LoRa簡介

LoRa是由Semtech公司提供的超長距離、低功耗的物聯(lián) 網(wǎng)解決方案。Semtech公司和多家業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)，如Cisco、 IBM及Microchip發(fā)起建立了LoRa（Long Range，廣距）聯(lián) 盟，致力于推廣其聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN技術(shù)，以滿足各種需要 廣域覆蓋和低功耗的M2M設(shè)備應(yīng)用要求。LoRaWAN目前已 有成員150多家，也有數(shù)家中國公司參與其中，并且在歐洲數(shù) 個國家進行了商業(yè)部署，國內(nèi)也開始有了應(yīng)用。

LoRa技術(shù)特點

LoRa的物理層和MAC層設(shè)計充分體現(xiàn)其對IoT業(yè)務(wù)需 求的考慮。LoRa物理層利用擴頻技術(shù)可以提高接收機靈敏 度，同時終端可以工作于不同的工作模式以滿足不同應(yīng)用的 省電需求。

LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議棧如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括 終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器等。其中終端節(jié)點包 括物理層、MAC層和應(yīng)用層的實現(xiàn)；網(wǎng)關(guān)完成空口物理層 的處理；而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負責(zé)進行MAC層處理，包括自適應(yīng) 速率選擇、網(wǎng)關(guān)管理和選擇、MAC層模式加載等。應(yīng)用服 務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取應(yīng)用數(shù)據(jù)，進行應(yīng)用狀態(tài)展示、即時 告警等。MAC層可遵循聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議，也可以 遵循各廠商制定的MAC協(xié)議。

（1）LoRa物理層和MAC層設(shè)計 LoRa為半雙工系統(tǒng)，上下行工作在同一頻段。目前國內(nèi) 單芯片支持的LoRa系統(tǒng)帶寬為2Mbit/s，包括8個固定帶寬為 125kbit/s的信道，每個固定帶寬的信道之間需要125kHz的保護帶，則至少需要2Mbit/s系統(tǒng)帶寬。每個信道支持6種擴頻 因子 SF7～12，擴頻因子加1則增加2.5dB的接收機靈敏度。

終端采用隨機信道選擇方式進行干擾規(guī)避。每次終端在 進行上行數(shù)據(jù)發(fā)送或者數(shù)據(jù)重發(fā)時，都會在8個信道中隨機 選擇一個信道進行接入。終端和網(wǎng)關(guān)的通信可選用不同的速 率即不同的SF，速率的選擇需要權(quán)衡通信距離或信號強度、 消息發(fā)送時間等因素，使得終端獲取最大的電池壽命并使網(wǎng) 關(guān)容量最大化。當(dāng)鏈路環(huán)境好的時候，可以使用較低的擴頻 因子即較大的數(shù)據(jù)速率，而當(dāng)終端遠離網(wǎng)關(guān)、鏈路環(huán)境較差 時，可以增大擴頻因子以獲取更高的靈敏度，但同時數(shù)據(jù)速 率會降低。對于125kbit/s固定帶寬的信道而言，數(shù)據(jù)速率從 250bit/s到5kbit/s，可以在一個相當(dāng)大的范圍內(nèi)進行選擇。

（2）終端工作模式

LoRa設(shè)計終端有三種不同的模式，即Class A、B和C， 但一個時間內(nèi)終端只能工作于一個模式，每種模式可由軟件 進行加載。不同的模式適用于不同的業(yè)務(wù)模型和省電模式， 目前廣泛使用的為Class A類工作模式，以適應(yīng)IoT應(yīng)用的省 電需求。

Class A（雙向終端設(shè)備）：A類終端設(shè)備提供雙向通 信，但不能進行主動的下行發(fā)送。每個終端的發(fā)送過程會跟 隨兩次很短的下行接收窗口，如圖2所示。下行發(fā)送時隙是根 據(jù)終端需要和很小的隨機量決定的，因此A類終端最省電。

Class B（支持下行時隙調(diào)度的雙向終端）：B類終端兼 容A類終端，并且支持接收下行Beacon信號保持和網(wǎng)絡(luò)的同 步，以便在下行調(diào)度的時間上進行信息監(jiān)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）: C類終端僅在發(fā) 射數(shù)據(jù)的時刻停止下行接收窗口，適用于大量下行數(shù)據(jù)的應(yīng) 用。相比A類和B類終端，C類終端最耗電，但對于服務(wù)器到 終端的業(yè)務(wù)，C類模式的時延最小。

（3）LoRa網(wǎng)絡(luò)安全

終端設(shè)備必須在與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器數(shù)據(jù)交互前的一個加入 過程完成網(wǎng)絡(luò)安全的密鑰獲取。終端在接入使用時需具備 以下安全信息：包括終端設(shè)備標(biāo)識（DevEUI）、應(yīng)用標(biāo)識 （AppEUI）和AES-128應(yīng)用密鑰（AppKey）。其中DevEUI 是唯一標(biāo)識終端設(shè)備的全球終端設(shè)備ID。AppEUI是存儲在終 端設(shè)備中的全球應(yīng)用程序ID，唯一標(biāo)識終端設(shè)備的應(yīng)用程序 提供商（即使用者）。AppKey是一個AES-128的應(yīng)用密鑰定 義于終端設(shè)備，由該應(yīng)用程序所有者分配給終端設(shè)備，從每 一個應(yīng)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(yīng)用程序提供者的控制下。每當(dāng)一個終端設(shè)備通過 加入過程加入網(wǎng)絡(luò)時，AppKey用于推演出為終端設(shè)備定義的會話密鑰NwkSKey和AppSKey，會話密鑰用于網(wǎng)絡(luò)通信的安 全保障，而應(yīng)用密鑰用于保障應(yīng)用的端到端安全。

（4）性能測試和評估

LoRa作為LPWA技術(shù)，重點關(guān)注其覆蓋、功耗和成本 等關(guān)鍵性能指標(biāo)。 

①覆蓋

由于支持?jǐn)U頻技術(shù)，不同的擴頻因子可以實現(xiàn)不同的靈 敏度要求。當(dāng)發(fā)射功率達到23dBm時，LoRa支持大約160dB 的MCL（最大耦合損耗），幾乎達到NB-IoT等全新空口設(shè) 計的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的MCL要求，可以實現(xiàn)深度室內(nèi)覆蓋目 標(biāo)。LoRa系統(tǒng)不同擴頻因子對應(yīng)靈敏度見表1。 LoRa系統(tǒng)所處頻段的干擾情況將直接影響其覆蓋性 能。從目前在上海LoRa外場470MHz和915MHz頻段的測試 情況看，470MHz噪聲基底約為-110dBm，SF12情況下最低 SINR為15dB，則470MHz實際最小接收電平約為-125dBm， 因此實際覆蓋受外界干擾影響有近10dB的損失，則相對GPRS的覆蓋優(yōu)勢不突出。915MHz頻段干擾較大，最低 RSSI達到－100dBm，無法體現(xiàn)覆蓋優(yōu)勢因此不建議選擇該 頻段。

②容量

目前LoRa系統(tǒng)主要使用Class A模式，是上行觸發(fā)下行 數(shù)據(jù)發(fā)送，不能進行資源調(diào)度，主要依靠在不同的信道上 跳頻以避免干擾，因此隨機信道選擇和碰撞規(guī)避的機制都 對系統(tǒng)容量有影響。按業(yè)務(wù)模型為50B/2h進行上報，估算 每小時成功發(fā)送的報告數(shù)，每個LoRa網(wǎng)關(guān)支持約5萬條上報 消息，超出了目前業(yè)界對LPWA技術(shù)的容量要求。對間距為 1km的4個網(wǎng)關(guān)和4000個用戶的場景進行仿真，用戶每半小 時上報一次120B的數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果如圖3所示，由于終端 信道條件不同會自適應(yīng)地選用適合的SF即不同速率進行通 信，對不同SF的總的信道占用情況進行統(tǒng)計，總信道占用 率不超過10%。

③功耗

LoRa的接收狀態(tài)電流為12mA，當(dāng)發(fā)射功率在14dBm 時，電流大約為32mA；而當(dāng)進入Sleep狀態(tài)時，電流消耗小 于1μA。而速率自適應(yīng)ADR機制可以在無線條件允許時使用 更高的速率進行發(fā)送，從而使得Tx狀態(tài)持續(xù)時間減少以降低 總的電池功耗。表2為不同覆蓋條件且不同業(yè)務(wù)模型下，自 帶5Wh電池的LoRa應(yīng)用的電池壽命（以年為單位）估算。 從估算結(jié)果看，LoRa系統(tǒng)的功耗相對于目前的蜂窩通信系統(tǒng)及窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

④時延

目前廣泛使用Class A的終端，即只能支持上行觸發(fā)下行 發(fā)送，不能支持主動的下行業(yè)務(wù)。因此對有下行主動發(fā)送的 業(yè)務(wù)而言，LoRa并不能支持相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求。同時，對上 行的數(shù)據(jù)發(fā)送而言，如需進行數(shù)據(jù)確認(rèn)，其下行的ACK必須 在上行觸發(fā)的固定下行時隙進行發(fā)送。目前上下行時隙的間 隔一般設(shè)置為1s，這意味著時延至少超過1s。由于系統(tǒng)本身 設(shè)計沒有完善的QoS機制保障可靠接收，因此其時延特性和 基于調(diào)度的蜂窩系統(tǒng)相比不具備任何優(yōu)勢。

⑤成本

LoRa目前的芯片成本約為1美金，模塊成本約為5美金， 基本實現(xiàn)了業(yè)界對LPWA技術(shù)的要求。

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