估计有不少的同学都听说过“古墓丽影”吧，无论是在电影里，还是在游戏中，劳拉总能给我们留下深刻的印象，但是各位是否了解物联网界的们劳拉呢?嗯，说的就是 LoRa，作为物联网界的红人，网络充斥 LoRa 的各种介绍文章，内容大多数千篇一律，深度上也是蜻蜓点水，所以咱们打算做一个系列的干货，让物联网界的 LoRa 也能给各位零基础的小伙伴留下深刻的印象。

　　这算是本系列的第一篇，咱们同样是先来点铺垫

　　1. LoRa 基本概念

　　LoRa 是美国 Semtech 公司在 2013 年开发并推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

　　官方对 LoRa 的定义是：“LoRa? 是指由 Semtech 专门开发给长距离低功耗物联网使用的扩频技术”。

　　这里有一个很有趣的逸闻，话说扩频技术最早的专利属于下面这位美女——海蒂·拉玛，她于 1914 年 11 月 9 日 出生于奥地利首都维也纳。从小家境优越，受到了优良的教育，成绩不错，尤其是数学。

　　16 岁时，海蒂开始对表现感兴趣，因此不顾父母的反对，放弃了正在攻读的通信专业，跑到德国柏林学习表演，并于 1933 年在正式踏入电影界，而且一来就成为世界上首位全裸出镜的女演员!

　　20 岁时，海蒂嫁给了一位亲纳粹的奥地利军火商，她对其丈夫主要研究的无线电信号遥控鱼雷和无线通信干扰技术非常感兴趣，也参与了大量的技术讨论旁听。1938 年德国吞并奥地利之后，她与第一任丈夫离婚并作为女主角，开始了她在好莱坞米高梅公司的，全新的演艺生涯;

　　1939 年，25 岁的海蒂结识了音乐家乔治·安太尔，二人于 1940 年初构思出了一种全新的通信技术，灵感来自于钢琴，就像弹钢琴时，按一个键发出一个频率的音那样，如果在两台钢琴上装上相同的打孔纸卷，则可以实现两台钢琴的同步演奏。

　　1941年，海蒂·拉玛和乔治·安太尔共同完成了这项研究并为他们的“频率跳变”装置设计申请了专利，专利说明描述了一种引导鱼雷的通信方法，是由一种类似自动钢琴音乐筒的装置控制，该装置有一个独特的由 88 个可能的阶梯组成的序列。通过在每个频率上仅发送整个信息的一小部分，鱼雷能受到操纵。

　　1942 年 8 月，他们得到美国颁发的专利证书，并将这项专利捐献给美国政府，希望能够对二战有帮助。可惜美国联邦调查局始终怀疑海蒂·拉玛的第一场婚姻，但是她是纳粹份子，所以贯穿整个二战，美国人从未将跳频技术用于对纳粹的战争。

　　1985 年，在“跳频”技术基础上，一家名不见经传的小公司在美国圣迭戈成立，悄悄地研发出 CDMA 无线数字通信系统。这家公司就是高通。

　　海蒂·拉玛和克拉克·盖博

　　好了，闲聊到此，咱们还是说正事儿，扩频技术主要包括 DSSS 直接序列扩频和 FHSS 跳频扩频。

　　(1)DSSS 直接序列扩频(例如 WiFi)

　　所谓直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统就是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发射端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

　　它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的 PN 码(伪噪声码)进行“异或”运算。比如发射端将"1"用11000100110，而将"0"用 00110010110 去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110 就恢复成"1"，而 00110010110 就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了 11 倍，同时也使处理增益达到 10dB 以上，从而有效地提高了信噪比。

　　对于直扩系统而言，射频带宽很宽，功率谱密度很低，甚至淹没在噪音中，外界就很难检查到信号的存在，所以保密性好。同时由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

　　直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用 BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等调制方式。

　　(2)FHSS 跳频扩频(例如蓝牙)

　　所谓 FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum)就是将要发送的信息用伪随机码(PN码)去进行频移键控调制，但是它不是将伪随机码调制到无线载波上，而是用这个伪随机码确定离散频率的次序，使载波频率在传送中不断跳变。在接收端，由于有与发送端完全相同的完全相同的伪随机码进行解扩，然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。

　　而跳频扩频由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为 FSK 或 ASK。

　　其中 DSSS 的传输速率更高，而 FHSS 的抗干扰性更好。

　　1.1 LoRa?

　　我们可以理解为 LoRa 本质上就是一种调制技术，就像经常见到的 FSK、ASK 这种，它通过牺牲速率来换取高的灵敏度和抗干扰性。像普通的 FSK 这种调制技术，需要信号的幅值高于噪声很多才可以有效传输，但是 LoRa 可以信号幅值在低于噪声的时候也能够有效获取，所以能够传的更远，让我们可以使用 LoRa 技术在物理层建立远距离的无线通信网络。

　　1.2 LoRaWAN

　　而 LoRaWAN 则是 Semtech 联合了许多业内企业，在 LoRa 的技术基础上完善并设计出的一套通讯协议和系统架构，其设计上充分考虑了节点功耗，网络容量，QoS，安全性和网络应用多样性等多方面的因素。

　　这几年随着物联网概念的火爆，Lora这个技术也得到了大力的推广，所以我们习惯上就把 LoRaWAN 和 LoRa? 统称为LoRa 了。

　　2 LoRa 大行其道的背后推手

　　我们知道每一项新技术的推广，其背后都伴随着庞大利益的推动，LoRa 当然也不能免俗。

　　由 Semtech 发起的 LoRa 联盟是一个开放的，非营利性协会，其目的是希望通过产业链上下游居领导者地位的企业和组织的大力推动和使用，不断完善 LoRa 技术，共同构建产业合作伙伴生态，最终使其成业事实上的全球化物联网产业标准。从下图可以看到 LoRa 在全球的部署情况：

　　LoRa 联盟全球部署情况

　　联盟成员来自于世界各地的各种类型组织，解决生态系统的各个方面。成员包括多国的电信运营商、设备制造商、系统集成商、传感器生产商、创业型企业和半导体公司。很显然，虽然联盟号称是非盈利性组织，但是加入联盟的企业成员都抱有各自的商业目的，大家都朝着共同的目标——瓜分未来低功耗广域物联网市场而努力推广 LoRa 技术。

　　3 LoRa 的特点和应用场景

　　接下来各位小伙伴可以看一下官方提供的 LoRaWAN 协议层次图。

　　LoRaWAN 协议层次

　　LoRaWAN 的特点是：

　　(1)长距离 ：-148dB 的灵敏度提供了长距离高穿透性的传输，实际测试情况是在 20dbm 的发射功率，300bps 的空中速率下，相对空旷的环境以及离地两米时是可以传将近 6 公里的，远大于同等条件下 FSK 调制的传输距离;

　　(2)低速率：前面我们说过，LoRa 的远距离是建立在低速率基础上的，若采用相对较大空中速率的话，LoRa 就没有什么优势了。

　　(3)抗干扰 ：-20dB 的 SNR(信噪比，就是有用信号和噪声的比值) 提供噪声免疫能力，实际测试情况是在低于噪声 25~30dbm(可以理解为在很嘈杂的环境中，还能听见对面山坡上的鸟叫)的时候还能够把信号有效的获取;

　　(4)高容量 ：不同的扩频因子可以提供高频道重复使用率，容纳更多节点;

　　(5)低耗电 ：优化的省电模式可使产品使用长时间不需更换，但是需要明确的是，这也是相对的情况。

　　3.1 应用场景

　　综合上述特点，我们可以发现 LoRa 非常适合低速率下、远距离、通信频次低、对实时性要求不高的应用场合。我们可以使用它来取代 WiFi 或是 GPRS 等高耗电及短距离的应用。这样的场景非常多，随便举几个例子：

　　(1)油田状态感知

　　利用各种在线的、实时测量的感知设备，诸如安装在油气水井、管道、油气处理、加工、储运设备上的各种仪表等信息传感设备，将传感器采集到的数据传输到企业服务中心和云平台，以实现智能化管理。

　　(2)农业物联网

　　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地上传数据，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，所以 LoRa 十分适用于这样的场景。

　　(3)水务物联网

　　通过数采仪、无线网络等在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化的方式有机整合水务管理部门与供排水设施，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，从而达到“智慧”的状态。

　　(4)物流追踪

　　追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网，LoRa 可以提供这样的便捷部署方案。

　　(5)智能建筑

　　在楼控自动化系统中，对于建筑的信息化改造，加入温湿度、安全、有害气体、水流监测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。

　　4 LoRaWAN 的网络架构介绍

　　一个 LoRaWAN 网络架构中包含了终端设备(End Nodes)、网关\基站(Gateway)、网络服务器(Network Server)、应用服务器(App Server)这四个部分。网关和终端之间采用星型网络拓扑，其中网关是一个透明桥接，在终端设备和后台中央网络服务器之间转送讯息。下图是官方提供的 LoRaWAN 网络架构示意图：

　　LoRaWAN 网络架构

　　从上面这张图，我们可以得到如下几方面的信息：

　　4.1 LoRaWAN 是采用星型组网

　　无线星型组网的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点较为复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。

　　星型组网

　　优点：

　　(1)控制简单，任何一个节点只和中央节点相连接，因而访问控制方法简单，访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。

　　(2)故障诊断和隔离容易，中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

　　(3)方便服务，中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

　　缺点：

　　(1)中央节点负担重，容易形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。

　　(2)各节点的分布处理能力较低。

　　总的来说无线星型拓扑结构相对简单，便于管理，容易组网。

　　4.2 在接入部分包括终端和网关

　　在这部分官方列举了宠物追踪、烟雾报警、水表、垃圾桶、自动售货机、气体监测这 6 个典型应用，大家会发现终端节点可以同时与多个网关通信。网关则对和终端之间的 LoRaWAN 协议数据做转发处理，将 LoRaWAN 数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上。

　　网关通过标准 IP 连接连接到网络服务器，而终端设备使用无线通信单跳到一个或多个网关。所有终端节点通信一般都是双向的，但还支持诸如组播操作或其他大量信息分发以减少空中通信时间。

　　同时，也可以想象出，单个 LoRa 终端既然和多个网关相连，那么它就可以选择与其中信号最好的一个网关进行通信，事实上，终端设备和网关之间的通信以不同频道和数据速率传播。数据速率的选择需要在通信距离和通信时延间做一个权衡。由于扩频技术，不同数据速率的通信相互间不会干扰，并会创建一组“虚拟”通道，增加了网关的容量。LoRaWAN 的数据速率范围从 0.3kbps到50kbps。

　　4.3 在服务器部分

　　服务器是LoRaWAN 的核心，它承载了众多原本应在终端和网关侧承载的重要功能，包括无线参数控制、QoS、通信协议、网络安全、节点漫游和增值服务：节点定位，节点自动升级等。这里可以看到的是网络服务器和应用服务器，事实上 LoRaWAN 还包括了另外两种服务器，我们将在本系列后续文章中逐一来聊。