物联网LPWA通信技术（2）：Lora通信特点及主要场景应用
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什么是LoRa？与LoRaWAN的区别是？
要明白什么是LoRa，我们首先要了解什么是低功耗广域网，它的英文全称为Low Power Wide Area Network(简写：LPWAN) ，即低功耗广域网络，是区别于我们日常所熟知的3-4-5G远距离通讯网络，主要用于设备之间的通讯，这种通讯技术具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点比较适合大规模的物联网应用部署。具体包含NB-IOT、LoRa、Sigfox、eMTC四种，其中NB-IOT、LoRa近年来备受市场的关注和追捧。
接下来我们来谈谈今天的主角，LoRa。
LoRa是一种线性调频扩频的调制技术，最早由法国人发明，2012 年该技术被 Semtech公司收购，并将这一调制技术封装到芯片中，比如说lora的网关和终端。目前lora芯片被Semtech公司独家垄断，没有授权任何公司无法设计制造LoRa芯片。但是随着技术的发展，该技术逐渐得到市场的认可，LoRa的朋友圈、产业生态圈不断扩大，由全球众多厂家所组成的LoRa联盟相继成立，LoRaWAN通讯技术规范也开始逐渐形成并成熟。
总体来说垄断的LoRa芯片在一定程度上将抑制创新的发展，但是在市场机制的作用下，Semtech在2018年改变了产品营销模式，授权 IP 给一些公司做 LoRa 产品，获取授权的LoRa 芯片供应厂家通过走差异化路线，融合了其它不同功能的，满足更多差异化应用的需求，来共同做大市场。 如 LoRa＋GPS 获取位置信息；＋BLE 与本地近场设备连接通信；＋安全芯片增强设备的安全性等。
那么以上提到的LoRa、LoRaWAN、LPWAN他们具有怎么样的关系呢？
LoRa：是Semtech拥有的专有调制格式（将需要传输的数据调制到某个特定的频率发送出去，如平常听的广播FM88.6，这里的FM指的就是调制模式，而88.6就是载波频率，所以你听到的广播声音就是坐着88.6Mhz的空中列车到达你的收音机）。目前，LoRa 主要在全球免费频段（即非授权频段）运行，主要包括433、868、915MHz等。
它可以根据实际传输需要改变自己的发送频率，实现跳频，以避免其它频率的干扰，因此具有较好的抗干扰性。
LoRaWAN：是低功耗广域网通信协议，规范了LoRa调制后数据传输相关要求，可理解为定义一个规范的、统一的“语言”进行数据传输，使得其它设备能够顺利沟通，大家都说一样的话，遵守同样的语法。
因为LoRa是处于链路层，只是为网络层的LoRaWAN提供数据传送服务，由LoRaWAN将信息发送到其它的云服务器。
LPWAN：LPWAN就是我们上文所提及的低功耗广域网，严格上来说LoRa或者LoRaWAN中某任何一种都不能算是LPWAN，它应该由二者所组成，即LoRa+LoRaWAN=LPWAN。
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Lora组网通讯及工作方式？
Lora采用采用星状拓朴（TMD 组网方式）组网，而不是拓扑组网，星状拓朴结构不存在用不相关的节点转发消息，发生传输路径迂回等问题，可以有效降低网络系统复杂性与总功耗。
Lora星状拓朴组网主要由4部分构成：
带有Lora通讯模块的设备终端节点
终端节点一般用电池供电，能够远程定位。通常终端设备还具有相应的数据传感器用于数据的收集，然后通过Lora通讯模块将数据打包发送给网关。一个终端节点可以给多个网关发数据。
Lora网关
Lora网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器（网关与服务器通过标准IP连接）。可以理解为数据信息的中转站和集中站，类似于快递点，大家都把东西先放到一个点，由这个点再去分发东西。
每个网关具有各自的管辖范围，可以收到管辖范围内所有终端设备发送的数据，同时一个网关也可以给多个设备发送数据。
网络服务器（LoRaWAN协议解析服务器）
由网关收集汇总上来的LoRaWAN协议数据需要进行数据格式转换和解析，便于二次分发传输，可以把LoRaWAN理解地方方言，某一地域的人才能通用（Lora相关设备通讯互通），要是信息需要共享给外部，则要翻译成更加统一和规范的普通话。
此外，LoRaWAN协议解析服务器还能够对网关和终端设备实现远程配置和管理。
应用服务器（云端）
应用服务器比较好理解，收集上来的LoRa设备数据需要进行统计、展示、分析，就需要相应的后台操作界面，对应的就需要有应用端的服务器作为支撑。
LoRaWAN协议定义的三种工作模式
ClassA（省电模式）：终端首先发送数据，数据到达服务器后，终端数据接收窗口才打开，才能接受服务器发来的数据。
ClassB（约定模式）：终端和服务器可以设置数据接收窗口开放时间，数据上报频次、数据量等。
ClassC（极速模式）：终端在发送之外的其他时间打开接收窗口，随时准备数据交互，消耗更多能量，但通信延迟最低。
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Lora技术特殊功能——测距定位
目前，人们日常所使用的任何的应用都离不开定位，举个最简单的例子，没有定位导航地图，你现在能去到任何一个你想去的地方吗？目前的定位通常使用的是GPS或者北斗，但是LoRa技术能基于自身特点也实现定位功能，但目前的精度为几十到几百米，对于精度要求不高但是需要定位的特殊场景还是挺不错的解决方案。接下来让我们一起来看看它的实现原理吧。
当终端的数据包到达网关时，网关并不知道数据包来自哪个终端设备，但是有数据包的接收时间戳（大前提：所有的终端、网关时间同步），核心的原理就是:
距离=电磁波速度*时间
3点空间定位（x/y/z）,至少要有3个以上的网关能够接收数据
大致的流程为：
首先，终端发送数据给范围内的网关（至少3个——空间定位）；其次，网关捕获高精度的到达时间；再次，网络服务器端的算法比较到达时间、信号强度、信噪比和其他参数来计算终端节点的最可能的位置；最后，通过以上步骤计算结果、路径进行交叉集中验证到某一个点或者小范围区域，就可以大致确定终端的具体位置了。
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Lora典型场景应用介绍
因为LoRa具有安全、可定位、远距离、低功耗、多节点、范围广、低成本、低速率、小数据传输等特点，应用核心在于数据采集+异常结果上报。涉及应用场景主要有家庭安防报警及远程无钥匙进入；智能家居；无线报警安全系统；无线工业级遥控器；智能抄表；道路泊车检测器；野外郊区作业，如矿业、郊区重工业等。
具体的我们以牛联网为例。
以往的牧场牛经常丢失而且牛的繁殖品质（错过发情期没有进行交配的牛，需要打激素）不能很好的把控，造成较大的经济损失。如果在牛身上安装LoRa模块+激素检测装置，就可以识别到奶牛的位置和及时安排未受精的奶牛进行交配，然后农场主只需要租用一个服务器，在电脑终端设备上进行奶牛的数字化管理。
总的来说，目前LoRa还处于发展阶段，因为LoRa的组网门槛低而且星状的终端+网关的拓扑组网模式较为简便、成本也不高，而且数据是组网的个人或者机构自有，具有很高的安全性，目前一些大厂如腾讯都在使用该技术。
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Lora优、缺点？
优点
1、部署简单、成本低且安全：不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，一般企业或个人自己可搭建，部署灵活、数据保密性强。
2、远传输距离：城镇可达2-5 Km ，郊区可达15 Km（考虑信号干扰、遮挡）。
3、抗干扰性强：多传输频段自由切换。
4、远距离、可定位：部署范围广（尤其是3-4-5G蜂窝网络无法覆盖的地方）还可实现一定精度的定位功能。
5、低功耗：一个终端设备通常可以用5-10年，不用充、换电。
缺点
1、传输速率较低：0.3-50Kbps，速率越低传输距离越长。
2、有清频风险：工作频段没有授权，频段可能被占用。
3、芯片垄断：被Smetch公司垄断，产业链发展受到一定的抑制，虽然已发展出来LoRa 联盟。
往期精彩回顾：
1、物联网、人工智能、云计算、大数据及5G的区别及联系？
2、RTSP、RTMP、HLS流媒体协议的区别与联系（文末福利真香预警）
3、物联网技术：射频识别技术RFID解析
4、物联网LPWA通信技术（1）：NB-IOT通信特点及主要场景应用
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