LoRa无线网络技术分析

赵静+苏光添

摘要：为了深入研究LoRa无线网络技术，首先对几种常见的非授权频谱低功耗广域网技术进行参数对比分析，相比于其他非授权技术，LoRa具备明显优势，并说明了LoRa相关的标准组织。然后根据LoRa网络的技术特点及优势，详细阐述了网络架构机制、工作模式、自适应数据速率、消息安全加密机制等，并据此引出适用的应用场景。最后针对LoRa自身的优势和NB-IoT技术的崛起，从市场和技术角度分析了LoRa面临的机遇与挑战。

关键词：LPWAN LoRa NB-IoT 蜂窝通信

1 引言

低功耗广域网（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技術是一种革命性的物联网无线接入新技术，与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比，具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点，适合于在长距离发送小数据量且使用电池供电方式的物联网终端设备。LPWAN作为一个新兴的、刚起步的技术，其市场普遍被看好，各厂商争先研究LPWAN，参与标准制定，设商用试点，市场呈现百家争鸣、蓬勃发展的态势。

LPWAN技术从频谱角度上可分为授权频谱和非授权频谱两种。截至目前，低功耗广域网络大部分部署在非授权频谱，即人们熟悉的ISM频段。一旦基于蜂窝网络的LPWAN技术成熟，授权频谱在未来也会成为LPWAN的选择之一。本文的讨论重点主要是非授权频谱的LPWAN技术，包括LoRa、SigFox、OnRamp、NWave、Platanus等，相对授权频谱的LPWAN技术，非授权频谱的LPWAN技术具有搭建网络灵活、快速、技术种类多等特点，部署成本低、商品化速度快。

2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1 GHz以下频谱的超长距低功耗数据传输技术（LoRa，Long Range）的芯片。LoRa主要面向物联网应用，其接收灵敏度可达-148 dBm，与业界其他先进水平的Sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20 dB以上，确保了网络连接的可靠性。LoRa功耗极低，一节五号电池理论上可供终端设备工作10年以上。同时，LoRa使用线性调频扩频调制技术，即可保持像频移键控（FSK，Frequency Shift Keying）调制相同的低功耗特性，又明显增加了通信距离，提高了网络效率并消除了干扰（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。

LoRa作为非授权频谱的一种LPWAN无线技术，相比于其他无线技术（如Sigfox、NWave等），其产业链更为成熟、商业化应用较早。LoRa技术经过Semtech、美国思科、IBM、荷兰KPN电信和韩国SK电信等组成的LoRa Alliance国际组织进行全球推广后，目前已成为新物联网应用和智慧城市发展的重要基础支撑技术。

2 非授权LPWAN技术对比

表1为目前基于非授权频谱的LPWAN主要技术的特点对比。LoRa、Sigfox作为非授权频谱LPWAN技术的典型代表，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等优点，是最有发展前景的低功耗广域网通信技术之一。目前，两者在欧美地区都已有多个商用的案例，但是在运营模式、抗干扰能力、完整的生态系统、组织推广力度上，LoRa比Sigfox更具有优势。

在运营模式方面，Sigfox只能部署在私有网络，应用大数据由Sigfox掌握，厂商使用需得到授权；相反，LoRa不仅可部署在公开网络和私有网络，还可让厂商拥有应用大数据，故受到了多数厂商的青睐和支持。在技术方面，Sigfox采用FSK，只能工作于杂讯位准以上，而LoRa采用线性扩频调制技术，能在杂讯位准以下维持有效通信，抗干扰能力更强。换言之，即使在各国开放频段有限的情况下，当物联网蓬勃发展、终端节点暴增时，杂讯水平（Noise Floor）上升，杂讯位准被拉高，LoRa也能有效维持通信，而Sigfox受到干扰严重，无法维持稳定通信。

3 LoRa联盟

为了推动LoRa技术的全球大规模商用，LoRa联盟于2015年3月宣布成立，这是一个开放的非盈利性组织，以物联网、M2M、智慧城市、智能工业等应用发展为己任，旨在促进联盟成员合作，共同推动LoRa技术和LoRaWAN协议发展。联盟十分注重生态系统建设，与产业链各环节企业共同合作积极推动LoRa技术的商用。联盟成员目前包括有跨国电信运营商、设备制造商、系统集成商、传感器厂商、芯片厂商等，成员所在地区跨欧洲、北美、亚洲、非洲等地域。到目前为止，联盟成员已超330家，其中不乏IBM、思科、中兴、法国Orange、荷兰KPN等重量级厂商。在物联网领域深耕三年，LoRa硕果累累。目前最新公开的官网数据显示，全球有16个国家正在部署LoRa网络，56个国家开始进行试点，其中运营商荷兰KPN电信、韩国SK电信已建成覆盖全国的LoRa网络。

2016年年初，中国LoRa应用联盟（CLAA，China Lora Application Alliance）在LoRa Alliance支持下，由中兴通讯发起成立，是一个跨行业、跨部门的全国性组织。其会员由国内外各类有低功耗、广覆盖物联网需求的企事业单位和专业社团组成，旨在加强产业链厂家合作，构建LoRa 技术应用生态圈。CLAA积极推动LoRa产业链在中国的应用和发展，建设多业务共享、低成本、广覆盖、可运营的符合国内环境的LoRa物联网应用。随着东方测控、中电港、中星测控、创高安防、唯传科技等众多企业逐步加入，CLAA将进一步加大力度推动中国LoRa技术的商用。

生态系统的竞争成为低功耗物联网发展的关键，LoRa技术具有一个完整的生态系统，目前LoRa联盟的成员中已有多家运营商，未来若能吸引到更多主流运营商的加入，则LoRa技术有望在物联网领域形成先发优势。

4 LoRa技术分析

4.1 LoRa技术特点及优势

作为LPWAN技术之一，LoRa具备长距离、低功耗、低成本、易于部署、标准化等特点。表2为LoRa技术的关键特点及其对应的优势：

LoRa采用线性扩频调制技术，高达157 dB的链路预算使其通信距离可达15 km以上（与环境有关），空旷地方甚至更远。相比其他广域低功耗物联网技术（如Sigfox），LoRa终端节点在相同的发射功率下可与网关或集中器通信更长距离。LoRa采用自适应数据速率策略，最大网络优化每一个终端节点的通信数据速率、输出功率、带宽、扩频因子等，使其接收电流低达10 mA，休眠电流小于200 nA，低功耗从而使电池寿命有效延长。LoRa网络工作在非授权的频段，前期的基础建设和运营成本很低，终端模块成本约为5美元。LoRaWAN是联盟针对LoRa终端低功耗和网络设备兼容性定义的标准化规范，主要包含网络的通讯协议和系统架构。LoRaWAN的标准化保证了不同模块、终端、网关、服务器之间的互操作性，物联网方案提供商和电信运营商可以加速采用和部署。

4.2 LoRa网络架构机制

现有许多部署好的网络都采用了网状结构，每个单独节点要通过其他节点传递信息，这不仅增加了网络的复杂性，而且缩短了电池寿命。相反，LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，当实现长距离连接时，终端节点和网关可直接进行信息交互，有效减少网络复杂性和能量损耗，延长电池寿命。如图1所示，LoRa网络架构由终端节点（内置LoRa模块）、网关（或集中器）、网络服务器和应用服务器四部分组成，各组成部分的詳细介绍如下：

（1）终端节点（含传感器）：包括物理层、MAC层和应用层的实现，使用LoRa线性扩频调制技术，遵守LoRaWAN协议规范，实现点对点远距离传输。

（2）网关/集中器：完成空中接口物理层的处理。网关负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。网关和网络服务器通过以太网回传或任何无线通信技术（如2G、3G、4G）建立通信链路，使用标准的TCP/IP连接。

（3）网络服务器：负责进行MAC层处理，包括消除重复的数据包、自适应速率选择、网关管理和选择、进程确认、安全管理等。

（4）应用服务器：从网络服务器获取应用数据，管理数据负载的安全性，分析及利用传感器数据，进行应用状态展示、即时警告等。

4.3 终端节点工作模式

LoRa终端有三种不同的工作模式，即Class A、Class B和ClassC，但一个时间内终端只能工作于一个模式，每种模式由软件程序进行设置。不同的模式适用于不同的业务场景和省电模式，目前广泛使用的为Class A类工作模式，以适应IoT应用的省电需求。

Class A（双向终端设备）：A类终端设备提供双向通信，但不能进行主动的下行链路发送。每个终端节点的上行链路传输会跟随两次很短的下行链路接收窗口。传输时隙由终端设备调度，基于其自身的通讯需求并有一个基于随机时基的微小变化，因此A类终端最省电。

Class B（支持下行时隙调度的双向终端设备）：B类终端兼容A类终端，并且支持接收下行Beacon信号来保持和网络的同步，以便在下行调度的时间上进行信息监听，因此功耗会大于A类终端。

Class C（最大接收时隙的双向终端设备）：C类终端仅在发射数据的时刻停止下行接收窗口，适用于大量下行数据的应用。相比A类和B类终端，C类终端最耗电，但对于服务器到终端的业务，C类模式的时延最小。

4.4 自适应数据速率（ADR）策略

LoRa网络中的自适应数据速率（ADR，Adaptive Data Rate）是一种改变实际的数据速率以确保可靠的数据包传送，优化网络性能和终端节点容量规模的策略。例如，靠近于网关的终端节点使用较高的数据速率和较低的输出功率，这样既可缩短传输时间，又可以有效降低功耗。只有在链路预算非常边缘的节点才使用最低的数据速率和最大的输出功率。ADR策略可适应网络基础设施的变化，支持变化的路径损耗。为使终端设备的电池寿命和总体网络容量达到最大化，LoRa网络基础设施（网关、网络服务器）通过ADR实现对每个终端节点的数据速率和RF输出功率进行管理。

在LoRa网络应用条件容许的情况下，建议都对终端节点进行ADR功能设置，具体流程如图2所示，这样能延长终端节点的电池寿命。其中，网络对终端节点的数据速率优化调节流程如图3所示，其中数据速率的预定策略表由终端节点针对不同应用环境而制定，具体可通过软件程序实现。

4.5 消息安全加密机制

终端节点必须在与网络服务器消息交互前的一个加入过程完成网络安全的密钥获取。终端节点在接入使用时需具备以下安全信息：终端设备标识（DevEUI）、应用标识（AppEUI）和AES-128应用密钥（AppKey）。其中，DevEUI是唯一标识终端设备的全球终端设备ID，符合IEEE EUI64。AppEUI是存储在终端设备中的全球唯一应用ID，用于识别终端设备的应用程序提供商（即使用者）。研究AppKey是一个定义于终端设备的AES-128应用密钥，由该应用程序所有者分配给终端设备，从每一个应用独立的根密钥中推演出来，根密钥由程序提供者知晓并处于应用程序提供者的控制下。

当一个终端节点通过无线激活方式加入LoRa网络时，将能基于AES128算法并且由密钥AppKey衍生出终端节点通信所需的会话密钥NwkSKey和应用密钥AppSKey，其中会话密钥NwkSKey用于网络MAC通信的安全保障，而应用密钥AppSKey用于保障应用的端到端安全。

为了保证LoRa网络传输的安全性，终端节点和服务器消息交互前必须先对消息进行加密处理。LoRa网络消息安全加密流程如图4所示。第一步：使用NwkSKey或AppSKey密钥对MAC负载帧（FRMPayload）加密，其中加密方案使用基于IEEE 802.15.4/2006 Annex B[IEEE802154]的AES加密，密钥长度为128位。第二步：采样基于[RFC4493]：The AES-CMAC Algorithm，June 2006的AES签名算法CMAC生成消息一致性码（MIC），此阶段只使用密钥NwkSKey。其中，当FPort=0时，帧负载只包含MAC命令；而当FPort≠0时，帧负载只包含传输数据，此时FPort值代表帧负载数据的大小。

5 LoRa应用分析

根据LoRa技术的关键特点可知，LoRa非常适用于要求具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等应用和领域。表3所示为LoRa网络适用的应用案例：

目前LoRa网络已经在全球多地进行试点或部署。据最新公布的相关数据显示，全球有16个国家正在部署LoRa网络，56个国家开始进行试点，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等。荷兰KPN电信、韩国SK电信在2016年上半年部署了覆盖全国的LoRa网络，提供基于LoRa的物联网服务。相对于LoRa技术在国外发展的如火如荼，国内LoRa应用略显冷淡。目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络（智慧航道）建设，据悉目前已经完成江苏段的全线覆盖。其实国内从事LoRa模块和方案开发的厂商并不少，除AUGTEK之外，还有洲斯物联、思创汇连、普天通达、NPLink、门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、武汉拓宝、博大光通、纵行科技、唯传科技、三凡信息等众多公司。随着国内广域物联网喷发式的发展和CLAA组织对LoRa应用的积极推动，国内基于LoRa应用的试点将会越来越多地被部署在各行各业，以提供优质高效的物联网服务。

6 LoRa面临的挑战与机遇分析

近几年物联网发展势头迅猛，具有巨大的市场前景。而在广域物联网通信领域中，NB-IoT的发展非常迅速，得到了众多通信企业的支持，电信设备供应商如爱立信、诺基亚、华为和中兴等，大型电信运营商如AT&T、中国移动、中国联通和中国电信等，以及芯片解决方案供应商如高通等。NB-IoT标准于2016年6月获得国际组织3GPP批准通过，标准核心协议正式冻结，国内NB-IoT行业标准预计在2016年年底发布，2017年初有望规模商用。NB-IoT网络不仅具有LPWAN中长距离、低功耗、低成本、标准化等优势，而且是窄带蜂窝物联网技术，可直接部署于原有蜂窝网络，以降低部署成本、实现平滑升级。因此，NB-IoT得到了运营商的积极推动，有望成为下一代运营商主导的授权频谱的广域物联网公网，这给LoRa网络的发展带来了巨大的挑战。

新崛起的广域物联网技术NB-IoT的迅速发展给LoRa带来挑战的同时，也带来了巨大的发展机遇。NB-IoT的发展使得整个市场对于低功耗广域网络的需求被激发，LoRa反而能更快速、更大限度地被市场所意识。下面从市场和技术两个角度来分析LoRa的发展机遇。

（1）市场角度看LoRa发展机遇

LPWAN技术有两种应用分类，分别是分散型应用和行业性應用。分散型应用指的是终端产品的用户是分散的或产品在地域分布上是分散的或者产品具有频繁移动的属性。这样的应用对LPWAN的需求主要是更大范围的网络覆盖以解决用户的区域分布和可移动属性对网络的要求。这一类的产品以消费电子和基于定位的应用为主。行业性应用指的是单客户具有在小范围进行局部网络部署的条件，在局部范围内具有足够可承担起网络建设成本的终端需求数量，此时往往会基于本身的应用需求对LPWAN协议细节进行调整，对数据安全有更高的需求。

NB-IoT通过运营商部署广域物联网的方式无法满足协议细节修改的需求，其数据安全性和局域网也不可相提并论，因此难以解决行业应用的需求，更适合分散型应用。相比之下，LoRa作为最受欢迎的非授权频谱LPWAN技术之一，运营方式更加灵活，可以是以运营商主导的大范围公开网络，也可以是私人部署的专用局域网络，如公安、交通、民航、物流、铁路、安防等行业。LoRa网络技术可以满足行业客户协议细节调整的需求，可快速帮助客户低成本地建设局域网以实现业务运营，同时不仅能适应分散性应用需求，还能很好地满足行业性应用需求。

（2）技术角度看LoRa发展机遇

NB-IoT芯片量产的实现要到2017年，而NB-IoT从芯片量产、网络铺设到大规模商用理论上至少还需要2年以上的时间。从资费角度，前期用户数量少，网络运营成本高，资费势必较高，高资费又会反过来影响用户数量的增长。

相比NB-IoT，LoRa已经在市场上深耕了3年多的时间，具备广域物联网公网、专用局域网的成熟商用案例经验，有明确的性能参数、成本、部署周期等信息。NB-IoT的强势来袭从侧面刺激了用户对LPWAN的高度热情，激发了更多的LPWAN应用需求，在NB-IoT短期无法实现用户数量快速增长的时间点给了LoRa快速发展的机遇。同时，LoRa如何能在NB-IoT还没有成熟商用前挖掘更多的基于LoRa的应用需要LoRa联盟、CLAA的共同努力，从而提供更优质的物联网服务，培养用户粘性，快速实现LoRa应用和结点数量的高增长。

7 结束语

LoRa是一种适合于具有低功耗、低成本、远距离等需求的广域物联网应用的非授权频谱网络技术，目前已在全球内广泛部署使用。面对授权频谱广域网络技术NB-IoT发展所带来的挑战，LoRa应该在NB-IoT还没成熟商用之前，积极推动挖掘出更多具有实用性、高效性的应用，给用户提供更优质的物联网服务，培养用户粘性，快速实现LoRa应用和节点数量的高增长，在未来广域物联网的竞争中占据重要的一席之地。

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