基于LoRa技术实现MESH组网的LoRaMESH技术简介

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随着现代社会通信技术不断迭代升级，加之智能手机的广泛普及，我们基本上实现了人与人之间随时随地的信息互联。从早期打破传统信件时空限制的电报技术，到现在，我们拥有了即时传送图片、音频、视频等多媒体的通信技术，通信技术手段不断更新换代，已经十分强大。

但是，通信技术发展到现在这个程度，还远远不够。

一、物联网领域现状

除了人与人之间的相互联系，随着人们对技术的追求，对生活的追求，渐渐把目光移到了物与物之间的相互联系，即现在通信行业最火热的物联网（IoT）。

物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书，在书中，比尔盖茨首次提及物联网概念，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。

但是，比尔盖茨提及的物联网如今在全球范围内掀起了万物互联的技术热潮。

随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。各式各类的无线传输产品广泛应用在智能电网、能源计量、工业控制、智能家居和智能农业等物联网行业领域，作为物理系统信息本地数据收集、传输的载体，实现数据的物联网化。

预计到2020年，全球活跃的物联网设备数量将达到100亿台，到2025年将达到220亿台。

物联网应用需要考虑许多因素，例如节点成本，网络成本，电池寿命，数据传输速率，延迟，移动性，网络覆盖范围以及部署类型等。在物联网行业快速发展的过程中，无线通信技术也在不断发展。信驰达科技在这场物联网浪潮中快速发展，成为物联网的领军者。

其中我们不得不提到NB-IoT技术，即窄带物联网技术。

1.NB-IoT技术

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。 

NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。 

NB-IoT和它的兄弟eMTC，都是基于4G LTE技术“改造”出来的蜂窝物联网技术。

早在2008年，LTE的第一个版本R8 (Release 8)中，除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外，也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat.1，可用于物联网等“低速率”应用。

在LTE发展初期，Cat.1并没有被业界所关注。但是，随着可穿戴设备的逐渐普及，Cat. 1逐渐被重视起来。在R12/R13中，3GPP多次针对物联网进行优化。

首先是在R12中增加了新终端等级Cat.0，放弃了对MIMO (多天线) 的支持，简化为半双工，峰值速率降低为1Mbit/s，终端复杂度降低为普通LTE终端的40%。这样一来，初步达到了物联网的成本要求。3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端，信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz，终端复杂度进一步降低。

而Cat.M1，也就是我们的eMTC。此外，3GPP在R13中同时新增了一个Cat.NB-1，它的接收带宽仅180kHz，更低。这个Cat.NB-1，就是我们的NB-IoT。

NB-IoT拥有4大特点：

1)       覆盖面积更广（NB的信号增益比LTE更好，信号传播距离更远）

2)       终端功耗更低（NB物联网终端的耗电很低，极端条件下，可以撑10年）

3)       连接数更大（单位面积里，可以连接更多的终端数量）

4)       成本更低（NB通信模组功能简单，成本更低）

 

2.LoRa技术

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。基于LoRa技术的LoRaWAN网络也在快速发展。

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。

除此之外，LoRa还具有远距离、易布置、寿命长、成本低等特点。

LoRa技术相较于传统的 GFSK 技术抗干扰能力有什么区别？GFSK 技术跟中心频率相差比较大的干扰源信号，都不会被误认为是GFSK信号，所以不会形成干扰。但是GFSK对中心频率差不多的信号，对抗干扰性是致命的。对比稳定性和安全性不足的短距离射频技术GFSK，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。

 

3. NB-IoT和LoRa适用范围和成本对比

但是NB-IoT和LoRa由于授权频谱和技术底层的原因，其覆盖范围和成本会有区别。

（1）NB-IoT适用范围和成本

由于NB-IoT技术基于蜂窝网络的无线通信技术，如果物联网应用选择使用NB-IoT技术，那就要受制于蜂窝网络的网络覆盖，如果你的物联网应用处于偏远的郊外或者山区，没有部署支持NB-IoT的基站覆盖，那基于NB-IoT的物联网接入将无法成功实施。

正是因为NB-IoT基于蜂窝网络，即使NB-IoT成本较低，但是如果使用蜂窝网络，便不可避免地要付给移动运营商流量使用费，成本便会增加，模块成本将在5-10 $之间。

（2）LoRa适用范围和成本

而LoRa工作于未授权的ISM频道，我们可以使用LoRa模块及LoRa网关来自行组网，无需依赖移动运营商网络的基站信号覆盖，也无需支付给运营商们网络流量使用费。虽然LoRa工作在未授权频谱，有大量的设备会工作在该频段，信道有可能会被其他的无线通信应用所干扰，但LoRa技术基于线性Chirp扩频调制，其技术已经在在军事和航天通信方面应用了数十年，大可不必过于担心LoRa抗干扰的能力。

覆盖信号方面，NB-IoT<25km，LoRa<11km，相比下LoRa稍差一些。

在模块的费用上，LoRa是不会高于5美元，NB-IoT模块成本将在5-10$之间。NB-IoT网络的复杂性越高，授权频段方面费用更高，提高了NB-IoT的总成本。NB-IoT升级到先进的4G/ LTE基站比LoRa通过工业网关或塔顶网关部署更昂贵。随着市场越来越成熟，LoRa技术的成本预计将进一步下降，信驰达科技采用LoRa技术的通信模块凭借较低的成本，迅速打开LoRa市场。

 

4.NB-IoT及LoRa政策

（1）NB-IoT政策

2020年5月7日，工信部办公厅正式发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》，这是2020年度专门针对物联网领域的首个文件。

工信部认为，移动物联网（基于蜂窝移动通信网络的物联网技术和应用）是新型基础设施的重要组成部分。为此，《通知》还要求，到年底前，要推动NB-IoT模组价格与2G模组趋同，引导新增物联网终端向NB-IoT和Cat1迁移；打造一批NB-IoT应用标杆工程和NB-IoT百万级连接规模应用场景。

为实现以上目标，《通知》提出，在保障存量物联网终端网络服务水平的同时，引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络，推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G（Cat1）/5G网络迁移。经过前期积累，NB-IoT今年将在政策的支持下迎来爆发式增长。

预计到2020年，中国即将建成超过150万个NB-IoT基站，该网络完全可以基本实现全国覆盖以及室内、交通路网、地下管网等的深度覆盖；到2025年，预计NB-IoT基站规模将达到300万。NB-IoT基站的规模化建设将为我国的物联网应用产业的发展奠定坚实基础。

 

（2）LoRa政策

了解了NB-IoT政策后，我们来看看LoRa政策。

2019年11月28日工信部官方公开发布了《微功率短距离无线电发射设备相关公告》（2019年52号公告）。

 

其中公告中提到的：使用微功率设备必须承受其他合法的无线电台(站)的干扰，在《中华人民共和国无线电频率划分规定》规定的工业、科学及医疗(SM)应用频段内使用微功率设备，还应当承受ISM应用设备产生的射频能量的干扰。微功率设备受到于扰时不受法律保护，但可向当地无线电管理机构报告。

不少LoRa从业者指出，针对LoRa等非授权频谱微功率设备来说，无线电管理局在调研论证基础上，每次文件出台都对原有严格监管制度有所放松。例如：在2017年第一版《征求意见稿》中，针对470-510MHz频段设备有严格的“不能用于组网”规定，而正式公告中则规定“限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围组网应用”；2018年第二版《征求意见稿》中提出“微功率设备应采用一体化天线，并安装在完整的机壳内”，正式公告中已将该规定删除。这些内容都是在充分征求业界意见基础上所做的修改。

一些网上言论为博取眼球，往往危言耸听，冠以“封杀，禁止”某行业的标题，大范围传播流行，给外界一种政府粗暴干涉市场行为的印象。其实在“放管服”的政府改革推进中，政府这只“看得见的手”基本避免对市场粗暴、直接的干涉，更多通过产业政策进行引导，并提升科学决策的能力。在这一大背景下，产业政策会考虑到市场主体合法的诉求，尽量避免对合法诉求造成大面积负面影响。

而且，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 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基于LoRa技术的方案，受到市场的广泛好评。

       所以虽然LoRa政策看似收紧，实则是逐步规范LoRa等非授权频谱微功率设备的使用，LoRa生态环境在国内正逐步完善发展。

 

二、LoRa产品类型

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，模块产品再到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/SX1276，SX1262。

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。例如采用SX1278的信驰达科技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.模块类产品，主要代表是信驰达科技的RF-AL42UH。

信驰达科技的RF-AL42UH模块是基于ASR公司ASR6501芯片开发的无线串口透传模块，拥有32bits 48MHz Cortex-M0+内核，128KB Flash，16KB SRAM，睡眠最低功耗 3.2 μA。采用标准LoRaWAN协议，支持开发标准的网关通信。模块通信方式包括点对点、广播、监听等方式。

       （1）点对点通信：数据发送采用透明传输的方式，发送方使用目标地址+目标信道+数据的形式，接收方就可收到数据。

       （2）广播通信：只需发送方使用0xFFFF+目标信道+数据的形式，附近同信道的模块便可以收到广播发来的数据。

       （3）监听模式：将监听模块地址设为0xFFFF，便可以监听同信道模块发送的数据。

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，例如信驰达科技成熟的LoRaWAN类产品。

4.LoRa产品化

LoRa产品内部集成了各式传感器，可以迅速采集数据上传至网关，例如在智慧农业方案中内部加装温湿度传感器的LoRa产品，可以推动智慧物联方案快速落地。

 

4.LoRa方案化

LoRa技术应用于物联网场景拥有诸多优势，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方案应用，目前全球大量的垂直行业中已形成 300 多个应用场景。LoRa方案化的趋势使得物联网的应用可以快速落地，见到实效，快速推动LoRa技术爆发式发展。

 

三、LoRa应用的现状

1.LoRaWAN，类LoRaWAN结构应用的现状

在LoRaWAN网络的构建上，其不仅可以支持私人网络，也可以支持公共网络，完全由使用者或运营商来决定提供怎样的服务。LoRaWAN，类LoRaWAN结构应用在多个垂直市场的运用越来越多，各种解决方案越来越完整，让使用者可以更快更容易地使用LoRaWAN这个技术。通过所有LoRa联盟会员单位的努力，如今LoRaWAN的网络在全球已经有非常大的覆盖范围。目前网络运营商有近百个，超过100个国家已经布置了LoRa网络，其覆盖的垂直市场有智慧城市、智慧家居、智慧农业和智能消防等，其中很多垂直解决方案已经成功落地。

 

2.传统点对点应用场景

2017年国内LoRa芯片出货量已经超过1000万，大部分应用企业都是采用LoRa点对点通信进行LoRa小无线技术应用。最常见的数传电台和节点进行点对点透明传输，例如对讲机应用。还有LoRa智慧灯控方案，利用易部署+大连接+低功耗+广覆盖+低成本的特点，为环境监测提供更多选择。通过点对点透传模式，模块与模块之间快速收发指令信息，实现同步开/关、调光或数据上报等效果。另外还有智能表计和油田数据监测使用LoRa点对点方式采集现场数据。

 

四、信驰达LoRaMESH

但是，随着物联网的应用逐渐壮大，连接数量越来越多时，就需要LoRaWAN提供大规模网络覆盖能力，实现大规模的商用，这是不可阻挡的趋势。

LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构，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是一种媒体访问控制（MAC）层协议，而LoRa属于PHY层协议。

信驰达科技推出的基于LoRa的LoRaMESH方案可做到低功耗、远距离、可扩展、易使用、好管理、多接口等行业客户所关心的需求。

1．LoRaWAN对比LoRaMESH

那么同是基于LoRa技术，LoRaWAN和LoRaMESH相比，相差在哪里呢？

传统LoRaWAN组网方式属于星状网络，连接距离短、扩展性差，远端节点连接不稳定或者无法连接。

 

LoRaMESH组网方式属于混合网络，连接距离远、扩展性强，远端节点通过中继节点稳定入网连接。

 

2.LoRaMESH方案优势

相比于传统LoRaWAN组网方式，LoRaMESH采用混合网络拓扑结构，节点支持掉线重连，多种智能重连机制保证网络的稳定性。

l  节点掉线后，自动重连

l  节点与中继节点断连后，自动寻找其他中继节点重连

l  节点与网关断连后，自动寻找中继节点重连

LoRaMESH云端支持数据实时监控、后台数据计算和告警反馈。为客户定制化开发功能丰富的后台数据管理平台。

LoRaMESH网关实现从节点到云端的数据传输，无需自己搭建服务器。

LoRaMESH节点采用信驰达的RF-AL42UH，RF-AL42UH采用ASR6501核心，32bits 48MHz Cortex-M0+内核，拥有128KB Flash，16KB SRAM，睡眠最低功耗 3.2 μA。

3.落地方案分享

LoRaMESH方案可以应用于：

1)     智慧城市

2)     智能园区

3)     智慧建筑

4)     智慧安防

5)     智慧农业

6)     智慧灯控

 

五、应用分享

LoRaMESH充分运用LoRa的低功耗、远距离、小数据传输技术优势，是物联网LoRa应用的优秀方案。

LoRaMESH应用于物联网场景拥有诸多优势，下面看看具体的实例。

（1）智慧果园

采用LoRaMESH的节点可采集丰富的传感器数据，包括空气温湿度、土壤温湿度、酸碱度、风速、风向、降雨量、光照、PM2.5等数据。24小时监控果园，智能传感设备替代人工作业，大大降低人力成本，提高了所采集数据的准确性。在农业现场，为了蔬果可以健康生长，需要监控各种环境数据信息，在现场要布设大量的传感器。LoRaMESH智慧果园方案中种类繁多的传感器可以迅速组网，将节点采集的数据上传至网关，网关通过多种通信入网方式将数据入云。云端采用大数据分析果园采集上来的数据，实时显示果园现场情况，出现风险信息自动告警，管理人员收到告警信息后，可以远程控制现场的设备或者安排人员及时前往现场处置。

（2）智慧酒店

采用LoRaMESH的节点可采集丰富的房间传感器数据，例如煤气烟雾报警，门禁状态，水电气抄表等。24小时监控，智能传感设备替代人工作业，大大降低人力成本，提高了所采集数据的准确性。酒店一般拥有多层客房，一层楼布置一个网关，收集该楼层的数据。节点采集的数据上传至网关，每一层楼配属一个网关，网关通过多种通信入网方式将数据入云。分布式网关可以高效快捷地采集酒店所有房间的信息，一键云端管理酒店房间信息，整体情况一目了然，对于客户的需求可以做到快速响应。安防设备自动告警，方便酒店维护人员及时处理告警情况。

（3）智慧路灯

采用LoRaMESH的节点可采集丰富的传感器数据，包括路灯灯箱开关情况，电路开关状态，烟雾报警情况等。24小时监控城市道路的路灯情况，智能传感设备替代人工作业，大大降低人力成本，提高了所采集数据的准确性。节点采集的数据上传至网关，网关通过多种通信入网方式将数据入云。云端采用大数据分析路灯采集上来的数据，实时显示现场情况。

由于城市区域非常大，单个网关无法覆盖如此大的区域，LoRaMESH节点的中继功能可以帮助离网关位置较远的节点传输数据至网关，大大增加网关的覆盖范围。如果发生路灯电线偷盗事件，云端管理系统将会及时发出警告，派人处置。针对城市路灯耗电量大的城市管理痛点，LoRaMESH方案可以监控耗电，针对路灯所属地区偏远程度，光照强度，人流量，车流量智能调节路灯的光照强度和开关情况，定时极大减少电力浪费。安装的摄像头可以远程监控路灯现场，辅助城市管理。

LoRaMESH充分运用LoRa的低功耗、远距离、小数据传输技术优势，是物联网LoRa应用的优秀方案.

信驰达科技是行业知名度和信誉度优秀的无线射频解决方案提供商及低功耗射频核心器件供应商，专注物联网领域十年，拥有丰富的方案设计经验，旗下产品包含丰富的LoRa产品，例如RF-AL42UH。专业的技术支持团队为您提供专业的定制化服务。

信驰达科技采用LoRa技术的LoRaMesh方案现已上市，更多LoRaMesh方案详情或定制化方案需求请关注信驰达科技。