作者： John 来源：IntelligentThings微信公众
随着物联网迅猛发展，以及应用的日益增多，无线传输协议也越来越受到技术人员和大众的关注。前面我们也有介绍了例如蓝牙，WiFi，Thread，Zigbee，4G，5G等等的物联网和无线通信传输协议。
这些协议各有优缺点，也各有自己的应用场景，但是对于长距离，低功耗，只需要少量数据传输的应用场景，目前还没有能够很好的满足要求的无线传输协议，这也就是LoRa技术产生的原因。
下面简单的围绕几个问题，来阐述一下这项技术。
LoRa技术是什么？
LoRa技术是为了创建长距离通信链接的物理层无线调制方式。许多传统的无线系统使用物理层频移键控（FSK）调制，因为它是十分高效的低功耗方案。
LoRa技术基于线性Chirp扩频调制，延续了移频键控调制的低功耗特性，但是大大增加了通信范围。Chirp扩频调制已经在军事和航天通信方面应用了几十年，因为它具有长距离传输，以及很好的抗干扰性，而LoRa则是它第一次用作商业用途。
LoRa来源于Long Range这个单词，所以它的最大优点就是长距离传输。单个网关或者基站可以覆盖整个城市或者数百千米。
LPWAN的优点是什么？
一项技术无法覆盖所有的物联网应用场景。WiFi和BTLE主要应用于个人设备相关的应用。蜂窝技术主要应用于需要高数据吞吐量，以及需要供电的应用场景。LPWAN的应用场景包括：长电池寿命，并且传感器和应用在长距离下，只需要每小时只要传递几次数据。
（图片来源于：lora-alliance.org）
LPWAN物联网网络的要素有哪些？
网络架构
通信范围
电池寿命和功耗
抗干扰性
网络容量（网络结点的最大数目）
网络安全性
单向或者双向传播
服务的应用
LoRaWAN是什么呢？
网络架构
许多部署好的网络都采用网状架构。在一个网状网络中，每个单独的端结点传递信息到其他结点，增加通信范围以及网络的小区容量。当结点增加的时候，它也增加了复杂度，减少了网络容量，也减少了电池寿命，因为结点要收发从他们不相干的结点传递来的信息。长距离星型架构，由于长距离连接性，从而减少了电池寿命。
（图片来源于：lora-alliance.org）
LoRaWan的网络结点不和特定网关相绑定。相反，通过结点传输的数据，被多个网关接受。每个网关，通过一些信号隧道（例如蜂窝网, 以太网, 卫星网, Wi-Fi)将从端结点收到的数据包发向云端。由网络服务器理解和处理复杂任务，包括管理网络，过滤冗余数据包，进行安全性检查，通过优化的网关进行调度确认，执行自适应数据率，等等。如果一个结点是移动的，或者运动的时候没有网关之间的切换，这就需要启用资源追踪应用，一个基于垂直物联网目标应用程序。
电池寿命
LoRaWAN网络的结点是异步通信的，并且当它们有数据准备发送的时候，会采用事件驱动，或者调度机制进行通信。这个协议采用了阿罗哈法。在一个网状网络或者一个异步网络中，例如蜂窝网，结点必须频繁的被唤醒，来同步网络和检查消息。这种同步，大大的消耗了能量，成为电池寿命减少的一个重要原因。在最近的GSMA对于LPWAN空间的各项技术研究和对比中，LoRaWan比其他技术要优3到5倍。
网络容量
为了保证星型网络的可行，网关必须有能力处理大量来自各个结点的信息。LoRaWAN的高网络容量通过利用自适应的数据率，以及网关内多通道多调制解调器的收发器，来实现。
最重要的因素，是并发通道数，数据率，负载长度，已经结点间传输数据频度。因为LoRa是扩频基础上的调制，所以每个信号基本上是正交的。当扩展因子变化的时候，有效的数据率也跟着改变。网关利用这种性能，能够在同时在同一信道上接受不同的数据率。如果一个结点具有一个好的连接，并且靠近网关，网关当然可以利用最小的数据率，并且填充必须要更长的可用的频谱。通过将数据率提高，空中的时间将被缩短，开放更多的潜在时间来传输。自适应的数据率也优化了结点的电池寿命。
为了应用自适应数据率，需要对称的上下行连接，并且有足够的下行能力。这些功能让LoRaWAN能够有很高的容量，并且让网络可扩展。一个网络通过最少数量的设施部署，在扩容的时候，可添加更多的网关，调整数据率，减少对于其他网关的串扰，并且扩大能力6-8倍。其他LPWAN方案没有LoRaWan的扩容新，因为技术取舍的缘故，限制了下行能力，或者让下行范围和上行范围不对称。
设备分类
不同应用的端设备具有不同的要求。在为了优化端应用配置，LoRaWAN使用了不同的设备类型。设备分类，权衡了网络下行通信的延时和电池寿命。在一个执行器类型的应用中，下行通信演示是十分重要的因素。
（图片来源于：lora-alliance.org）
双向终端设备（类型A）：A类型端设备，允许双向通信，每个端设备的上行传输，伴随两个端的下行接收窗口，根据自身的传输需要，以及采取ALOHA类型协议的小变化。A类型操作是最低功耗的端系统。
双向终端设备具有固定接受时间槽（类型B）：对于A类型设备随机接受窗口来说，B类型设备具有固定时间接受窗口。它根据来自网关的接受指示，来决定何时打开接受窗口。服务器就可以知道端设备何时再倾听数据。
双向终端设备具有最大接受时间槽（类型C）：C类型设备具有连续打开的接受窗口，只有在数据传输时才关闭。
安全性
安全性自然是十分重要的因素。LoRaWan具有两层安全防护：一个是网络，一个是应用。网络安全保证了结点的合法性，应用的安全保证了网络操作不能访问用户的应用数据。它使用AES加密来交换IEEE EUI64标志符。
与传统的物联网网络对比的情况？
（图片来源于：lora-alliance.org）
（图片来源于：lora-alliance.org）
上图展示了一些对于的情况，除了传输距离，电池寿命，多用途方面，另外很重要的还有成本低，以及开放的软件。
文中部分资料来源于LoRa® Alliance的LoRaWAN技术白皮书。
文章来源：IntelligentThings