一种低功耗局域网无线标准 -- LoRa

[导读]LoRa是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗与传输难覆盖距离的矛盾问题。

LoRa是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗与传输难覆盖距离的矛盾问题。一般情况下，低功耗则传输距离近，高功耗则传输距离远，通过开发出LoRa技术，解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远的技术问题，实现了低功耗和远距离的统一。LoRa实际上是物联网(IoT)的无线平台。Semtech的LoRa芯片组将传感器连接到云端，实现数据和分析的实时通信，从而提高效率和生产率。LoRaWAN开放规范是基于Semtech LoRa设备的低功耗广域网(LPWAN)标准，利用工业、科学和医疗(ISM)频段的未经许可的无线电频谱。LoRa Alliance(一个非营利协会和快速发展的技术联盟)推动了LoRaWAN标准的标准化和全球协调。 [2]LoRaWAN标准为农村和室内使用情况中的实际问题提供了高效、灵活和经济的解决方案，在这些情况下，蜂窝、Wi-Fi和蓝牙低功耗(BLE)网络是无效的。 [2]LoRa设备和LoRaWAN标准为物联网应用提供了引人注目的功能，包括远程、低功耗和安全数据传输。该技术被公共、私有或混合网络所利用，并提供比蜂窝网络更大的范围。部署可以轻松集成到现有基础设施中，并支持低成本电池供电的物联网应用。LoRa芯片组集成到由大型物联网解决方案提供商生态系统制造的设备中，并连接到全球网络。简单地说，LoRa将设备连接到云，为事物提供“声音”——使世界成为一个更美好的生活、工作和娱乐场所。

‌LoRa(Long Range Radio)是一种基于扩频技术的低功耗广域网(LPWAN)通信技术，专门设计用于物联网(IoT)设备的远距离通信‌。LoRa通过扩展信号的带宽来提高传输距离和抗干扰能力，能够在低功耗的情况下实现长距离的数据传输，适合用于需要长期稳定运行的设备，如传感器和远程监控系统‌12。

LoRa的基本原理和关键参数

LoRa采用了扩频调制技术，通过扩展信号的带宽来增加传输距离和抗干扰能力。其关键参数包括：

‌扩频因子(Spreading Factor, SF)‌：决定了信号的扩展程度，较高的SF值提供更长的通信距离和更好的抗干扰能力，但会降低数据传输速率。

‌信号带宽(Bandwidth, BW)‌：影响传输速率和抗干扰能力，较大的带宽提供更高的数据传输速率，但可能增加对其他信号的干扰。

‌编码率(Coding Rate, CR)‌：用于表示数据的纠错能力，较高的编码率提供更强的错误修正能力，但会减少有效的数据传输速率‌3。

LoRa的应用场景和优势

LoRa因其超长传输距离、极低功耗和低成本特性，在多个领域得到广泛应用，包括：

‌智慧农业‌：用于农田监测、灌溉控制等。

‌智慧城市‌：智能交通、环境监测等。

‌工业物联网‌：设备监控、数据采集等。

‌智能家居‌：智能照明、安防等。

LoRa的主要优势包括：

‌远距离传输‌：采用扩频技术，传播距离可达50公里。

‌低功耗‌：在发射17dBm信号时电流仅为45mA，接收信号时电流仅为5mA。

‌抗干扰能力强‌：能够在噪声环境下有效解调信号。

‌易于部署‌：网络扩展简单，可根据现场环境合理部署基站‌12。

LoRa(Long Range Radio)是一种专为物联网设计的低功耗、远距离无线通信技术，可实现传感器与云端的高效实时通信。其核心优势在于低功耗、广覆盖、大容量网络及灵活部署，适用于智能电表、环境监测、农业自动化等场景。

1. 技术特点与优势

LoRa采用扩频调制技术，在相同功耗下传输距离远超传统无线技术(如Wi-Fi、蓝牙)。典型通信距离城市环境达2-5公里，郊区可达15公里。其终端设备电池寿命可达数年，支持星型网络结构单网关连接数千节点，采用AES-128加密保障数据安全，且工作在免授权频段(如868MHz/915MHz)，显著降低部署成本。

2. 典型应用场景

• 智慧城市：远程抄表(水/电/气)、智能路灯控制

• 农业物联网：土壤温湿度监测、气象站数据回传

• 工业领域：设备状态监控、仓库资产追踪

• 应急管理：山体滑坡监测、森林火灾预警系统

物流追踪：追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在场所部网，LoRa可以提供这样的便捷部署方案。

智慧水务：在水表上面安装相应的LoRa模组，可以节省人力成本的同时，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，从而达到“智慧”的状态。

智慧农业：对农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温度、湿度、盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义。这些传感器需要定期地上传数据，而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，更不用说4G/LTE了，而LoRa十分适用于这样的场景。

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。

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。