浅谈LoRa无线网络技术现状及应用

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在万物互联的物联网时代，无线通信技术自然成为实现物联网应用关注的焦点。在各种无线通信技术中，功耗低、通信距离远、低硬件成本、可连接设备数量众多的LoRa技术脱颖而出，非常符合物联网（IoT）的应用需求，受到了广大物联网用户的认可。那么LoRa究竟是怎样的技术，可以快速抢占物联网市场呢？

一．LoRa技术原理

提到LoRa技术，我们经常可以听到LoRaWAN，LoRa和LPWAN，三者一起出现让人混淆分不清楚，从字面上来看它们都和LoRa技术有关，三者具体有什么不同呢？

LoRaWAN，是一个开放标准，它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议。LoRaWAN在数据链路层定义媒体访问控制（MAC），由LoRa联盟维护。

而LoRa是Semtech拥有的专有调制格式，是LoRaWAN通信技术中物理层的一种调制技术，这三者关系可以粗略地理解为：LoRaWAN+LoRa=LPWAN。

 

那么如此适合物联网应用场景的LoRa技术是何时出现的呢？是否存在很久了呢？其实LoRa技术出现时间并不久。

LoRa 全称远距离无线电（Long Range Radio），作为一种扩频调制技术，最早由法国一家创业公司 Cycleo 推出，2012 年 Semtech收购了这家公司，并将这一调制技术封装到芯片中，基于 LoRa 技术开发出一整套 LoRa 通信芯片解决方案，包括用于网关和终端上不同款的 LoRa 芯片。自此，基于LoRa 技术的产品开始在全世界范围内推广，LoRa技术在世界范围生根发芽，慢慢浸透到了物联网应用的每个角落，信驰达科技也适时推出了LoRa产品线。

　　LoRa 主要在ISM频段运行（即非授权频段），包括 433、868、915 MHz 等。LoRa 网络构架由终端节点、网关、网络服务器和应用服务器四部分组成，应用数据可双向传输。

相较于传统的 GFSK 技术稳定性和安全性不足的短距离射频技术，LoRa 作为长距离射频技术采用了直序扩频技术，使得扩频调制后的信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。在扩频技术中，宽带无用信号与本地码序列不相关，因而不能被解扩，仍为宽带信号，可以被后续窄带滤波器滤除无关信号。扩频技术强大的抗干扰能力能够显著的提高接收灵敏度，这一能力使得LoRa实现了比其他调制技术更远的通信距离。

二．LoRa vs GFSK优势在哪里

基于LoRaWAN规范的物联网网络已经在超过100个国家实现部署，同时Semtech也是LoRa Alliance™的创始成员，该联盟是低功耗广域网络应用领域中发展最快的物联网行业组织。说到Semtech，不得不提到其经典的SX1262射频收发器。

1. SX1262射频收发器

Semtech的 SX1262射频收发器具有LoRa远程调制解调器，可提供超长距离扩频通信和高抗干扰性，保持极低的电流消耗。虽然采用低成本的晶体，晶振精度为10ppm，但是仍能实现-148dBm以上的高灵敏度。内部集成发射功率达+ 22dBm功率放大器。

LoRa射频收发器相比于同梯队的GFSK射频收发器有什么优势呢？

2. Si4463/ Si4438射频收发器

Silicon Labs公司推出的Si4463 Sub-1GHz无线射频收发器，采用GFSK调制方式，工作在142MHz至1050MHz，Si4438工作在433MHz频段。Si4463晶振精度为10ppm，发射功率最大可达20dBm，但是，接收灵敏度仅为-124dBm，接收灵敏度相差SX1262落后较多。

再看看其他厂商的GFSK射频收发器。

3.AX5043/AX5243射频收发器

AX5043/AX5243是安森美半导体一款超低功耗窄带CMOS收发芯片，采用GFSK调制方式，内部调制器和解调器完全集成在RF前端，工作在27MHz至1050MHz之间。晶振精度达到了1ppm，需要温度补偿器保持其稳定工作，晶体成本较Si4463更高，发射功率最大可达+16dBm，接收灵敏度可达到-138dB。即使加载了高精度晶振，接收灵敏度还是不及SX1262。

介绍完三款射频收发器的参数，下面来看看模块分别实测的通信距离。

SX1262模块基于20dBm输出功率，红树林环境测试，传输距离可以达到4500m。

作为SX1262前代的SX1278与SX1276通信距离会差一点，SX1278和SX1276性能几乎没有差别，SX1278主要针对于433M与470M网段的地区。SX1276则主要覆盖欧洲与北美等使用的868M和915M频段。

SI4463 模块基于19dBm输出功率，红树林环境测试，在2500米左右设备掉线。

AX5043模块基于18dBm输出功率，红树林环境测试，3600m还可以接收数据。

可以看出，在20dBm左右输出功率下，SX1262模块通信最远，其次是AX5043模块,最后是SI4463模块。

成本方面，AX5043芯片成本最低，但是由于所需晶体精度较高，整体成本算出来和Si4463相差不大，SX1262成本最高。

SX1262作为LoRa调制解调器，与Si4463/ Si4438和AX5043/AX5243传统的GFSK调制技术相比，在抗干扰能力和传输距离方面具有显着优势，解决了通信范围，抗干扰性和能耗之间无法两者兼顾的传统方案痛点。

三．LoRa的产品类型

不过，仅仅一个基于LoRa技术的射频收发芯片还远不足以撬动广阔的物联网市场，在此后的发展历程中，由于全球多家厂商发起的 LoRa 联盟，以及推出不断迭代的 LoRaWAN 规范，催生出一个全球数百家厂商支持的广域组网标准体系，从而形成广泛的产业生态，拥有丰富的LoRa系列产品。从硬件类产品，点对点产品再到LoRaWAN类产品，多层次、多样化的LoRa系列产品助推LoRa技术在物联网行业快速发展。

1.    硬件类产品，主要代表是Semtech的SX1278，SX1262，SX1301。

这些纯硬件的射频收发器,就是单纯的射频收发器，SPI传来数据的硬件部分需要客户自己开发。例如信驰达科技采用SX1278的RF-42SH LoRa无线硬件模块，已经将SX1278外围电路开发完毕，用户只需开发SPI以外的部分。

       2.    点对点类产品，以无线串口模块与数传电台为主。

电台通过LoRa技术与无线串口模块进行点对点通信，无线串口模块发送数据，电台接收数据，一收一发透明传输，是非常基础的通信模式。但是这类产品中，电台仅能与数个无线串口模块进行通信，所能通信的设备容量很少，最常见的形式是无线信号转串口通信，例如对讲机通信。

 

那么，除了单一的LoRa产品外，有没有完整的LoRa物联网方案呢？

答案是有的，LoRaWAN类产品。

3.    LoRaWAN类产品，囊括了从终端到节点再到网关的整个过程。

LoRaWAN类产品是现在LoRa技术方案中最热门的产品，因为其完整系统的通信方案，极大降低了开发周期和技术门槛，可以快速开发物联网方案，例如内部集成了温湿度传感器终端的LoRa节点，可以迅速采集数据上传至网关，推动智慧物联方案快速落地。

推动这一生态的相关技术标准、产品设计、应用案例等都是多个厂商共同参与的过程，这些也是形成目前庞大产业生态更为关键的元素，而它们并不属于 Semtech 单个公司所有，比如 LoRaWAN 规范是一个全球多个厂商共同参与的开放标准，任何组织或个人都可以根据这一规范进行产品开发和网络部署。

　　相较于大多数的网络采用网状拓朴，易于不断扩张网络规模，但缺点在于使用各种不相关的节点转发消息，路由迂回，增加了系统复杂性和总功耗。LoRaWAN 采用混合拓扑结构连接终端节点，但终端节点并不绑定唯一网关，相反，终端节点的上行数据可发送给多个网关。理论上来说，用户可以通过 Mesh、点对点或者星形的网络协议和架构实现灵活组网。

四．新政策下LoRa的前景

就在LoRa技术前景一片大好之时，工信部的公告，让LoRa的命运变得一波三折。

2018年初，工信部无线电管理局发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求（征求意见稿）》的意见，其中提到了 470-510MHz 频段的使用允许用于无线传声器，明确用于传送声音的无线电设备，而非数据；同时强调“限单频点使用，不能用于组网应用”。工信部这封针对 LoRa 组网应用的征求意见稿受到行业人士的广泛关注，使得 LoRa 网络在国内的发展一度面临困境。那么，LoRa技术是否从此就前景一片灰暗呢？

最终，在LoRa产业各界人士的努力下，工信部征求意见稿没有明确指出不能组网，而是表示可以做局域网，对具体应用也解除了限制，从而解决了 LoRa 在国内发展的不确定性问题，缓和了业内人士对LoRa未来的担忧。虽然一时之间 LoRa 的商用前景变得不够明朗。但是并没有让 LoRa 销声匿迹，在国内外业界生态伙伴的大力支持下，反而生命力愈加顽强，产业生态不断壮大。

五．国内外巨头强势入局

LoRa业界生态不断完善，也吸引了大量国内外巨头纷纷入局LoRa产业。

1.    硬件方面，国外的ST，国内的ASR和国民科技推出LoRa硬件产品

国外的ST公司推出的STM32WLE5J8z，采用48 MHz Arm®Cortex®-M4，具有64 KB的闪存和20 KB的SRAM，使用LoRa调制。

在国内，semtech授权ASR公司LoRa的使用权限，ASR公司开始在国内推广LoRa硬件产品ASR6501，内部集成高性能、低功耗的Cypress 32-bit Cortex-M0+ MCU，支持透传，集成LoRaWAN，LinkWAN协议栈与以SX1262为核心的射频收发器。

中国信息安全IC设计领域领军企业的国民技术融合了蓝牙芯片推出了超低功耗蓝牙双模 LoRa SiP 系列产品，并且还集成了安全芯片，支持 AES 和国密等算法。

国内已有上千家企业参与到 LoRa 产业生态中，呈现出大中小型企业、传统企业与互联网企业共同参与的格局。

2.    运营商方面，有腾讯、谷歌以及阿里等运营商巨头加入。

随着互联网巨头腾讯、谷歌以及阿里等云服务商相继加入LoRa 联盟，为 LoRa 的生态圈引入了强援，各企业都希望借助 LoRa 这个切入点来确立自身在物联网和产业互联网领域的地位。阿里和腾讯两大互联网巨头主推的 LinkWAN 平台和 TTN 平台对于产业链上下游的带动作用非常明显。另外，铁塔、联通以及广电等群体也开始针对 LoRa 产业进行布局，进一步促进其在各行业应用的落地。

　　LoRa 芯片是支持整个产业的重要底层元器件，但整个产业结构的形成还要靠多种力量共同努力，这种力量在国内已经形成。LoRa 相关产品灵活性较强已成业界共识，不仅仅在于能够在各种环境下自主部署网络，还在于各类开发者能够选择多个平台，快速得到开发支持。

　　近年来，LoRa 在智慧城市、智能园区、智慧建筑、智慧安防等垂直领域也有了大量落地的行业应用，目前全球大量的垂直行业中已形成 300 多个应用场景，信驰达科技也推出了多个LoRa方案，受到市场的广泛好评。

从技术生态上看：LoRa 是一种物理层的调制技术，可将其用于不同的协议中，比如 LoRaWAN 协议、CLAA 网络协议、LoRa 私有网络协议、LoRa 数据透传。随着使用协议的不同，最终的产品和业务形态也会有所不同。LoRa 联盟将 LoRaWAN 进行了标准化，以确保不同国家的 LoRa 网络是可以互操作的。截至目前，LoRaWAN 标准已建立起“LoRa 芯片-模组-传感器-基站或网关-网络服务-应用服务”的完整生态链。

六．LoRa技术的新特点

随着LoRa全球生态链建设逐步完善，LoRa技术出现了新的特点。

1.    LoRa对外授权IP，不再是semtech独家供应。

LoRa 技术作为Semtech 公司的专利，其 LoRa 芯片产品期初也是独家供应，但单一的 LoRa 产品必然会带来产品价格、功能等方面的局限性。

2018 年 Semtech 开始改变传统的独家产品营销模式，授权 IP 给一些公司做 LoRa 产品。在2018杭州云栖大会万物智联峰会上，阿里云IoT联合ASR（翱捷科技）共同发布了超小尺寸、采用超低功耗LoRa1262集成的单芯片 ASR6501，该芯片已获得Semtech公司LoRa芯片半导体知识产权（IP）授权，形成了多供应商的市场供应局面。

LoRa 芯片供应厂家通过走差异化路线，融合不同功能的芯片，满足更多差异化应用的需求，如 LoRa＋GPS 获取位置信息，LoRa＋BLE 与本地近场设备连接通信，LoRa＋安全芯片增强设备的安全性等，来共同做大物联网市场。

 2.    SiP封装芯片拥有更多产品特性。

从 LoRa 产品最终产品形态来看，基本还都是做系统级封装（SiP）产品。在需求多变，市场不确定的情况下，做 SiP 封装产品仍是一个不错的选择。而且异质的芯片封装也让 SiP 封装技术拥有了比 SoC 更多的产品特性，先进的封装技术也满足了物联网产品小型化、功能多样化的发展需求。群登科技开发出的LoRa+MCU+GPS SiP解決方案S76G/S78G，不仅将现有的LoRa+MCU的方案上再加上GPS的功能，同時保持其产品的微小化特性，尺寸为1.1x1.3cm。国外方面，微芯科技旗下产品SAM R34/R35 是一个高度集成 LoRa系统级封装（SiP）系列产品，包含了超低功耗、高性能 32 位微控制器（MCU）、LoRa 收发器和软件协议栈。

 3.    LoRa低成本的优势将吸引更多应用落地。

LoRa最大的优势就是低功耗，易组网，成本低，传输距离远等等，可以满足长时间的运作，电池供电使用时间长达数年。LoRa很适合局部领域的需求，还可以覆盖到全国。目前全球大概有数百万个物联网节点运用LoRa技术，在低成本的吸引下，越来越多的物联网应用开始选择LoRa，随着全球LoRa终端产品达到亿级，LoRa产品的成本将变得更低，吸引更多低成本需求的方案应用商选择LoRa。

国内拥有semtech原厂的全力支持，得以针对市场提供高度整合的解决方案，且在原厂伙伴的共同推广下，LoRa的应用范围及便利性将提升至更高水准。ASR（翱捷科技）专注于LoRa芯片的开发，自发布第一款LoRa芯片至今，出货量已超300K，已有包括模组厂和系统方案商在内的数十家合作伙伴。深圳信驰达、门思科技、光宝科技等十余家专注于模块模组开发的客户已采用ASR6501芯片设计出小尺寸的模组。上海顺舟、深圳信驰达、杭州金卡智能等系统方案商也在使用ASR6501芯片升级方案。

例如信驰达科技的RF-AL42UH模块采用了ASR6501芯片-国内首款、采用超低功耗LoRa 集成的单芯片SoC，是国内首个通过阿里IoT技术认证的模块，内部集成高性能、低功耗的Cypress 32-bit Cortex-M0+ MCU，支持透传，集成LoRaWAN，LinkWAN协议栈与以SX1262为核心的射频收发器。RF-AL42UH不仅支持阿里云主导的Link WAN，还通过非常严格的射频指标测试，适用于多种物联网云端的应用场景。ASR6501配套发布的软件SDK，可以轻松地连接上阿里云平台或标准LoRaWAN基站，是目前LPWAN应用芯片最好的选择。

　　中国市场作为 LoRa 全球生态建设中非常重要的部分。2018 年，阿里巴巴、腾讯、京东等互联网巨头均以最高级别会员身份加入 LoRa 联盟，同时，克拉科技、地方广电、浙江联通、联通物联网公司等 LoRa 生态伙伴也开始在各地积极部署 LoRa 网络。

　　未来，或许会有更多的 LoRa芯片供应商，加入LoRa联盟，共同推动LoRa技术的良性发展。采用 LoRa 通信的物联网项目中包含非常多的技术和元素，很多价值远远超过通信本身，未来发展中，物联网业界应该更多聚焦于应用价值的创造，而LoRa技术将帮助方案商利用LoRaWAN在物联网时代赢得先机，信驰达科技将会为LoRa方案落地提供更好的服务。