LoRa無線網絡技術分析

趙靜+蘇光添

摘要：為了深入研究LoRa無線網絡技術，首先對幾種常見的非授權頻譜低功耗廣域網技術進行參數對比分析，相比于其他非授權技術，LoRa具備明顯優勢，并說明了LoRa相關的標準組織。然后根據LoRa網絡的技術特點及優勢，詳細闡述了網絡架構機制、工作模式、自適應數據速率、消息安全加密機制等，并據此引出適用的應用場景。最后針對LoRa自身的優勢和NB-IoT技術的崛起，從市場和技術角度分析了LoRa面臨的機遇與挑戰。

關鍵詞：LPWAN LoRa NB-IoT 蜂窩通信

1 引言

低功耗廣域網（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技術是一種革命性的物聯網無線接入新技術，與Wi-Fi、藍牙、ZigBee等現有成熟商用的無線技術相比，具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點，適合于在長距離發送小數據量且使用電池供電方式的物聯網終端設備。LPWAN作為一個新興的、剛起步的技術，其市場普遍被看好，各廠商爭先研究LPWAN，參與標準制定，設商用試點，市場呈現百家爭鳴、蓬勃發展的態勢。

LPWAN技術從頻譜角度上可分為授權頻譜和非授權頻譜兩種。截至目前，低功耗廣域網絡大部分部署在非授權頻譜，即人們熟悉的ISM頻段。一旦基于蜂窩網絡的LPWAN技術成熟，授權頻譜在未來也會成為LPWAN的選擇之一。本文的討論重點主要是非授權頻譜的LPWAN技術，包括LoRa、SigFox、OnRamp、NWave、Platanus等，相對授權頻譜的LPWAN技術，非授權頻譜的LPWAN技術具有搭建網絡靈活、快速、技術種類多等特點，部署成本低、商品化速度快。

2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型的基于1 GHz以下頻譜的超長距低功耗數據傳輸技術（LoRa，Long Range）的芯片。LoRa主要面向物聯網應用，其接收靈敏度可達-148 dBm，與業界其他先進水平的Sub-GHz芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20 dB以上，確保了網絡連接的可靠性。LoRa功耗極低，一節五號電池理論上可供終端設備工作10年以上。同時，LoRa使用線性調頻擴頻調制技術，即可保持像頻移鍵控（FSK，Frequency Shift Keying）調制相同的低功耗特性，又明顯增加了通信距離，提高了網絡效率并消除了干擾（不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾），因此在此基礎上研發的集中器/網關能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。

LoRa作為非授權頻譜的一種LPWAN無線技術，相比于其他無線技術（如Sigfox、NWave等），其產業鏈更為成熟、商業化應用較早。LoRa技術經過Semtech、美國思科、IBM、荷蘭KPN電信和韓國SK電信等組成的LoRa Alliance國際組織進行全球推廣后，目前已成為新物聯網應用和智慧城市發展的重要基礎支撐技術。

2 非授權LPWAN技術對比

表1為目前基于非授權頻譜的LPWAN主要技術的特點對比。LoRa、Sigfox作為非授權頻譜LPWAN技術的典型代表，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等優點，是最有發展前景的低功耗廣域網通信技術之一。目前，兩者在歐美地區都已有多個商用的案例，但是在運營模式、抗干擾能力、完整的生態系統、組織推廣力度上，LoRa比Sigfox更具有優勢。

在運營模式方面，Sigfox只能部署在私有網絡，應用大數據由Sigfox掌握，廠商使用需得到授權；相反，LoRa不僅可部署在公開網絡和私有網絡，還可讓廠商擁有應用大數據，故受到了多數廠商的青睞和支持。在技術方面，Sigfox采用FSK，只能工作于雜訊位準以上，而LoRa采用線性擴頻調制技術，能在雜訊位準以下維持有效通信，抗干擾能力更強。換言之，即使在各國開放頻段有限的情況下，當物聯網蓬勃發展、終端節點暴增時，雜訊水平（Noise Floor）上升，雜訊位準被拉高，LoRa也能有效維持通信，而Sigfox受到干擾嚴重，無法維持穩定通信。

3 LoRa聯盟

為了推動LoRa技術的全球大規模商用，LoRa聯盟于2015年3月宣布成立，這是一個開放的非盈利性組織，以物聯網、M2M、智慧城市、智能工業等應用發展為己任，旨在促進聯盟成員合作，共同推動LoRa技術和LoRaWAN協議發展。聯盟十分注重生態系統建設，與產業鏈各環節企業共同合作積極推動LoRa技術的商用。聯盟成員目前包括有跨國電信運營商、設備制造商、系統集成商、傳感器廠商、芯片廠商等，成員所在地區跨歐洲、北美、亞洲、非洲等地域。到目前為止，聯盟成員已超330家，其中不乏IBM、思科、中興、法國Orange、荷蘭KPN等重量級廠商。在物聯網領域深耕三年，LoRa碩果累累。目前最新公開的官網數據顯示，全球有16個國家正在部署LoRa網絡，56個國家開始進行試點，其中運營商荷蘭KPN電信、韓國SK電信已建成覆蓋全國的LoRa網絡。

2016年年初，中國LoRa應用聯盟（CLAA，China Lora Application Alliance）在LoRa Alliance支持下，由中興通訊發起成立，是一個跨行業、跨部門的全國性組織。其會員由國內外各類有低功耗、廣覆蓋物聯網需求的企事業單位和專業社團組成，旨在加強產業鏈廠家合作，構建LoRa 技術應用生態圈。CLAA積極推動LoRa產業鏈在中國的應用和發展，建設多業務共享、低成本、廣覆蓋、可運營的符合國內環境的LoRa物聯網應用。隨著東方測控、中電港、中星測控、創高安防、唯傳科技等眾多企業逐步加入，CLAA將進一步加大力度推動中國LoRa技術的商用。

生態系統的競爭成為低功耗物聯網發展的關鍵，LoRa技術具有一個完整的生態系統，目前LoRa聯盟的成員中已有多家運營商，未來若能吸引到更多主流運營商的加入，則LoRa技術有望在物聯網領域形成先發優勢。

4 LoRa技術分析

4.1 LoRa技術特點及優勢

作為LPWAN技術之一，LoRa具備長距離、低功耗、低成本、易于部署、標準化等特點。表2為LoRa技術的關鍵特點及其對應的優勢：

LoRa采用線性擴頻調制技術，高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可達15 km以上（與環境有關），空曠地方甚至更遠。相比其他廣域低功耗物聯網技術（如Sigfox），LoRa終端節點在相同的發射功率下可與網關或集中器通信更長距離。LoRa采用自適應數據速率策略，最大網絡優化每一個終端節點的通信數據速率、輸出功率、帶寬、擴頻因子等，使其接收電流低達10 mA，休眠電流小于200 nA，低功耗從而使電池壽命有效延長。LoRa網絡工作在非授權的頻段，前期的基礎建設和運營成本很低，終端模塊成本約為5美元。LoRaWAN是聯盟針對LoRa終端低功耗和網絡設備兼容性定義的標準化規范，主要包含網絡的通訊協議和系統架構。LoRaWAN的標準化保證了不同模塊、終端、網關、服務器之間的互操作性，物聯網方案提供商和電信運營商可以加速采用和部署。

4.2 LoRa網絡架構機制

現有許多部署好的網絡都采用了網狀結構，每個單獨節點要通過其他節點傳遞信息，這不僅增加了網絡的復雜性，而且縮短了電池壽命。相反，LoRa網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，當實現長距離連接時，終端節點和網關可直接進行信息交互，有效減少網絡復雜性和能量損耗，延長電池壽命。如圖1所示，LoRa網絡架構由終端節點（內置LoRa模塊）、網關（或集中器）、網絡服務器和應用服務器四部分組成，各組成部分的詳細介紹如下：

（1）終端節點（含傳感器）：包括物理層、MAC層和應用層的實現，使用LoRa線性擴頻調制技術，遵守LoRaWAN協議規范，實現點對點遠距離傳輸。

（2）網關/集中器：完成空中接口物理層的處理。網關負責接收終端節點的上行鏈路數據，然后將數據聚集到一個各自單獨的回程連接，解決多路數據并發問題，實現數據收集和轉發。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。網關和網絡服務器通過以太網回傳或任何無線通信技術（如2G、3G、4G）建立通信鏈路，使用標準的TCP/IP連接。

（3）網絡服務器：負責進行MAC層處理，包括消除重復的數據包、自適應速率選擇、網關管理和選擇、進程確認、安全管理等。

（4）應用服務器：從網絡服務器獲取應用數據，管理數據負載的安全性，分析及利用傳感器數據，進行應用狀態展示、即時警告等。

4.3 終端節點工作模式

LoRa終端有三種不同的工作模式，即Class A、Class B和ClassC，但一個時間內終端只能工作于一個模式，每種模式由軟件程序進行設置。不同的模式適用于不同的業務場景和省電模式，目前廣泛使用的為Class A類工作模式，以適應IoT應用的省電需求。

Class A（雙向終端設備）：A類終端設備提供雙向通信，但不能進行主動的下行鏈路發送。每個終端節點的上行鏈路傳輸會跟隨兩次很短的下行鏈路接收窗口。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，因此A類終端最省電。

Class B（支持下行時隙調度的雙向終端設備）：B類終端兼容A類終端，并且支持接收下行Beacon信號來保持和網絡的同步，以便在下行調度的時間上進行信息監聽，因此功耗會大于A類終端。

Class C（最大接收時隙的雙向終端設備）：C類終端僅在發射數據的時刻停止下行接收窗口，適用于大量下行數據的應用。相比A類和B類終端，C類終端最耗電，但對于服務器到終端的業務，C類模式的時延最小。

4.4 自適應數據速率（ADR）策略

LoRa網絡中的自適應數據速率（ADR，Adaptive Data Rate）是一種改變實際的數據速率以確?？煽康臄祿鼈魉?，優化網絡性能和終端節點容量規模的策略。例如，靠近于網關的終端節點使用較高的數據速率和較低的輸出功率，這樣既可縮短傳輸時間，又可以有效降低功耗。只有在鏈路預算非常邊緣的節點才使用最低的數據速率和最大的輸出功率。ADR策略可適應網絡基礎設施的變化，支持變化的路徑損耗。為使終端設備的電池壽命和總體網絡容量達到最大化，LoRa網絡基礎設施（網關、網絡服務器）通過ADR實現對每個終端節點的數據速率和RF輸出功率進行管理。

在LoRa網絡應用條件容許的情況下，建議都對終端節點進行ADR功能設置，具體流程如圖2所示，這樣能延長終端節點的電池壽命。其中，網絡對終端節點的數據速率優化調節流程如圖3所示，其中數據速率的預定策略表由終端節點針對不同應用環境而制定，具體可通過軟件程序實現。

4.5 消息安全加密機制

終端節點必須在與網絡服務器消息交互前的一個加入過程完成網絡安全的密鑰獲取。終端節點在接入使用時需具備以下安全信息：終端設備標識（DevEUI）、應用標識（AppEUI）和AES-128應用密鑰（AppKey）。其中，DevEUI是唯一標識終端設備的全球終端設備ID，符合IEEE EUI64。AppEUI是存儲在終端設備中的全球唯一應用ID，用于識別終端設備的應用程序提供商（即使用者）。研究AppKey是一個定義于終端設備的AES-128應用密鑰，由該應用程序所有者分配給終端設備，從每一個應用獨立的根密鑰中推演出來，根密鑰由程序提供者知曉并處于應用程序提供者的控制下。

當一個終端節點通過無線激活方式加入LoRa網絡時，將能基于AES128算法并且由密鑰AppKey衍生出終端節點通信所需的會話密鑰NwkSKey和應用密鑰AppSKey，其中會話密鑰NwkSKey用于網絡MAC通信的安全保障，而應用密鑰AppSKey用于保障應用的端到端安全。

為了保證LoRa網絡傳輸的安全性，終端節點和服務器消息交互前必須先對消息進行加密處理。LoRa網絡消息安全加密流程如圖4所示。第一步：使用NwkSKey或AppSKey密鑰對MAC負載幀（FRMPayload）加密，其中加密方案使用基于IEEE 802.15.4/2006 Annex B[IEEE802154]的AES加密，密鑰長度為128位。第二步：采樣基于[RFC4493]：The AES-CMAC Algorithm，June 2006的AES簽名算法CMAC生成消息一致性碼（MIC），此階段只使用密鑰NwkSKey。其中，當FPort=0時，幀負載只包含MAC命令；而當FPort≠0時，幀負載只包含傳輸數據，此時FPort值代表幀負載數據的大小。

5 LoRa應用分析

根據LoRa技術的關鍵特點可知，LoRa非常適用于要求具備功耗低、距離遠、容量大以及可定位跟蹤等特點的物聯網應用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社區等應用和領域。表3所示為LoRa網絡適用的應用案例：

目前LoRa網絡已經在全球多地進行試點或部署。據最新公布的相關數據顯示，全球有16個國家正在部署LoRa網絡，56個國家開始進行試點，如美國、法國、德國、澳大利亞、印度等。荷蘭KPN電信、韓國SK電信在2016年上半年部署了覆蓋全國的LoRa網絡，提供基于LoRa的物聯網服務。相對于LoRa技術在國外發展的如火如荼，國內LoRa應用略顯冷淡。目前可看到的公開應用是國內AUGTEK公司在京杭大運河開展的LoRa網絡（智慧航道）建設，據悉目前已經完成江蘇段的全線覆蓋。其實國內從事LoRa模塊和方案開發的廠商并不少，除AUGTEK之外，還有洲斯物聯、思創匯連、普天通達、NPLink、門思科技、利爾達、通感微電子、上海雍敏、武漢拓寶、博大光通、縱行科技、唯傳科技、三凡信息等眾多公司。隨著國內廣域物聯網噴發式的發展和CLAA組織對LoRa應用的積極推動，國內基于LoRa應用的試點將會越來越多地被部署在各行各業，以提供優質高效的物聯網服務。

6 LoRa面臨的挑戰與機遇分析

近幾年物聯網發展勢頭迅猛，具有巨大的市場前景。而在廣域物聯網通信領域中，NB-IoT的發展非常迅速，得到了眾多通信企業的支持，電信設備供應商如愛立信、諾基亞、華為和中興等，大型電信運營商如AT&T、中國移動、中國聯通和中國電信等，以及芯片解決方案供應商如高通等。NB-IoT標準于2016年6月獲得國際組織3GPP批準通過，標準核心協議正式凍結，國內NB-IoT行業標準預計在2016年年底發布，2017年初有望規模商用。NB-IoT網絡不僅具有LPWAN中長距離、低功耗、低成本、標準化等優勢，而且是窄帶蜂窩物聯網技術，可直接部署于原有蜂窩網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。因此，NB-IoT得到了運營商的積極推動，有望成為下一代運營商主導的授權頻譜的廣域物聯網公網，這給LoRa網絡的發展帶來了巨大的挑戰。

新崛起的廣域物聯網技術NB-IoT的迅速發展給LoRa帶來挑戰的同時，也帶來了巨大的發展機遇。NB-IoT的發展使得整個市場對于低功耗廣域網絡的需求被激發，LoRa反而能更快速、更大限度地被市場所意識。下面從市場和技術兩個角度來分析LoRa的發展機遇。

（1）市場角度看LoRa發展機遇

LPWAN技術有兩種應用分類，分別是分散型應用和行業性應用。分散型應用指的是終端產品的用戶是分散的或產品在地域分布上是分散的或者產品具有頻繁移動的屬性。這樣的應用對LPWAN的需求主要是更大范圍的網絡覆蓋以解決用戶的區域分布和可移動屬性對網絡的要求。這一類的產品以消費電子和基于定位的應用為主。行業性應用指的是單客戶具有在小范圍進行局部網絡部署的條件，在局部范圍內具有足夠可承擔起網絡建設成本的終端需求數量，此時往往會基于本身的應用需求對LPWAN協議細節進行調整，對數據安全有更高的需求。

NB-IoT通過運營商部署廣域物聯網的方式無法滿足協議細節修改的需求，其數據安全性和局域網也不可相提并論，因此難以解決行業應用的需求，更適合分散型應用。相比之下，LoRa作為最受歡迎的非授權頻譜LPWAN技術之一，運營方式更加靈活，可以是以運營商主導的大范圍公開網絡，也可以是私人部署的專用局域網絡，如公安、交通、民航、物流、鐵路、安防等行業。LoRa網絡技術可以滿足行業客戶協議細節調整的需求，可快速幫助客戶低成本地建設局域網以實現業務運營，同時不僅能適應分散性應用需求，還能很好地滿足行業性應用需求。

（2）技術角度看LoRa發展機遇

NB-IoT芯片量產的實現要到2017年，而NB-IoT從芯片量產、網絡鋪設到大規模商用理論上至少還需要2年以上的時間。從資費角度，前期用戶數量少，網絡運營成本高，資費勢必較高，高資費又會反過來影響用戶數量的增長。

相比NB-IoT，LoRa已經在市場上深耕了3年多的時間，具備廣域物聯網公網、專用局域網的成熟商用案例經驗，有明確的性能參數、成本、部署周期等信息。NB-IoT的強勢來襲從側面刺激了用戶對LPWAN的高度熱情，激發了更多的LPWAN應用需求，在NB-IoT短期無法實現用戶數量快速增長的時間點給了LoRa快速發展的機遇。同時，LoRa如何能在NB-IoT還沒有成熟商用前挖掘更多的基于LoRa的應用需要LoRa聯盟、CLAA的共同努力，從而提供更優質的物聯網服務，培養用戶粘性，快速實現LoRa應用和結點數量的高增長。

7 結束語

LoRa是一種適合于具有低功耗、低成本、遠距離等需求的廣域物聯網應用的非授權頻譜網絡技術，目前已在全球內廣泛部署使用。面對授權頻譜廣域網絡技術NB-IoT發展所帶來的挑戰，LoRa應該在NB-IoT還沒成熟商用之前，積極推動挖掘出更多具有實用性、高效性的應用，給用戶提供更優質的物聯網服務，培養用戶粘性，快速實現LoRa應用和節點數量的高增長，在未來廣域物聯網的競爭中占據重要的一席之地。

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