LoRa设计10问
引言：
近2年来，LoRa技术在国内受重视，从高校到企业，再到自主创业者，都在了解和研究。作为从事LoRa研发3年，推出2代LoRa网关的锐米通信，接触许多问询LoRa技术的客户。为此，我们解释一些LoRa技术的常见问题。
1问：LoRa是什么？
答：LoRa是Long Range（长距离）的简称，是一种长距离、低功耗无线通信技术。2009年法国公司Cycleo设计出一种优异的扩频通信算法，后来，该公司被美国semtech公司收购，后者于2013年推出LoRa芯片。目前，semtech公司是LoRa芯片唯一供应商。
2问：LoRaWAN是什么？
答：LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa广域网）的简称，是基于LoRa技术的一种通信协议。它主要包括三个层次的通信实体：LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器。
LoRaWAN是一个较庞大的体系结构，支持CLASS A / B / C三种终端，使用LoRa MAC协议为网关和终端提供防冲突通信和同步机制，有4种服务器角色，分别担任：网络连接、应用管理、接入控制和用户数据。它的层次关系如下：
3问：LoRa有什么优点？
答：最大的优点是长距离传输，采用扩频增益，它的传输距离约FSK的3倍；其次是低功耗，尽管它通信距离空旷能达到5km，仍保持良好的节能特性；再次，它工作在免费ISM频段，这为普通民众使用该无线网络打开了一道便捷之门，极大降低网络铺设成本。
4问：LoRa有哪些缺点？
答：第一个缺点，传输速率低，因为扩频调制后的通信带宽窄，一般只适合传感器网络；第二个缺点，硬件价格高，推出市场的时间不长，没有大规模应用，成本没有被摊薄；第三个缺点，LoRaWAN核心技术（通信协议和算法）需要缴纳会费才能获取，这提高了研发成本和难度。
5问：LoRa与常见无线技术的区别？
答：确实，我们身边的无线技术已经很多了：3G/4G、WiFi、蓝牙和ZigBee，为什么还需要LoRa这种无线技术呢？其实，每种无线技术都只能适应特定通信场景，需要配合使用才能构建高效率、低成本的网络。
打个比方，现代化的军事组织，单兵武器都是配合使用，才能达到最佳火力配制。
| 无线技术 |
类比武器 |
距离 |
速率 |
能耗 |
铺设成本 |
通信成本 |
适应场合 |
| LoRa |
狙击步枪 |
超长 |
慢 |
低 |
中 |
免费 |
户外传感器 |
| 3G/4G |
突击步枪 |
长 |
较快 |
高 |
极高 |
流量费 |
通话与上网 |
| WiFi |
冲锋枪 |
短 |
快 |
极高 |
低 |
免费 |
家庭网络 |
| 蓝牙 |
战术刀 |
极短 |
中 |
低 |
低 |
免费 |
手机配件 |
| ZigBee |
手枪 |
较短 |
较慢 |
低 |
较低 |
免费 |
室内设备 |
6问：LoRa的竞争对手有哪些？
答：在LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗广域网）有代表性的3种技术是：LoRa、Sigfox和LTE-M（包括NB-IoT）。它们技术参数对比如下：
| 参数 |
LoRa |
Sigfox |
LTE-M |
| 频段 |
ISM免费频段 |
ISM免费频段 |
电信授权频段 |
| 通信速率 |
300~37.5kbps |
100或500bps |
20kbps |
| 发射功耗 |
低 |
低 |
高 |
| 接收功耗 |
低（10~12mA） |
低（10~13mA） |
中（20～30mA） |
| 全双向 |
是 |
否 |
是 |
| 抗干扰 |
优（扩频调制） |
差（窄带BPSK） |
中 |
| 扩展性 |
优 |
差 |
未知 |
| 支持定位 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
| 节点可移动 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
| 节点可漫游 |
支持 |
支持 |
支持 |
| 部署进度 |
芯片已经上市， 网关低成本 |
网关复杂 成本高 |
芯片未上市， 标准建设中 |
7问：LoRa为什么能传输得更远？
答：无线通信的距离受很多因素的影响，包括：衰减、损耗、噪声、大气吸收、多径和折射。长期以来，要延长通信距离，最直接的手段是增大发射功率，即提高Eb/N0（每位信号能量与每赫兹噪声功率密度的比值），这种方式不能满足低功耗的要求。
后来人们发现，扩频技术可以得到如下收益：从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性；得到信噪比的增益。换句话说，使用扩频通信抗干扰性更强，通信距离更远，LoRa的长距离源自此处。
LoRa扩频调制的示意图如下所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加（扩展了频谱）。
8问：SX1276/8和SX1301是什么？
答：SX1276/8是semtech公司推出的LoRa终端芯片，单信道，前者面向欧美市场（支持862～1020MHz），后者面向中国市场（不支持支持862～1020MHz）。从硬件设计，到软件驱动，都开源设计，用户可以免费下载。
SX1301是semtech公司推出的LoRa网关芯片，8个LoRa信道，1个FSK信道，可以看成是FPGA+8路LoRa调制解调器。该芯片是semtech的核心利益块，从数据手册，到硬件参数，到软件驱动，到协议算法，都不公开；仅当用户缴纳付费，成为LoRa Alliance的会员，才能获得相关资料和技术。
SX1301的体系结构如下图所示，有2个前端芯片SX1255/7处理信号，推荐GPS提供精确时钟，通过SPI与MCU连接。
9问：LoRa网关一定是LoRaWAN+SX1301吗？
答：从广义上讲，网关是连接2个不同网络的设备。如果一个设备，它能将LoRa无线网络和Internet连接起来，它就是一个LoRa网关。
根据应用场合不同，LoRa网关至少可以分为：便携式，轻量级，区域级，电信级；前2者，容纳的LoRa节点较少，通信带宽较低，LoRa网关可以使用SX1276/8；后2者需要SX1301，甚至多片SX1301。
如果网关和终端都使用一家公司的，私有协议可以工作；当然，要连接不同厂家的LoRa设备，甚至国际化，那就需要遵循LoRaWAN协议。
10问：LoRa前景如何？
答：要预判一个年青（才3年）的物联网技术前景是很难的，除了技术外，有商业模式，有政治因素（保证基础数据安全和带动本国就业等）。我们试着把LoRa在国际和国内的竞争对手比较下，可能聪明的您就能看到它的前景。
表1 国际
| 项目 |
LoRa |
Sigfox |
LTE-M |
| 商业模式 |
Semtech提供技术 其他公司组成物联网 |
法国Sigfox公司成为 全球物联网运营商 |
改进现有LTE技术 为运营商谋取更多利益 |
| 部署成本 |
低 |
较高 |
高 |
| 资金来源 |
出售芯片和收取会费 |
风险投资 |
运营商投资 |
| 财务风险 |
低，有持续收入 |
极高，资金链断裂致命 |
较低，现有业务支撑 |
表2 国内
| 项目 |
LoRa |
NB-IoT |
| 运营者 |
Semtech提供技术 其他公司组成物联网 |
华为公司提供技术 运营商组成物联网 |
| 终端成本 |
小于5美金 |
5～10美金 |
| 网关成本 |
塔式基站约1000美金； 工业基站约500美金； |
升级LTE基站不少于15000美金 |
| 频段与质量 |
免费频段，网络质量稍差 |
授权频段，网络质量好 |
| 能耗 |
低，特别适合电池供电 |
较低，同步与蜂窝调制有额外能耗 |
| 部署时间表 |
13年发布芯片 整个产业链相对较为成熟 |
17年上半年发布模块 产业链受频段、运营商等限制 |
| 技术优势 |
低功耗，低成本，高度灵活 |
较高传输速率和频繁通信 |
| 适合场景 |
自主区域网络 智慧农业、智能建筑、物流追踪，设备监测等 |
政府公共事业 智能电表、零售终端、自动化制造 |