物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

蔣武洲，周海東，劉 福，張 博

(北京奧特維科技有限公司，北京 100015)

1 LoRa技術(shù)原理

1.1 LoRa技術(shù)概念

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線技術(shù)有多種，從傳輸距離上可劃分成兩類，一類是短距離通信技術(shù)，包括ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等；另一類是長距離無線通信技術(shù)，包含無線廣域網(wǎng)(Wireless Wide-Area Networks，WWAN)和低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Networks, LPWAN)等。低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)是近年國際上一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，LoRa便屬于此技術(shù)領(lǐng)域。

LoRa基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，保持與FSK調(diào)制相同的低功率特性并顯著增加了通信距離，改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行(即非授權(quán)頻段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、應(yīng)用服務(wù)器和云存儲幾部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRaWAN(LoRa Wide-Area Networks)定義了通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，規(guī)定使用LoRa技術(shù)的端到端標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括物聯(lián)網(wǎng)市場安全、能源效率、漫游和配置入網(wǎng)(on-boarding)等，為LoRa聯(lián)盟成員的規(guī)范。

1.2 LoRa技術(shù)特點(diǎn)

(1)通訊范圍大

LoRa的優(yōu)勢在于該技術(shù)的長距離通信能力，其是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，它保持了像 FSK 調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離，其高達(dá)157 db的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá)15 km，單個網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整數(shù)百平方公里(覆蓋范圍在很大程度上取決于周邊環(huán)境或障礙物)。在比利時部署的Proximus網(wǎng)絡(luò)，只用極少量的基礎(chǔ)設(shè)施，便覆蓋整個國家的大部分地區(qū)。

(2)低功耗/電池壽命長

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，是物理層或無線調(diào)制用于建立長距離通信鏈路。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延長了電池的使用壽命。許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控(FSK)調(diào)制作為物理層，因?yàn)樗且环N實(shí)現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是異步的，并且無論是事件驅(qū)動還是調(diào)度都是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好發(fā)送時進(jìn)行通信。在GSMA最近對LPWAN領(lǐng)域的各種技術(shù)進(jìn)行的研究和比較中，與所有其他技術(shù)選項相比，LoRaWAN在功耗表現(xiàn)上顯示出3～5倍的優(yōu)勢。

(3)抗干擾性強(qiáng)

LoRa技術(shù)本身擁有超高的接收靈敏度(RSSI)和超強(qiáng)信噪比(SNR)，使用跳頻技術(shù)，通過偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜，防止定頻干擾。不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)(Concentrator/Gateway)能夠并行接收并處理多個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。

(4)網(wǎng)絡(luò)容量大

為了使遠(yuǎn)程星形網(wǎng)絡(luò)可用，網(wǎng)關(guān)必須具有非常高的容量或能力來接收來自大量節(jié)點(diǎn)的消息，基于LoRa的大容量基站每天可支持?jǐn)?shù)百萬條的消息，而單個基站可支持?jǐn)?shù)千臺設(shè)備。高網(wǎng)絡(luò)容量在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是在網(wǎng)關(guān)通過利用自適應(yīng)數(shù)據(jù)率和使用多信道多調(diào)制解調(diào)器收發(fā)器實(shí)現(xiàn),同時可在多個渠道收到消息。

(5)成本低

免牌照的頻段、基礎(chǔ)設(shè)施成本低、節(jié)點(diǎn)/終端成本低的特性，使LoRa和LoRaWAN的鏈路花費(fèi)要少于任何其他標(biāo)準(zhǔn)化通信技術(shù)。線性擴(kuò)頻已在軍事和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)長通信距離和干擾的魯棒性，而LoRa是第一個用于商業(yè)用途的低成本實(shí)現(xiàn)。

(6)網(wǎng)絡(luò)安全性高

對于任何LPWAN來說安全性都是非常重要的。LoRaWAN可很好的保護(hù)數(shù)據(jù)和隱私，它是市場上LPWAN領(lǐng)域最安全的解決方案，128AES加密從傳感器到應(yīng)用服務(wù)器和后臺的所有數(shù)據(jù)都在多個級別上進(jìn)行加密。

LoRaWAN使用了兩層安全性：一層用于網(wǎng)絡(luò)，另一層用于應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)安全保證了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性，而安全應(yīng)用層保證了網(wǎng)絡(luò)操作員無法訪問終端用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)。AES加密與密鑰交換一起使用，使用的是IEEE EUI64標(biāo)識符。

(7)技術(shù)生態(tài)體系完善

LoRaWAN擁有多種商業(yè)模式、合理競爭和多樣化生態(tài)體系、具備行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者等極大的促進(jìn)了其擴(kuò)展規(guī)模和快速實(shí)施。同時，LoRa采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和專有技術(shù)也是其被認(rèn)可和廣泛部署能的保證。各種網(wǎng)絡(luò)組件的選擇，網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備、云網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與芯片、開發(fā)工具包和最終產(chǎn)品來自許多不同的供應(yīng)商，可為運(yùn)營商或最終用戶提供不同解決方案。

2 LoRa應(yīng)用場景

LoRa 技術(shù)在高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗，支持大規(guī)模組網(wǎng)、測距和定位等方面突出的特點(diǎn)，使得該方案(終端+LoRa基站)成為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的一種理想的技術(shù)選擇。實(shí)際上，目前全球已有52張LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋100多個國家，LoRa更適合企業(yè)用戶對自主性、快速性要求高，對連續(xù)覆蓋、深度覆蓋要求高的場景。國內(nèi)市場對于LoRaWAN協(xié)議的采用主要聚焦于針對智能城市、智能建筑、智能家居、智能農(nóng)業(yè)和工業(yè)等垂直領(lǐng)域。

(1)智慧農(nóng)業(yè)

對農(nóng)業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期上傳數(shù)據(jù)，而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，更不用說4G/LTE了，而通過LoRa技術(shù)搭建私有物聯(lián)網(wǎng)十分適用此類場景[1]。

(2)智慧工廠

采用LoRa網(wǎng)關(guān)/基站進(jìn)行工廠無線信號全覆蓋，同時在工廠各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)安裝LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)動態(tài)全采集，根據(jù)工廠的實(shí)際需求實(shí)時信息采集。信息傳輸?shù)较到y(tǒng)管理平臺后進(jìn)行數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析和優(yōu)化，然后準(zhǔn)確傳輸?shù)絎EB服務(wù)系統(tǒng)或者手機(jī)APP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理人員同步了解生產(chǎn)過程中需要的信息，做到信息存儲的高度安全，信息獲取的靈活及時。

(3)物品追蹤

在此領(lǐng)域追蹤系統(tǒng)的成本以及終端的電池續(xù)航都非常重要，因此適合利用LoRa技術(shù)進(jìn)行追蹤。企業(yè)可以根據(jù)定位需要在場所部署網(wǎng)絡(luò)，LoRa可以提供快速便捷部署方案。例如，在運(yùn)送過程中，貨品有大部分的時間會被放置在倉庫，或是通過卡車分送至各地，只需要在倉庫、物流網(wǎng)涵蓋區(qū)，甚至是卡車上裝備LoRa網(wǎng)關(guān)，就能讓貨品上的追蹤器連至網(wǎng)絡(luò)。企業(yè)加強(qiáng)了管理與效率，并能避免貨品遺失；消費(fèi)者也能掌握貨品流向以及時程。共享單車企業(yè)Ofo將LoRa器件和無線射頻技術(shù)裝備進(jìn)其單車中，以補(bǔ)充其授權(quán)頻譜連接選項來實(shí)現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)在偏遠(yuǎn)地區(qū)和密集建筑群中的覆蓋，實(shí)現(xiàn)有效定位單車。

(4)智能建筑

對于建筑的改造，加入安全管理、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管控等傳感器并且定時的將監(jiān)測的信息上傳，方便了管理者的監(jiān)管和運(yùn)維。通過LoRa基站與窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能門禁終端進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)門禁的實(shí)時管控、人工管控、時段管控、一鍵鎖定、一鍵開門等智能管控模式，物聯(lián)網(wǎng)門禁將人防與技防相結(jié)合，實(shí)時掌控人員通行信息，為安全防范把控好第一道門。通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能管控終端與物聯(lián)網(wǎng)智能照明開關(guān)進(jìn)行連接, 實(shí)現(xiàn)定時管控、智能管控等，窄帶物聯(lián)網(wǎng)照明將分離式與集中式控制模式二合一，靈活應(yīng)用節(jié)省用電量。一臺LoRa基站具備最高控制上萬臺門禁/燈具，無線支持可視10 km的范圍。

(5)物聯(lián)網(wǎng)報警

采用LoRa技術(shù)的環(huán)境探測智能終端(溫濕度、火災(zāi)煙感、水位、有害氣體等)進(jìn)行連接，可靈活布置終端報警點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域報警，遇到警情時可快速反應(yīng)上報。適用在不便于施工的歷史古建筑、臨時大型活動場所監(jiān)測等場景。

(6)停車管理

針對城市道路/停車場停車難、亂收費(fèi)、上下信息不對稱等管理問題，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在停車位上布設(shè)LoRa傳感器時，安裝過程不用考慮線路問題，節(jié)省大量施工成本。1個LoRa網(wǎng)關(guān)即可管理數(shù)百個車位的LoRa傳感器，實(shí)時監(jiān)控車位狀況，全面控管車位使用情形。

(7)燃?xì)鉄o線抄表

LoRa擴(kuò)頻技術(shù)在民用燃?xì)鉄o線抄表的應(yīng)用，由公司主站管理系統(tǒng)、小區(qū)集中器及手持機(jī)和用戶端擴(kuò)頻表組成，擴(kuò)頻無線表可提供主動與被動兩種喚醒抄表模式，滿足燃?xì)馄髽I(yè)不同的業(yè)務(wù)需求。這種方案有效解決無線表必須采用具間組網(wǎng)或外掛中繼器來延長傳輸距離的技術(shù)短板，打通了智能抄表應(yīng)用最后一公里的數(shù)據(jù)通道[2]。

3 發(fā)展趨勢

LoRa技術(shù)起初是由一家法國公司Cycleo開發(fā)的一種擴(kuò)頻無線調(diào)制專利技術(shù)，2012年被美國Semtech公司收購之后，Semtech對該技術(shù)進(jìn)行了強(qiáng)有力的營銷。為了引進(jìn)其他公司包括部分移動運(yùn)營商參與到LoRa生態(tài)系統(tǒng)中，在2015年2月的巴塞羅那移動世界通信大會上成立了LoRa聯(lián)盟，由HP、Cisco、IBM、Foxconn、Semtech等多家廠商共同發(fā)起創(chuàng)立，是一個開放的非營利組織，聯(lián)盟成員擴(kuò)展速度很快，到目前為止有500多個成員，聯(lián)盟成員包括跨國電信運(yùn)營商、設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商、傳感器廠商、芯片廠商和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)企業(yè)等，這些成員涵蓋歐洲、北美、亞洲、非洲等地域。經(jīng)過幾年的發(fā)展，LoRa技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)形成了從芯片到解決方案的完整物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

在國際上，LoRaWAN已在40多個國家建網(wǎng)，350多個城市進(jìn)行試點(diǎn)，擁有67個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商。在美國，Senet的網(wǎng)絡(luò)覆蓋了23個州的225個城市，最大的有線電視公司Comcast采用LoRa技術(shù)，首先將在費(fèi)城和舊金山地區(qū)完成網(wǎng)絡(luò)部署，并提供計量相關(guān)(抄表等)、環(huán)境監(jiān)測相關(guān)(溫濕度、污染、噪聲監(jiān)測等)和追蹤定位相關(guān)等服務(wù)；在法國，Orange已在法國完成LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)全國覆蓋；在印度，Tata在Mumbai和 Delhi建網(wǎng)，并投入物流業(yè)使用；在澳大利亞，Telstra已在墨爾本進(jìn)行試點(diǎn)；在韓國，SK電信在2016年上半年就部署了覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò)，提供基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，并公布收費(fèi)方式。2018年5月底，Google Cloud作為贊助者會員加入LoRa聯(lián)盟，Google做出加入LoRa聯(lián)盟的決定意味著LoRaWAN協(xié)議和LoRa技術(shù)已經(jīng)作為物聯(lián)網(wǎng)連接的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)被采用。

在國內(nèi)，LoRa聯(lián)盟成員中包含中興通訊在內(nèi)有40多家中國成員企業(yè)，作為國內(nèi)LoRa技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，中興通訊在2016年初發(fā)起成立了中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟(CLAA)，并于2016年底成立了一家聚焦于LoRa技術(shù)的子公司中興克拉科技有限公司(ZTECLAA)，CLAA成員已經(jīng)超過880家，擁有100多種應(yīng)用類型，40多個商用，同時蘇州工業(yè)園的CLAA總部也正式開放[3]。2017年LoRa聯(lián)盟成員中興克拉新增10個城市級LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋，國內(nèi)已有超過13982個LoRa網(wǎng)關(guān)和153000個LoRa節(jié)點(diǎn)安裝。目前，國內(nèi)已有3個公開發(fā)布的LoRa網(wǎng)絡(luò)，包括覆蓋整個貴州省的貴州中安云網(wǎng)、覆蓋廣州南沙區(qū)(803平方千米)的廣州中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的網(wǎng)絡(luò)以及覆蓋西安北林區(qū)的陜西廣電網(wǎng)絡(luò)。此外，中國還有16個私有/試驗(yàn)的LoRaWAN(>10 GWs)網(wǎng)絡(luò)并已安裝了1 732個網(wǎng)關(guān)。

2018年4月，Semtech宣布阿里云與中國聯(lián)通浙江省分公司聯(lián)合在中國杭州與寧波部署的基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺開始試商用。阿里云將支持由基于LoRa的傳感器催生的一個豐富的生態(tài)系統(tǒng)，阿里巴巴已在自有業(yè)務(wù)場景中開展了LoRaWAN實(shí)驗(yàn)，比如菜鳥園區(qū)總建筑面積大概20萬平方米，這個園區(qū)用了4個LoRa的微型網(wǎng)關(guān)和4個基站，就覆蓋了整個園區(qū)。中國聯(lián)通浙江省分公司將于2018年年底之前在杭州和寧波部署一個基于LoRa技術(shù)的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，以擴(kuò)大其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的范圍。

2018年8月，騰訊宣布在最高層面加入LoRa聯(lián)盟，意味著LoRa在全球以及中國市場上的發(fā)展步伐正在不斷加速。騰訊已經(jīng)在LoRaWAN技術(shù)和應(yīng)用方面進(jìn)行了相關(guān)投資，并將支持LoRaWAN生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。騰訊還宣布計劃在深圳與當(dāng)?shù)睾献骰锇楣餐⒁粋€LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，在其網(wǎng)絡(luò)上為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和終端用戶(如政府公共服務(wù))提供從設(shè)備、邊緣到云端的LoRaWAN一體化解決方案。

3 結(jié)束語

近幾年LoRa技術(shù)得到快速發(fā)展，基于LoRa的解決方案對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的持續(xù)增長起到重要的推動作用，但此項技術(shù)和市場總體仍處于起步階段，還需要參與各方的持續(xù)投入和共同發(fā)展，直到實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署時才能完全發(fā)揮其優(yōu)勢。在這新一波的窄帶物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行情中，建議國內(nèi)企業(yè)先把項目落地，LoRa技術(shù)不僅僅需要產(chǎn)品的創(chuàng)新，更需要項目應(yīng)用的創(chuàng)新。同時就技術(shù)方案而言，在短時間內(nèi)，LPWAN領(lǐng)域會有其他技術(shù)(如NB-IoT)與LoRa并行使用，它們技術(shù)上并無明顯高低，主要是根據(jù)不同類別的服務(wù)需求而適用在不同的細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域。因此，做到更佳的贏利模式，做到與應(yīng)用行業(yè)的緊密結(jié)合，才是行業(yè)內(nèi)各企業(yè)應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。