估計有不少的同學(xué)都聽說過“古墓麗影”吧，無論是在電影里，還是在游戲中，勞拉總能給我們留下深刻的印象，但是各位是否了解物聯(lián)網(wǎng)界的們勞拉呢?嗯，說的就是 LoRa，作為物聯(lián)網(wǎng)界的紅人，網(wǎng)絡(luò)充斥 LoRa 的各種介紹文章，內(nèi)容大多數(shù)千篇一律，深度上也是蜻蜓點(diǎn)水，所以咱們打算做一個系列的干貨，讓物聯(lián)網(wǎng)界的 LoRa 也能給各位零基礎(chǔ)的小伙伴留下深刻的印象。

　　這算是本系列的第一篇，咱們同樣是先來點(diǎn)鋪墊

　　1. LoRa 基本概念

　　LoRa 是美國 Semtech 公司在 2013 年開發(fā)并推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。

　　官方對 LoRa 的定義是：“LoRa? 是指由 Semtech 專門開發(fā)給長距離低功耗物聯(lián)網(wǎng)使用的擴(kuò)頻技術(shù)”。

　　這里有一個很有趣的逸聞，話說擴(kuò)頻技術(shù)最早的專利屬于下面這位美女——海蒂·拉瑪，她于 1914 年 11 月 9 日 出生于奧地利首都維也納。從小家境優(yōu)越，受到了優(yōu)良的教育，成績不錯，尤其是數(shù)學(xué)。

　　16 歲時，海蒂開始對表現(xiàn)感興趣，因此不顧父母的反對，放棄了正在攻讀的通信專業(yè)，跑到德國柏林學(xué)習(xí)表演，并于 1933 年在正式踏入電影界，而且一來就成為世界上首位全裸出鏡的女演員!

　　20 歲時，海蒂嫁給了一位親納粹的奧地利軍火商，她對其丈夫主要研究的無線電信號遙控魚雷和無線通信干擾技術(shù)非常感興趣，也參與了大量的技術(shù)討論旁聽。1938 年德國吞并奧地利之后，她與第一任丈夫離婚并作為女主角，開始了她在好萊塢米高梅公司的，全新的演藝生涯;

　　1939 年，25 歲的海蒂結(jié)識了音樂家喬治·安太爾，二人于 1940 年初構(gòu)思出了一種全新的通信技術(shù)，靈感來自于鋼琴，就像彈鋼琴時，按一個鍵發(fā)出一個頻率的音那樣，如果在兩臺鋼琴上裝上相同的打孔紙卷，則可以實現(xiàn)兩臺鋼琴的同步演奏。

　　1941年，海蒂·拉瑪和喬治·安太爾共同完成了這項研究并為他們的“頻率跳變”裝置設(shè)計申請了專利，專利說明描述了一種引導(dǎo)魚雷的通信方法，是由一種類似自動鋼琴音樂筒的裝置控制，該裝置有一個獨(dú)特的由 88 個可能的階梯組成的序列。通過在每個頻率上僅發(fā)送整個信息的一小部分，魚雷能受到操縱。

　　1942 年 8 月，他們得到美國頒發(fā)的專利證書，并將這項專利捐獻(xiàn)給美國政府，希望能夠?qū)Χ?zhàn)有幫助?？上绹?lián)邦調(diào)查局始終懷疑海蒂·拉瑪?shù)牡谝粓龌橐觯撬羌{粹份子，所以貫穿整個二戰(zhàn)，美國人從未將跳頻技術(shù)用于對納粹的戰(zhàn)爭。

　　1985 年，在“跳頻”技術(shù)基礎(chǔ)上，一家名不見經(jīng)傳的小公司在美國圣迭戈成立，悄悄地研發(fā)出 CDMA 無線數(shù)字通信系統(tǒng)。這家公司就是高通。

　　海蒂·拉瑪和克拉克·蓋博

　　好了，閑聊到此，咱們還是說正事兒，擴(kuò)頻技術(shù)主要包括 DSSS 直接序列擴(kuò)頻和 FHSS 跳頻擴(kuò)頻。

　　(1)DSSS 直接序列擴(kuò)頻(例如 WiFi)

　　所謂直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)系統(tǒng)就是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼(PN碼)擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)射端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。

　　它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說，就是將信源與一定的 PN 碼(偽噪聲碼)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。比如發(fā)射端將"1"用11000100110，而將"0"用 00110010110 去代替，這個過程就實現(xiàn)了擴(kuò)頻，而在接收機(jī)處只要把收到的序列是11000100110 就恢復(fù)成"1"，而 00110010110 就恢復(fù)成"0"，這就是解擴(kuò)。這樣信源速率就被提高了 11 倍，同時也使處理增益達(dá)到 10dB 以上，從而有效地提高了信噪比。

　　對于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，功率譜密度很低，甚至淹沒在噪音中，外界就很難檢查到信號的存在，所以保密性好。同時由于直擴(kuò)信號的頻譜密度很低，直擴(kuò)系統(tǒng)對其它系統(tǒng)的影響就很小。

　　直擴(kuò)系統(tǒng)一般采用相干解調(diào)解擴(kuò)，其調(diào)制方式多采用 BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等調(diào)制方式。

　　(2)FHSS 跳頻擴(kuò)頻(例如藍(lán)牙)

　　所謂 FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum)就是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼(PN碼)去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，但是它不是將偽隨機(jī)碼調(diào)制到無線載波上，而是用這個偽隨機(jī)碼確定離散頻率的次序，使載波頻率在傳送中不斷跳變。在接收端，由于有與發(fā)送端完全相同的完全相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，然后通過解調(diào)才能正確地恢復(fù)原有的信息。

　　而跳頻擴(kuò)頻由于頻率不斷變化、頻率的駐留時間內(nèi)都要完成一次載波同步，隨著跳頻頻率的增加，要求的同步時間就越短。因此跳頻多采用非相干解調(diào)，采用的解調(diào)方式多為 FSK 或 ASK。

　　其中 DSSS 的傳輸速率更高，而 FHSS 的抗干擾性更好。

　　1.1 LoRa?

　　我們可以理解為 LoRa 本質(zhì)上就是一種調(diào)制技術(shù)，就像經(jīng)常見到的 FSK、ASK 這種，它通過犧牲速率來換取高的靈敏度和抗干擾性。像普通的 FSK 這種調(diào)制技術(shù)，需要信號的幅值高于噪聲很多才可以有效傳輸，但是 LoRa 可以信號幅值在低于噪聲的時候也能夠有效獲取，所以能夠傳的更遠(yuǎn)，讓我們可以使用 LoRa 技術(shù)在物理層建立遠(yuǎn)距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

　　1.2 LoRaWAN

　　而 LoRaWAN 則是 Semtech 聯(lián)合了許多業(yè)內(nèi)企業(yè)，在 LoRa 的技術(shù)基礎(chǔ)上完善并設(shè)計出的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，其設(shè)計上充分考慮了節(jié)點(diǎn)功耗，網(wǎng)絡(luò)容量，QoS，安全性和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多樣性等多方面的因素。

　　這幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的火爆，Lora這個技術(shù)也得到了大力的推廣，所以我們習(xí)慣上就把 LoRaWAN 和 LoRa? 統(tǒng)稱為LoRa 了。

　　2 LoRa 大行其道的背后推手

　　我們知道每一項新技術(shù)的推廣，其背后都伴隨著龐大利益的推動，LoRa 當(dāng)然也不能免俗。

　　由 Semtech 發(fā)起的 LoRa 聯(lián)盟是一個開放的，非營利性協(xié)會，其目的是希望通過產(chǎn)業(yè)鏈上下游居領(lǐng)導(dǎo)者地位的企業(yè)和組織的大力推動和使用，不斷完善 LoRa 技術(shù)，共同構(gòu)建產(chǎn)業(yè)合作伙伴生態(tài)，最終使其成業(yè)事實上的全球化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從下圖可以看到 LoRa 在全球的部署情況：

　　LoRa 聯(lián)盟全球部署情況

　　聯(lián)盟成員來自于世界各地的各種類型組織，解決生態(tài)系統(tǒng)的各個方面。成員包括多國的電信運(yùn)營商、設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商、傳感器生產(chǎn)商、創(chuàng)業(yè)型企業(yè)和半導(dǎo)體公司。很顯然，雖然聯(lián)盟號稱是非盈利性組織，但是加入聯(lián)盟的企業(yè)成員都抱有各自的商業(yè)目的，大家都朝著共同的目標(biāo)——瓜分未來低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)市場而努力推廣 LoRa 技術(shù)。

　　3 LoRa 的特點(diǎn)和應(yīng)用場景

　　接下來各位小伙伴可以看一下官方提供的 LoRaWAN 協(xié)議層次圖。

　　LoRaWAN 協(xié)議層次

　　LoRaWAN 的特點(diǎn)是：

　　(1)長距離 ：-148dB 的靈敏度提供了長距離高穿透性的傳輸，實際測試情況是在 20dbm 的發(fā)射功率，300bps 的空中速率下，相對空曠的環(huán)境以及離地兩米時是可以傳將近 6 公里的，遠(yuǎn)大于同等條件下 FSK 調(diào)制的傳輸距離;

　　(2)低速率：前面我們說過，LoRa 的遠(yuǎn)距離是建立在低速率基礎(chǔ)上的，若采用相對較大空中速率的話，LoRa 就沒有什么優(yōu)勢了。

　　(3)抗干擾 ：-20dB 的 SNR(信噪比，就是有用信號和噪聲的比值) 提供噪聲免疫能力，實際測試情況是在低于噪聲 25~30dbm(可以理解為在很嘈雜的環(huán)境中，還能聽見對面山坡上的鳥叫)的時候還能夠把信號有效的獲取;

　　(4)高容量 ：不同的擴(kuò)頻因子可以提供高頻道重復(fù)使用率，容納更多節(jié)點(diǎn);

　　(5)低耗電 ：優(yōu)化的省電模式可使產(chǎn)品使用長時間不需更換，但是需要明確的是，這也是相對的情況。

　　3.1 應(yīng)用場景

　　綜合上述特點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn) LoRa 非常適合低速率下、遠(yuǎn)距離、通信頻次低、對實時性要求不高的應(yīng)用場合。我們可以使用它來取代 WiFi 或是 GPRS 等高耗電及短距離的應(yīng)用。這樣的場景非常多，隨便舉幾個例子：

　　(1)油田狀態(tài)感知

　　利用各種在線的、實時測量的感知設(shè)備，諸如安裝在油氣水井、管道、油氣處理、加工、儲運(yùn)設(shè)備上的各種儀表等信息傳感設(shè)備，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)服務(wù)中心和云平臺，以實現(xiàn)智能化管理。

　　(2)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　對農(nóng)業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數(shù)據(jù)，而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，更不用說 4G/LTE 了，所以 LoRa 十分適用于這樣的場景。

　　(3)水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)

　　通過數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡(luò)等在線監(jiān)測設(shè)備實時感知城市供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。

　　(4)物流追蹤

　　追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實際案例。物流企業(yè)可以根據(jù)定位的需要在需要場所部網(wǎng)，LoRa 可以提供這樣的便捷部署方案。

　　(5)智能建筑

　　在樓控自動化系統(tǒng)中，對于建筑的信息化改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監(jiān)測等傳感器并且定時的將監(jiān)測的信息上傳，方便了管理者的監(jiān)管和運(yùn)維。

　　4 LoRaWAN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

　　一個 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包含了終端設(shè)備(End Nodes)、網(wǎng)關(guān)\基站(Gateway)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(Network Server)、應(yīng)用服務(wù)器(App Server)這四個部分。網(wǎng)關(guān)和終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌渲芯W(wǎng)關(guān)是一個透明橋接，在終端設(shè)備和后臺中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間轉(zhuǎn)送訊息。下圖是官方提供的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖：

　　LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　從上面這張圖，我們可以得到如下幾方面的信息：

　　4.1 LoRaWAN 是采用星型組網(wǎng)

　　無線星型組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)屬于集中控制型網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通行控制管理，各節(jié)點(diǎn)間的通信都要通過中心節(jié)點(diǎn)。每一個要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都將要發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)送中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)送到目地節(jié)點(diǎn)。因此，中心節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜，而各個節(jié)點(diǎn)的通信處理負(fù)擔(dān)都很小，只需要滿足鏈路的簡單通信要求。

　　星型組網(wǎng)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)控制簡單，任何一個節(jié)點(diǎn)只和中央節(jié)點(diǎn)相連接，因而訪問控制方法簡單，訪問協(xié)議也十分簡單。易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理。

　　(2)故障診斷和隔離容易，中央節(jié)點(diǎn)對連接線路可以逐一隔離進(jìn)行故障檢測和定位，單個連接點(diǎn)的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。

　　(3)方便服務(wù)，中央節(jié)點(diǎn)可以方便地對各個站點(diǎn)提供服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)重新配置。

　　缺點(diǎn)：

　　(1)中央節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)重，容易形成“瓶頸”，一旦發(fā)生故障，則全網(wǎng)受影響。

　　(2)各節(jié)點(diǎn)的分布處理能力較低。

　　總的來說無線星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，便于管理，容易組網(wǎng)。

　　4.2 在接入部分包括終端和網(wǎng)關(guān)

　　在這部分官方列舉了寵物追蹤、煙霧報警、水表、垃圾桶、自動售貨機(jī)、氣體監(jiān)測這 6 個典型應(yīng)用，大家會發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)可以同時與多個網(wǎng)關(guān)通信。網(wǎng)關(guān)則對和終端之間的 LoRaWAN 協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將 LoRaWAN 數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和TCP/IP上。

　　網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn) IP 連接連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而終端設(shè)備使用無線通信單跳到一個或多個網(wǎng)關(guān)。所有終端節(jié)點(diǎn)通信一般都是雙向的，但還支持諸如組播操作或其他大量信息分發(fā)以減少空中通信時間。

　　同時，也可以想象出，單個 LoRa 終端既然和多個網(wǎng)關(guān)相連，那么它就可以選擇與其中信號最好的一個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，事實上，終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的通信以不同頻道和數(shù)據(jù)速率傳播。數(shù)據(jù)速率的選擇需要在通信距離和通信時延間做一個權(quán)衡。由于擴(kuò)頻技術(shù)，不同數(shù)據(jù)速率的通信相互間不會干擾，并會創(chuàng)建一組“虛擬”通道，增加了網(wǎng)關(guān)的容量。LoRaWAN 的數(shù)據(jù)速率范圍從 0.3kbps到50kbps。

　　4.3 在服務(wù)器部分

　　服務(wù)器是LoRaWAN 的核心，它承載了眾多原本應(yīng)在終端和網(wǎng)關(guān)側(cè)承載的重要功能，包括無線參數(shù)控制、QoS、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、節(jié)點(diǎn)漫游和增值服務(wù)：節(jié)點(diǎn)定位，節(jié)點(diǎn)自動升級等。這里可以看到的是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，事實上 LoRaWAN 還包括了另外兩種服務(wù)器，我們將在本系列后續(xù)文章中逐一來聊。