了網絡節點的可靠性，而應用層的安全性確保了網絡運營商不能訪問終端用戶的應用數據。密鑰交換使用了AES加密的IEEE EUI64標識符。每種技術選擇都會有所所權衡， 但LoRaWAN在網絡架構中的特性，設備類別，安全性，容量可擴展性以及為移動優化滿足了各種各樣的潛在的物聯網應用。
5、LoRaWAN區域概述
LoRaWAN 規范根據不同的地區頻譜分配和監管要求而略有不同。歐洲和北美已制定了LoRaWAN 規范，但其他區域仍在由技術委員會制定中。加入LoRa聯盟作為貢獻者成員并參與技術委員會，對以亞洲市場解決方案為目標的公司有明顯的優勢。
LoRa WAN協議介紹
物聯網應用中的無線技術，除城域網的2G/3G/4G外，還有局域網和短距的多種通信技術，比如2.4G 頻段的WiFi，藍牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。這些短距無線技術，優缺點也都非常明顯。而且從無線應用開發和工程運維人員角度來看，一直以來都存在這樣一個兩難問題：即設計人員在更長的距離和更低的功耗兩者之間只能二選一。而采用LoRa技術之后，設計人員現在可做到兩者都兼顧，盡量實現更長距離的通信與更低的功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。
一般說來，傳輸速率、工作頻段和網絡拓撲結構是影響傳感網絡特性的三個主要參數。傳輸速率的選擇將決定系統的傳輸距離和電池壽命。工作頻段的選擇要折衷考慮頻段和系統的設計目標。而在FSK系統中網絡拓撲結構的選擇是由傳輸距離要求和系統需要的節點數目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴頻技術的的高性價比收發機方案將會改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的系統而又能實現遠距離、長電池壽命并增加系統容量，進而擴展你的傳感網絡，于是LoRa技術應運而生了。
LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了*的改變。
前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息，這樣，數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建“自修復”數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。
一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數據包將被送到數字擴頻調制器中。這一調制器將分組數據包中每一比特饋入一個“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa調制解調器經配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調制解調器可使用4096碼片/比特中的高擴頻因子(12)。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。
通過使用高擴頻因子，LoRa技術可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測量時，這些數據看上去像噪音，但區別在于噪音是不相關的，而數據具有相關性，基于此，數據實際上可以從噪音中被提取出來。其實，擴頻因子越高，越多數據可從噪音中提取出來。
在一個運轉良好的GFSK接收端，8dB的小信噪比(SNR)需要可靠地解調信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結果差距為28dB，這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB的差距就可以實現2倍于原來的傳輸距離。
為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現，我們使用一個叫做“鏈路預算”的定量指標。鏈路預算包括影響接收端信號強度的每一變量，在其簡化體系中包括發射功率加上接收端靈敏度。
AngelBlocks的發射功率為100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm(這已是其*的數據)的GFSK無線技術，需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發射端發射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。
因此，使用LoRa技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。
傳輸速率和距離
傳輸速率是系統設計中一個關鍵的可變因素，它將決定整個系統整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發射機輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預算。輸出功率受限于標準規范，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數據速率非常重要的影響。對所有的調制方式來說，越低的速率，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現今高性價比無線收發機中應用廣泛的調制方式是FSK或者GFSK。要進一步減小FSK系統的接收機帶寬，可行的辦法就是提高參考晶體的度。在等同的數據速率條件下，商用的低成本擴頻調制方式可以獲得比傳統FSK調制方式高8-10dB的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發機，這款收發機集成了一種名為LoRa的擴頻調制方式和傳統的GFSK調制方式。如圖展示了在GFSK調制和LoRa擴頻調制兩種系統中靈敏度相對數據速率的關系曲線。
與FSK系統相比，使用同樣低成本的晶體時這種新的擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當于增加了5倍的傳輸距離。
網絡架構和協議
選擇星型網還是網狀網是影響整個無線網絡系統性能優劣的一個關鍵因素。星型網是具有低延遲的簡單的網絡結構。遠距離、共信道同步傳輸、共信道抑制的改善和高選擇性，這些擴頻方式的優點為傳感網絡提供了一種可供選擇的高性能的系統解決方案，而這是傳統FSK調制方式無法達到的。
在相同速率下擴頻調制方式所具備的優勢可以輕易地用于改善現有網狀網的性能，而星形網也會達到優良的系統性能。利用星型網在郊區環境可以達到8-16km距離的情況下，我們不再需要很龐大的網狀網結構來覆蓋這么寬的范圍。
一個多通道、多調制解調方式的集中器可以適應不同節點的不同速率和不同的功率，這樣就可以獲得大的網絡容量和長的電池壽命。使用不同的擴頻因子就可以改變擴頻系統的傳輸速率。可變的擴頻因子提高了整個網絡的系統容量，因為采用不同擴頻因子的信號可以在一個信道中共存。借助網絡仿真工具，我們可以很容易觀察到，與傳統采用固定速率的FSK系統相比，采用上述技術的星型網能容易地獲得很多優勢，諸如95%的節點只占用10%的總能耗，同時整個系統的容量也將提高5-6倍。
總的來說，與其他無線系統相比，LoRa技術擁有如下幾大優勢。它使用擴頻調制技術，可解調低于20 dB的噪聲。這確保了高靈敏度、可靠的網絡連接，同時提高了網絡效率并消除了干擾。而相比于網狀網絡，LoRaWAN協議的星形拓撲結構消除了同步開銷和跳數，因而降低了功耗并可允許多個并發應用程序在網絡上運行。同時，LoRa技術實現的通信距離比其他無線協議都要長得多，這使得LoRa系統無需中繼器即可工作，從而降低了整體擁有成本。此外，相較于3G和4G蜂窩網絡，LoRa技術對嵌入式應用而言可擴展性更強，性價比更高。
LoRaWAN是由LoRa聯盟推出的一個低功耗廣域網規范，這一技術可以為電池供電的無線設備提供區域、國家或的網絡。LoRaWAN瞄準了物聯網中的一些核心需求，如安全地雙向通訊、移動化和本地服務。該技術無需本地復雜配置，即可以讓智能設備實現無縫互操作性，給物聯網領域的用戶、和企業自由操作權限。
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網關是一個透明的中繼，連接前端終端設備和后端中央服務器。網關與服務器通過標準IP連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信。
終端與網關之間的通信是在不同頻率和數據傳輸速率基礎上完成的，數據速率選擇需要在傳輸距離和消息時延之間權衡。由于采用了擴頻技術，不同數據傳輸速率通信不會互相干擾，且會創建一組“虛擬化”的頻段來增加網關容量。LoRaWAN網絡數據傳輸速率范圍為0.3 kbps至50 kbps，為了大化終端設備電池壽命和整個網絡容量，LoRaWAN網絡服務器通過一種速率自適應(ADR)方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出。適用于物聯網的覆蓋全國的網絡需要解決諸如關鍵性基礎設施、機密的個人數據或社會公共服務等安全通信的問題，這方面一般采用多層加密的方式來解決：
網絡密鑰(EU164)并保證網絡層安全;
應用密鑰(EU164)并保證應用層端到端的安全。
