物聯網LoRa技術的應用與發展

蔣武洲，周海東，劉 福，張 博

(北京奧特維科技有限公司，北京 100015)

1 LoRa技術原理

1.1 LoRa技術概念

物聯網應用中的無線技術有多種，從傳輸距離上可劃分成兩類，一類是短距離通信技術，包括ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等；另一類是長距離無線通信技術，包含無線廣域網(Wireless Wide-Area Networks，WWAN)和低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Networks, LPWAN)等。低功耗廣域網技術是近年國際上一種革命性的物聯網接入技術，LoRa便屬于此技術領域。

LoRa基于線性調頻擴頻調制，保持與FSK調制相同的低功率特性并顯著增加了通信距離，改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。LoRa主要在全球免費頻段運行(即非授權頻段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa網絡主要由終端(內置LoRa模塊)、網關(或稱基站)、應用服務器和云存儲幾部分組成，應用數據可雙向傳輸。

LoRaWAN(LoRa Wide-Area Networks)定義了通信協議和系統架構，規定使用LoRa技術的端到端標準規范，包括物聯網市場安全、能源效率、漫游和配置入網(on-boarding)等，為LoRa聯盟成員的規范。

1.2 LoRa技術特點

(1)通訊范圍大

LoRa的優勢在于該技術的長距離通信能力，其是基于線性調頻擴頻調制，它保持了像 FSK 調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離，其高達157 db的鏈路預算使其通信距離可達15 km，單個網關或基站可以覆蓋整數百平方公里(覆蓋范圍在很大程度上取決于周邊環境或障礙物)。在比利時部署的Proximus網絡，只用極少量的基礎設施，便覆蓋整個國家的大部分地區。

(2)低功耗/電池壽命長

LoRa是低功耗廣域網通信技術中的一種，是物理層或無線調制用于建立長距離通信鏈路。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延長了電池的使用壽命。許多傳統的無線系統使用頻移鍵控(FSK)調制作為物理層，因為它是一種實現低功耗的非常有效的調制。LoRaWAN網絡中的節點是異步的，并且無論是事件驅動還是調度都是在數據準備好發送時進行通信。在GSMA最近對LPWAN領域的各種技術進行的研究和比較中，與所有其他技術選項相比，LoRaWAN在功耗表現上顯示出3～5倍的優勢。

(3)抗干擾性強

LoRa技術本身擁有超高的接收靈敏度(RSSI)和超強信噪比(SNR)，使用跳頻技術，通過偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜，防止定頻干擾。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(Concentrator/Gateway)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。

(4)網絡容量大

為了使遠程星形網絡可用，網關必須具有非常高的容量或能力來接收來自大量節點的消息，基于LoRa的大容量基站每天可支持數百萬條的消息，而單個基站可支持數千臺設備。高網絡容量在LoRaWAN網絡是在網關通過利用自適應數據率和使用多信道多調制解調器收發器實現,同時可在多個渠道收到消息。

(5)成本低

免牌照的頻段、基礎設施成本低、節點/終端成本低的特性，使LoRa和LoRaWAN的鏈路花費要少于任何其他標準化通信技術。線性擴頻已在軍事和空間通信領域使用了數十年，因為其可以實現長通信距離和干擾的魯棒性，而LoRa是第一個用于商業用途的低成本實現。

(6)網絡安全性高

對于任何LPWAN來說安全性都是非常重要的。LoRaWAN可很好的保護數據和隱私，它是市場上LPWAN領域最安全的解決方案，128AES加密從傳感器到應用服務器和后臺的所有數據都在多個級別上進行加密。

LoRaWAN使用了兩層安全性：一層用于網絡，另一層用于應用程序。網絡安全保證了網絡中節點的真實性，而安全應用層保證了網絡操作員無法訪問終端用戶的應用數據。AES加密與密鑰交換一起使用，使用的是IEEE EUI64標識符。

(7)技術生態體系完善

LoRaWAN擁有多種商業模式、合理競爭和多樣化生態體系、具備行業領導者等極大的促進了其擴展規模和快速實施。同時，LoRa采用開放的標準和專有技術也是其被認可和廣泛部署能的保證。各種網絡組件的選擇，網關、終端設備、云網絡服務器與芯片、開發工具包和最終產品來自許多不同的供應商，可為運營商或最終用戶提供不同解決方案。

2 LoRa應用場景

LoRa 技術在高性能、遠距離、低功耗，支持大規模組網、測距和定位等方面突出的特點，使得該方案(終端+LoRa基站)成為物聯網大規模推廣應用的一種理想的技術選擇。實際上，目前全球已有52張LoRa網絡覆蓋100多個國家，LoRa更適合企業用戶對自主性、快速性要求高，對連續覆蓋、深度覆蓋要求高的場景。國內市場對于LoRaWAN協議的采用主要聚焦于針對智能城市、智能建筑、智能家居、智能農業和工業等垂直領域。

(1)智慧農業

對農業來說，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用對于農業提高產量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期上傳數據，而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡，更不用說4G/LTE了，而通過LoRa技術搭建私有物聯網十分適用此類場景[1]。

(2)智慧工廠

采用LoRa網關/基站進行工廠無線信號全覆蓋，同時在工廠各個數據采集節點安裝LoRa模塊，實現對生產周期的數據動態全采集，根據工廠的實際需求實時信息采集。信息傳輸到系統管理平臺后進行數據系統分析和優化，然后準確傳輸到WEB服務系統或者手機APP系統實現生產管理人員同步了解生產過程中需要的信息，做到信息存儲的高度安全，信息獲取的靈活及時。

(3)物品追蹤

在此領域追蹤系統的成本以及終端的電池續航都非常重要，因此適合利用LoRa技術進行追蹤。企業可以根據定位需要在場所部署網絡，LoRa可以提供快速便捷部署方案。例如，在運送過程中，貨品有大部分的時間會被放置在倉庫，或是通過卡車分送至各地，只需要在倉庫、物流網涵蓋區，甚至是卡車上裝備LoRa網關，就能讓貨品上的追蹤器連至網絡。企業加強了管理與效率，并能避免貨品遺失；消費者也能掌握貨品流向以及時程。共享單車企業Ofo將LoRa器件和無線射頻技術裝備進其單車中，以補充其授權頻譜連接選項來實現完整的網絡連接，從而實現在偏遠地區和密集建筑群中的覆蓋，實現有效定位單車。

(4)智能建筑

對于建筑的改造，加入安全管理、環境監測、設備管控等傳感器并且定時的將監測的信息上傳，方便了管理者的監管和運維。通過LoRa基站與窄帶物聯網智能門禁終端進行連接，實現門禁的實時管控、人工管控、時段管控、一鍵鎖定、一鍵開門等智能管控模式，物聯網門禁將人防與技防相結合，實時掌控人員通行信息，為安全防范把控好第一道門。通過窄帶物聯網智能管控終端與物聯網智能照明開關進行連接, 實現定時管控、智能管控等，窄帶物聯網照明將分離式與集中式控制模式二合一，靈活應用節省用電量。一臺LoRa基站具備最高控制上萬臺門禁/燈具，無線支持可視10 km的范圍。

(5)物聯網報警

采用LoRa技術的環境探測智能終端(溫濕度、火災煙感、水位、有害氣體等)進行連接，可靈活布置終端報警點，實現區域報警，遇到警情時可快速反應上報。適用在不便于施工的歷史古建筑、臨時大型活動場所監測等場景。

(6)停車管理

針對城市道路/停車場停車難、亂收費、上下信息不對稱等管理問題，通過窄帶物聯網技術，在停車位上布設LoRa傳感器時，安裝過程不用考慮線路問題，節省大量施工成本。1個LoRa網關即可管理數百個車位的LoRa傳感器，實時監控車位狀況，全面控管車位使用情形。

(7)燃氣無線抄表

LoRa擴頻技術在民用燃氣無線抄表的應用，由公司主站管理系統、小區集中器及手持機和用戶端擴頻表組成，擴頻無線表可提供主動與被動兩種喚醒抄表模式，滿足燃氣企業不同的業務需求。這種方案有效解決無線表必須采用具間組網或外掛中繼器來延長傳輸距離的技術短板，打通了智能抄表應用最后一公里的數據通道[2]。

3 發展趨勢

LoRa技術起初是由一家法國公司Cycleo開發的一種擴頻無線調制專利技術，2012年被美國Semtech公司收購之后，Semtech對該技術進行了強有力的營銷。為了引進其他公司包括部分移動運營商參與到LoRa生態系統中，在2015年2月的巴塞羅那移動世界通信大會上成立了LoRa聯盟，由HP、Cisco、IBM、Foxconn、Semtech等多家廠商共同發起創立，是一個開放的非營利組織，聯盟成員擴展速度很快，到目前為止有500多個成員，聯盟成員包括跨國電信運營商、設備制造商、系統集成商、傳感器廠商、芯片廠商和創新創業企業等，這些成員涵蓋歐洲、北美、亞洲、非洲等地域。經過幾年的發展，LoRa技術現在已經形成了從芯片到解決方案的完整物聯網生態系統。

在國際上，LoRaWAN已在40多個國家建網，350多個城市進行試點，擁有67個網絡運營商。在美國，Senet的網絡覆蓋了23個州的225個城市，最大的有線電視公司Comcast采用LoRa技術，首先將在費城和舊金山地區完成網絡部署，并提供計量相關(抄表等)、環境監測相關(溫濕度、污染、噪聲監測等)和追蹤定位相關等服務；在法國，Orange已在法國完成LoRaWAN網絡全國覆蓋；在印度，Tata在Mumbai和 Delhi建網，并投入物流業使用；在澳大利亞，Telstra已在墨爾本進行試點；在韓國，SK電信在2016年上半年就部署了覆蓋全國的LoRa網絡，提供基于LoRa的物聯網服務，并公布收費方式。2018年5月底，Google Cloud作為贊助者會員加入LoRa聯盟，Google做出加入LoRa聯盟的決定意味著LoRaWAN協議和LoRa技術已經作為物聯網連接的事實標準在全球范圍內被采用。

在國內，LoRa聯盟成員中包含中興通訊在內有40多家中國成員企業，作為國內LoRa技術的領軍企業，中興通訊在2016年初發起成立了中國LoRa應用聯盟(CLAA)，并于2016年底成立了一家聚焦于LoRa技術的子公司中興克拉科技有限公司(ZTECLAA)，CLAA成員已經超過880家，擁有100多種應用類型，40多個商用，同時蘇州工業園的CLAA總部也正式開放[3]。2017年LoRa聯盟成員中興克拉新增10個城市級LoRa網絡覆蓋，國內已有超過13982個LoRa網關和153000個LoRa節點安裝。目前，國內已有3個公開發布的LoRa網絡，包括覆蓋整個貴州省的貴州中安云網、覆蓋廣州南沙區(803平方千米)的廣州中國科學院計算機網絡信息中心的網絡以及覆蓋西安北林區的陜西廣電網絡。此外，中國還有16個私有/試驗的LoRaWAN(>10 GWs)網絡并已安裝了1 732個網關。

2018年4月，Semtech宣布阿里云與中國聯通浙江省分公司聯合在中國杭州與寧波部署的基于LoRa技術的物聯網平臺開始試商用。阿里云將支持由基于LoRa的傳感器催生的一個豐富的生態系統，阿里巴巴已在自有業務場景中開展了LoRaWAN實驗，比如菜鳥園區總建筑面積大概20萬平方米，這個園區用了4個LoRa的微型網關和4個基站，就覆蓋了整個園區。中國聯通浙江省分公司將于2018年年底之前在杭州和寧波部署一個基于LoRa技術的LoRaWAN網絡，以擴大其物聯網網絡服務的范圍。

2018年8月，騰訊宣布在最高層面加入LoRa聯盟，意味著LoRa在全球以及中國市場上的發展步伐正在不斷加速。騰訊已經在LoRaWAN技術和應用方面進行了相關投資，并將支持LoRaWAN生態系統的進一步發展。騰訊還宣布計劃在深圳與當地合作伙伴共同建立一個LoRaWAN網絡，在其網絡上為各種物聯網應用和終端用戶(如政府公共服務)提供從設備、邊緣到云端的LoRaWAN一體化解決方案。

3 結束語

近幾年LoRa技術得到快速發展，基于LoRa的解決方案對物聯網行業的持續增長起到重要的推動作用，但此項技術和市場總體仍處于起步階段，還需要參與各方的持續投入和共同發展，直到實現大規模部署時才能完全發揮其優勢。在這新一波的窄帶物聯網發展行情中，建議國內企業先把項目落地，LoRa技術不僅僅需要產品的創新，更需要項目應用的創新。同時就技術方案而言，在短時間內，LPWAN領域會有其他技術(如NB-IoT)與LoRa并行使用，它們技術上并無明顯高低，主要是根據不同類別的服務需求而適用在不同的細分應用領域。因此，做到更佳的贏利模式，做到與應用行業的緊密結合，才是行業內各企業應該關注的重點。