文章概要

    低功耗廣域網(wǎng)技術發(fā)展如火如荼，Long Range(LoRa)以及由此而來的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系統(tǒng)在其中占據(jù)重要地位，商用化程度較高。

　　本文從描述LoRa技術當前進展開始，闡述典型LoRaWAN系統(tǒng)的組成和作用，結合大量不同環(huán)境下的網(wǎng)絡測試和應用案例，探討運營商和企業(yè)聯(lián)盟在推動低功耗廣域網(wǎng)建設方面的特點。

　　同時，展示LoRaWAN技術的部分優(yōu)勢、當前現(xiàn)狀和可預見的未來，最后分析當窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術到來以后，LoRaWAN與之共存的可能和差異化市場服務的戰(zhàn)略。

　　一 技術特點

　　1、LoRa

　　2013年8月，美國升特公司(Semtech)向業(yè)界發(fā)布了一種新型的Sub-1GHz頻段的擴頻通信芯片，最高接收靈敏度可達-148dBm，主攻遠距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線通信市場。該技術主要工作在全球各地的ISM免費頻段(即非授權頻段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。與其他傳統(tǒng)的Sub-1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收靈敏度提高20~25dB，體現(xiàn)在應用上就是擁有5~8倍傳輸距離的提升。

　　LoRa技術本質(zhì)上是擴頻調(diào)制技術，同時結合了數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術。此前，擴頻調(diào)制技術具有長通信距離和高魯棒特性，在軍事和空間通信領域已經(jīng)應用了幾十年，而LoRa的意義在于首先利用擴頻技術為工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品提供低成本的無線通信解決方案。前向糾錯編碼技術是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加一些冗余信息，數(shù)據(jù)在傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。前向糾錯編碼技術可以減少數(shù)據(jù)包需要重發(fā)的需求，而且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來，并注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包就將被送到數(shù)字擴頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特時間劃分為眾多碼片，而LoRa調(diào)制碼片的可配置范圍為64~4 096碼片/比特。通過使用高擴頻因子，LoRa可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當用戶通過頻譜分析儀測量時，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關的，而數(shù)據(jù)具有相關性。基于這點，數(shù)據(jù)可以從噪音中提取出來。擴頻因子越高，越多的數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來，接收靈敏度就可以達到更高。因此LoRa芯片的接收靈敏度最高可達-148dBm，在20dBm的發(fā)射功率下，LoRa調(diào)制的鏈路預算可達168dB。

　　2、LoRaWAN

　　在傳統(tǒng)的廣域連接應用中，主要借助電信運營商提供的蜂窩網(wǎng)絡進行連接，工業(yè)、能源、交通、物流等各行業(yè)廣泛采用蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)。但仍有大量的設備應用是現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡技術無法滿足的，比如水、電、氣、熱等計量表，市政管網(wǎng)、路燈、垃圾站點等公用設施，大面積畜牧養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)灌溉，廣泛布局且環(huán)境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數(shù)據(jù)采集，以及偏僻的戶外作業(yè)等。這些類型終端若采用現(xiàn)有運營商蜂窩網(wǎng)絡進行聯(lián)網(wǎng)，可能遇到如下問題。

　　1)信號覆蓋不足：很多設備布局在人口稀少或環(huán)境復雜的區(qū)域，運營商網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)或信號強度不足，難以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

　　2)功耗高：大量設備需要電池供電，若采用蜂窩網(wǎng)絡則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環(huán)境下很難實現(xiàn)。

　　3)費效比低：設備單次傳輸數(shù)據(jù)量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網(wǎng)絡為高帶寬設計，采用蜂窩網(wǎng)絡要占用網(wǎng)絡和碼號資源，還會產(chǎn)生包月流量費用。

　　基于以上原因，低功耗廣域網(wǎng)技術(Low Power Wide Area Network，LPWAN)成為彌補物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層短板的最佳選擇。2015年3月，由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance(以下簡稱LoRa聯(lián)盟)，聯(lián)盟是一個開放的非盈利性組織，目的在于加速LoRa技術全球商用化，主要發(fā)起成員還包括美國IBM、Cisco、法國Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業(yè)。

　　聯(lián)盟發(fā)布的LoRaWAN協(xié)議將LPWAN分成了三部分，包括節(jié)點應用、通信服務(模組和基站供應商)、云服務，數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信層包括兩級加密，數(shù)據(jù)通信更為安全。截止到2016年10月，聯(lián)盟成員數(shù)量高達400多家，其中國家級的運營商有27家，新增運營商有法國Proximus、英國Orange、美國Comcast、日本軟銀、韓國SK電信、印度TATA電信等。同時，LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈中還包括大量終端硬件廠商、模塊網(wǎng)關廠商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商等，構成了完整的LoRa生態(tài)系統(tǒng)，大大促進LoRa技術的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

　　二 系統(tǒng)架構

　　1、網(wǎng)絡架構

　　目前，基于L oRa技術的網(wǎng)絡層協(xié)議主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協(xié)議，但是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡都是星狀網(wǎng)架構，以及在此基礎上的簡化和改進。主要包括以下3種。

　　1)點對點通信。

　　一點對一點通信，多見于早期的LoRa技術，A點發(fā)起，B點接收，可以回復也可以不回復確認，多組之間的頻點建議分開，如圖1所示。單純利用LoRa調(diào)制靈敏度高的特性，目前主要針對特定應用和試驗性質(zhì)的項目。優(yōu)點在于最簡單，缺點在于不存在組網(wǎng)。

　　圖1 點對點通信

　　2)星狀網(wǎng)輪詢。

　　一點對多點通信，N個從節(jié)點輪流與中心點通信，從節(jié)點上傳，等待中心點收到后返回確認，然后下一個節(jié)點再開始上傳，直到所有N個節(jié)點全部完成，一個循環(huán)周期結束，如圖2所示。該結構本質(zhì)上還屬于點對點通信，但是加入了分時處理，N個從節(jié)點之間的頻點可以分開，也可重復使用。優(yōu)勢在于單項目成本低，不足之處是僅適合從節(jié)點數(shù)量不大和網(wǎng)絡實時性要求不高的應用。

　　圖2 星狀網(wǎng)輪詢

　　3)星狀網(wǎng)并發(fā)。

　　如圖3所示，一點對多點通信，多個從節(jié)點可同時與中心點通信，從節(jié)點可隨機上報數(shù)據(jù)，節(jié)點可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動采取跳頻和速率自適應技術，邏輯上網(wǎng)關可以接收不同速率和不同頻點的信號組合，物理上網(wǎng)關可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點上行時沖突的概率。該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)，LoRa領域內(nèi)目前主要指的是LoRaWAN技術。

　　圖3 星狀網(wǎng)并發(fā)

　　2、系統(tǒng)組成

　　點對點通信和星狀網(wǎng)輪詢的系統(tǒng)組成比較簡單，兩端都是節(jié)點，分為主從。在主節(jié)點收到從節(jié)點上行數(shù)據(jù)后會發(fā)下行確認幀給從節(jié)點，然后從節(jié)點進入休眠，工作模式比較簡單。這里主要對LoRaWAN星狀網(wǎng)并發(fā)結構進行展開說明，LoRaWAN系統(tǒng)主要分為三部分：節(jié)點/終端、網(wǎng)關/基站，以及服務器，如圖4所示。

　　圖4 LoRaWAN系統(tǒng)架構示意圖

　　節(jié)點/終端(Node)：LoRa節(jié)點，代表了海量的各類傳感應用，在LoRaWAN協(xié)議里被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節(jié)點主動上報，平時休眠，只有在固定的窗口期才能接收網(wǎng)關下行數(shù)據(jù)。Class A的優(yōu)勢是功耗極低，比非LoRaWAN的LoRa節(jié)點功耗更低，比如針對水表應用的10年以上工作壽命通常就是基于Class A實現(xiàn)的。ClassB模式是固定周期時間同步，在固定周期內(nèi)可以隨機確定窗口期接收網(wǎng)關下行數(shù)據(jù)，兼顧實時性和低功耗，特點是對時間同步要求很高。Class C模式是常發(fā)常收模式，節(jié)點不考慮功耗，隨時可以接收網(wǎng)關下行數(shù)據(jù)，實時性最好，適合不考慮功耗或需要大量下行數(shù)據(jù)控制的應用，比如智能電表或智能路燈控制。

　　網(wǎng)關/基站(Gateway)：網(wǎng)關是建設LoRaWAN網(wǎng)絡的關鍵設備，目的是緩解海量節(jié)點數(shù)據(jù)上報所引發(fā)的并發(fā)沖突。主要特點如下：1)兼容性強，所有符合LoRaWAN協(xié)議的應用都可以接入;2)接入靈活，單網(wǎng)關可接入幾十到幾萬個節(jié)點，節(jié)點隨機入網(wǎng)，數(shù)目可延拓;3)并發(fā)性強，網(wǎng)關最少可支持8頻點，同時隨機8路數(shù)據(jù)并發(fā)，頻點可擴展;4)可實現(xiàn)全雙工通信，上下行并發(fā)不沖突，實效性強;5)靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設備的靈敏度更高;6)網(wǎng)絡拓撲簡單，星狀網(wǎng)絡可靠性更高，功耗更低;7)網(wǎng)絡建設成本和運營成本很低。

　　服務器(Server)：負責LoRaWAN系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務器端下達。根據(jù)不同的功能，分為：網(wǎng)絡服務器(Network Server)與網(wǎng)關通信實現(xiàn)LoRaWAN數(shù)據(jù)包的解析及下行數(shù)據(jù)打包，與應用服務器通信生成網(wǎng)絡地址和ID等密鑰;應用服務器(Application Server)負責負載數(shù)據(jù)的加密和解密，以及部分密鑰的生成;客戶服務器(Client Server)是用戶開發(fā)的基于B/S或C/S架構的服務器，主要處理具體的應用業(yè)務和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

　　LoRaWAN系統(tǒng)的優(yōu)勢包括：覆蓋范圍廣，節(jié)省網(wǎng)絡優(yōu)化和施工成本，減少現(xiàn)場施工復雜度;服務器端鑒權可實現(xiàn)交叉覆蓋，減少覆蓋盲點;服務器端統(tǒng)籌管理，提高信道利用率，增加系統(tǒng)容量; 網(wǎng)關多路并發(fā)減少沖突，支持節(jié)點跳頻，增加系統(tǒng)容量;節(jié)點速率自適應(Adaptive Data Rate)降低功耗和并發(fā)沖突，增加容量;安全性高，兩級AES-128(Advanced Encryption Standard-128)數(shù)據(jù)加密;星狀網(wǎng)絡結構提高魯棒性;LoRaWAN協(xié)議標準化。

　　三 典型環(huán)境

　　四 業(yè)務運營

　　五 展望未來

　　LoRaWAN的未來非常值得期待，短期可預見的是基于LoRaWAN的定位技術。2016年，Semtech宣布了LoRaWAN支持定位的應用，目前有少量企業(yè)從事利用RSSI為基礎附加參數(shù)修正的定位研究，但精度都不高。而基于Time Difference of Arrival(TDOA)的多LoRaWAN基站測量定位技術更具有商用化前景，理論精度可達50m以內(nèi)，實用性更高。依照普通LoRaWAN節(jié)點平均休眠電流3μA、時間同步、無需增加其他定位芯片的特性，LoRaWAN完全有希望大規(guī)模代替現(xiàn)有的某些定位技術。較遠的距離+低功耗+低成本+可室內(nèi)室外定位的組合，是LoRaWAN有別于其他定位技術的優(yōu)勢。

　　2016年是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術國內(nèi)商用化元年，未來對LoRaWAN會形成一定挑戰(zhàn)和競爭，而LoRa相對窄帶物聯(lián)技術已有成熟商用案例。窄帶物聯(lián)技術擁有運營商的強力支持，但LoRaWAN不會被輕易取代，具有某些方面的先天優(yōu)勢。LoRaWAN允許企業(yè)搭建屬于自己的私有網(wǎng)絡，很多企業(yè)并不愿意把私有數(shù)據(jù)給別人，所以在投入成本可接受的情況下，企業(yè)寧愿部署自己的私有網(wǎng)絡并獨立運營，私有網(wǎng)絡的誘惑力巨大。物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展日新月異，每種技術路線都有其優(yōu)勢領域和不足之處，未來的技術接受程度如何，關鍵還是要靠市場來進行選擇，但最終受益的肯定是整個產(chǎn)業(yè)鏈和用戶。