远距离无线电

什么是LoRa

LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高，要想马儿不吃草还要跑得远，好像难以办到。LoRa的名字就是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的特性

传输距离：城镇可达2-5 Km ，郊区可达15 Km 。工作频率：ISM 频段包括433、868、915 MH 等。标准：IEEE 802.15.4g。调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa 节点。电池寿命：长达10年。安全：AES128加密。传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。

LoRa和LoRaWan

LoRa和LoRaWan很容易混淆。

LoRaWan协议栈

上图可以看出，LoRa是LoRaWan的一个子集，LoRa仅仅包括物理层定义，LoRaWan还包括了链路层。

LoRaWan网络架构

这张图片是LoRaWan的网络架构图，左边是各种应用传感器，包括智能水表，智能垃圾桶，物流跟踪，自动贩卖机等，它右边是LoRaWan网关，网关转换协议，把LoRa传感器的数据转换为TCP/IP 的格式发送到Internet上。LoRa网关用于远距离星型架构，是多信道、多调制收发、可多信道同时解调。由于LoRa的特性可以同一信道上同时多信号解调。网关使用不同于终端节点的RF器件，具有更高的容量，作为一个透明网桥在终端设备和中心网络服务器间中继消息。网关通过标准IP连接连接到网络服务器，终端设备使用单播的无线通信报文到一个或多个网关。

其实LoRaWan并不是一个完整的通信协议，因为它只定义了物理层和链路层，网络层和传输层没有，功能也并不完善，没有漫游，没有组网管理等通信协议的主要功能。

Lora物理帧结构

LoRa的报文分为上行和下行。上行是从传感器到LoRa网关的，下行是LoRa网关到传感器的，仅仅作为回复。

上行报文上图是上行报文，包括一个前导码，包头和包头的CRC值，后面是数据，最后是CRC校验。

下行报文无线通信网络之LoRa技术

由于耗电和成本等方面的问题，业界预测到2020年物联网（IOT）500亿个无线节点中只有不到10%的使用GSM技术。尽管电信运营商具有建设和管理这样一个大规模网络的最突出的优势，但是需要一个远距离，大容量的系统以巩固在依靠电池供电的无线终端细分市场——无线传感网、智能城市、智能电网、智能家居、安防设备和工业控制等方面的地位。对于物联网来说，只有使用一种广泛的技术，才可能使得电池供电的无线节点数量达到预计的规模。

LoRa 作为低功耗广域网（LPWAN）的一种长距离通信技术，近些年受到越来越多的关注。

LoRa技术

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控（FSK）调制作为物理层，因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制。

LoRa 是基于线性调频扩频调制，它保持了像 FSK 调制相同的低功耗特性，但明显地增加了通信距离。

LoRa 技术本身拥有超高的接收灵敏度（RSSI）和超强信噪比（SNR）。此外使用跳频技术，通过伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱，防止定频干扰。

目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa的最大特点就是：传输距离远；工作功耗低；组网节点多

LoRa网络架构

在网状网络中，个别终端节点转发其他节点的信息，以增加网络的通信距离和网络区域规模大小。虽然这增加了范围，但也增加了复杂性，降低了网络容量，并降低了电池寿命，因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息。当实现长距离连接时，长距离星型架构最有意义的是保护了电池寿命。

如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率 20dBm，（100mW），那么在高建筑密集的城市环境可以覆盖 2 公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达 10 公里。该网关/集中器还包含 MAC 层协议，对于高层它是透明的。

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可双向传输。

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信。

LoRa终端设备

LoRa的终端节点可能是各种设备，比如水表气表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。这些节点通过LoRa无线通信首先与LoRa网关连接，再通过3G网络或者以太网络，连接到网络服务器中。网关与网络服务器之间通过TCP/IP协议通信。

LoRa网络将终端设备划分成A/B/C三类：

Class A：双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信，每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输时隙是基于其自身通信需求，其微调基于ALOHA协议。

Class A设备的功耗最低，基站下行通信只能在终端上行通信之后

Class B：具有预设接收时隙的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。

Class B终端可以使基站知道终端正在接收数据

Class C：具有最大接收窗口的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口，只在传输时关闭。Class C设备拥有最长的接收窗口，也最耗电