物联网LoRa技术的应用与发展

蒋武洲，周海东，刘 福，张 博

(北京奥特维科技有限公司，北京 100015)

1 LoRa技术原理

1.1 LoRa技术概念

物联网应用中的无线技术有多种，从传输距离上可划分成两类，一类是短距离通信技术，包括ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等；另一类是长距离无线通信技术，包含无线广域网(Wireless Wide-Area Networks，WWAN)和低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Networks, LPWAN)等。低功耗广域网技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术，LoRa便属于此技术领域。

LoRa基于线性调频扩频调制，保持与FSK调制相同的低功率特性并显著增加了通信距离，改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、应用服务器和云存储几部分组成，应用数据可双向传输。

LoRaWAN(LoRa Wide-Area Networks)定义了通信协议和系统架构，规定使用LoRa技术的端到端标准规范，包括物联网市场安全、能源效率、漫游和配置入网(on-boarding)等，为LoRa联盟成员的规范。

1.2 LoRa技术特点

(1)通讯范围大

LoRa的优势在于该技术的长距离通信能力，其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，其高达157 db的链路预算使其通信距离可达15 km，单个网关或基站可以覆盖整数百平方公里(覆盖范围在很大程度上取决于周边环境或障碍物)。在比利时部署的Proximus网络，只用极少量的基础设施，便覆盖整个国家的大部分地区。

(2)低功耗/电池寿命长

LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种，是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。其接收电流仅10 mA，睡眠电流200 nA，这大大延长了电池的使用寿命。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。LoRaWAN网络中的节点是异步的，并且无论是事件驱动还是调度都是在数据准备好发送时进行通信。在GSMA最近对LPWAN领域的各种技术进行的研究和比较中，与所有其他技术选项相比，LoRaWAN在功耗表现上显示出3～5倍的优势。

(3)抗干扰性强

LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度(RSSI)和超强信噪比(SNR)，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。不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

(4)网络容量大

为了使远程星形网络可用，网关必须具有非常高的容量或能力来接收来自大量节点的消息，基于LoRa的大容量基站每天可支持数百万条的消息，而单个基站可支持数千台设备。高网络容量在LoRaWAN网络是在网关通过利用自适应数据率和使用多信道多调制解调器收发器实现,同时可在多个渠道收到消息。

(5)成本低

免牌照的频段、基础设施成本低、节点/终端成本低的特性，使LoRa和LoRaWAN的链路花费要少于任何其他标准化通信技术。线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。

(6)网络安全性高

对于任何LPWAN来说安全性都是非常重要的。LoRaWAN可很好的保护数据和隐私，它是市场上LPWAN领域最安全的解决方案，128AES加密从传感器到应用服务器和后台的所有数据都在多个级别上进行加密。

LoRaWAN使用了两层安全性：一层用于网络，另一层用于应用程序。网络安全保证了网络中节点的真实性，而安全应用层保证了网络操作员无法访问终端用户的应用数据。AES加密与密钥交换一起使用，使用的是IEEE EUI64标识符。

(7)技术生态体系完善

LoRaWAN拥有多种商业模式、合理竞争和多样化生态体系、具备行业领导者等极大的促进了其扩展规模和快速实施。同时，LoRa采用开放的标准和专有技术也是其被认可和广泛部署能的保证。各种网络组件的选择，网关、终端设备、云网络服务器与芯片、开发工具包和最终产品来自许多不同的供应商，可为运营商或最终用户提供不同解决方案。

2 LoRa应用场景

LoRa 技术在高性能、远距离、低功耗，支持大规模组网、测距和定位等方面突出的特点，使得该方案(终端+LoRa基站)成为物联网大规模推广应用的一种理想的技术选择。实际上，目前全球已有52张LoRa网络覆盖100多个国家，LoRa更适合企业用户对自主性、快速性要求高，对连续覆盖、深度覆盖要求高的场景。国内市场对于LoRaWAN协议的采用主要聚焦于针对智能城市、智能建筑、智能家居、智能农业和工业等垂直领域。

(1)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。温湿度、二氧化碳、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，而通过LoRa技术搭建私有物联网十分适用此类场景[1]。

(2)智慧工厂

采用LoRa网关/基站进行工厂无线信号全覆盖，同时在工厂各个数据采集节点安装LoRa模块，实现对生产周期的数据动态全采集，根据工厂的实际需求实时信息采集。信息传输到系统管理平台后进行数据系统分析和优化，然后准确传输到WEB服务系统或者手机APP系统实现生产管理人员同步了解生产过程中需要的信息，做到信息存储的高度安全，信息获取的灵活及时。

(3)物品追踪

在此领域追踪系统的成本以及终端的电池续航都非常重要，因此适合利用LoRa技术进行追踪。企业可以根据定位需要在场所部署网络，LoRa可以提供快速便捷部署方案。例如，在运送过程中，货品有大部分的时间会被放置在仓库，或是通过卡车分送至各地，只需要在仓库、物流网涵盖区，甚至是卡车上装备LoRa网关，就能让货品上的追踪器连至网络。企业加强了管理与效率，并能避免货品遗失；消费者也能掌握货品流向以及时程。共享单车企业Ofo将LoRa器件和无线射频技术装备进其单车中，以补充其授权频谱连接选项来实现完整的网络连接，从而实现在偏远地区和密集建筑群中的覆盖，实现有效定位单车。

(4)智能建筑

对于建筑的改造，加入安全管理、环境监测、设备管控等传感器并且定时的将监测的信息上传，方便了管理者的监管和运维。通过LoRa基站与窄带物联网智能门禁终端进行连接，实现门禁的实时管控、人工管控、时段管控、一键锁定、一键开门等智能管控模式，物联网门禁将人防与技防相结合，实时掌控人员通行信息，为安全防范把控好第一道门。通过窄带物联网智能管控终端与物联网智能照明开关进行连接, 实现定时管控、智能管控等，窄带物联网照明将分离式与集中式控制模式二合一，灵活应用节省用电量。一台LoRa基站具备最高控制上万台门禁/灯具，无线支持可视10 km的范围。

(5)物联网报警

采用LoRa技术的环境探测智能终端(温湿度、火灾烟感、水位、有害气体等)进行连接，可灵活布置终端报警点，实现区域报警，遇到警情时可快速反应上报。适用在不便于施工的历史古建筑、临时大型活动场所监测等场景。

(6)停车管理

针对城市道路/停车场停车难、乱收费、上下信息不对称等管理问题，通过窄带物联网技术，在停车位上布设LoRa传感器时，安装过程不用考虑线路问题，节省大量施工成本。1个LoRa网关即可管理数百个车位的LoRa传感器，实时监控车位状况，全面控管车位使用情形。

(7)燃气无线抄表

LoRa扩频技术在民用燃气无线抄表的应用，由公司主站管理系统、小区集中器及手持机和用户端扩频表组成，扩频无线表可提供主动与被动两种唤醒抄表模式，满足燃气企业不同的业务需求。这种方案有效解决无线表必须采用具间组网或外挂中继器来延长传输距离的技术短板，打通了智能抄表应用最后一公里的数据通道[2]。

3 发展趋势

LoRa技术起初是由一家法国公司Cycleo开发的一种扩频无线调制专利技术，2012年被美国Semtech公司收购之后，Semtech对该技术进行了强有力的营销。为了引进其他公司包括部分移动运营商参与到LoRa生态系统中，在2015年2月的巴塞罗那移动世界通信大会上成立了LoRa联盟，由HP、Cisco、IBM、Foxconn、Semtech等多家厂商共同发起创立，是一个开放的非营利组织，联盟成员扩展速度很快，到目前为止有500多个成员，联盟成员包括跨国电信运营商、设备制造商、系统集成商、传感器厂商、芯片厂商和创新创业企业等，这些成员涵盖欧洲、北美、亚洲、非洲等地域。经过几年的发展，LoRa技术现在已经形成了从芯片到解决方案的完整物联网生态系统。

在国际上，LoRaWAN已在40多个国家建网，350多个城市进行试点，拥有67个网络运营商。在美国，Senet的网络覆盖了23个州的225个城市，最大的有线电视公司Comcast采用LoRa技术，首先将在费城和旧金山地区完成网络部署，并提供计量相关(抄表等)、环境监测相关(温湿度、污染、噪声监测等)和追踪定位相关等服务；在法国，Orange已在法国完成LoRaWAN网络全国覆盖；在印度，Tata在Mumbai和 Delhi建网，并投入物流业使用；在澳大利亚，Telstra已在墨尔本进行试点；在韩国，SK电信在2016年上半年就部署了覆盖全国的LoRa网络，提供基于LoRa的物联网服务，并公布收费方式。2018年5月底，Google Cloud作为赞助者会员加入LoRa联盟，Google做出加入LoRa联盟的决定意味着LoRaWAN协议和LoRa技术已经作为物联网连接的事实标准在全球范围内被采用。

在国内，LoRa联盟成员中包含中兴通讯在内有40多家中国成员企业，作为国内LoRa技术的领军企业，中兴通讯在2016年初发起成立了中国LoRa应用联盟(CLAA)，并于2016年底成立了一家聚焦于LoRa技术的子公司中兴克拉科技有限公司(ZTECLAA)，CLAA成员已经超过880家，拥有100多种应用类型，40多个商用，同时苏州工业园的CLAA总部也正式开放[3]。2017年LoRa联盟成员中兴克拉新增10个城市级LoRa网络覆盖，国内已有超过13982个LoRa网关和153000个LoRa节点安装。目前，国内已有3个公开发布的LoRa网络，包括覆盖整个贵州省的贵州中安云网、覆盖广州南沙区(803平方千米)的广州中国科学院计算机网络信息中心的网络以及覆盖西安北林区的陕西广电网络。此外，中国还有16个私有/试验的LoRaWAN(>10 GWs)网络并已安装了1 732个网关。

2018年4月，Semtech宣布阿里云与中国联通浙江省分公司联合在中国杭州与宁波部署的基于LoRa技术的物联网平台开始试商用。阿里云将支持由基于LoRa的传感器催生的一个丰富的生态系统，阿里巴巴已在自有业务场景中开展了LoRaWAN实验，比如菜鸟园区总建筑面积大概20万平方米，这个园区用了4个LoRa的微型网关和4个基站，就覆盖了整个园区。中国联通浙江省分公司将于2018年年底之前在杭州和宁波部署一个基于LoRa技术的LoRaWAN网络，以扩大其物联网网络服务的范围。

2018年8月，腾讯宣布在最高层面加入LoRa联盟，意味着LoRa在全球以及中国市场上的发展步伐正在不断加速。腾讯已经在LoRaWAN技术和应用方面进行了相关投资，并将支持LoRaWAN生态系统的进一步发展。腾讯还宣布计划在深圳与当地合作伙伴共同建立一个LoRaWAN网络，在其网络上为各种物联网应用和终端用户(如政府公共服务)提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案。

3 结束语

近几年LoRa技术得到快速发展，基于LoRa的解决方案对物联网行业的持续增长起到重要的推动作用，但此项技术和市场总体仍处于起步阶段，还需要参与各方的持续投入和共同发展，直到实现大规模部署时才能完全发挥其优势。在这新一波的窄带物联网发展行情中，建议国内企业先把项目落地，LoRa技术不仅仅需要产品的创新，更需要项目应用的创新。同时就技术方案而言，在短时间内，LPWAN领域会有其他技术(如NB-IoT)与LoRa并行使用，它们技术上并无明显高低，主要是根据不同类别的服务需求而适用在不同的细分应用领域。因此，做到更佳的赢利模式，做到与应用行业的紧密结合，才是行业内各企业应该关注的重点。