物联网的应用有很多种无线技术，可以组成局域网，也可以组成广域网。局域网的无线技术主要有2.4GHz WiFi、蓝牙、Zigbee，广域网的无线技术主要有2G/3G/4G。这些无线技术有明显的优点和缺点，可以总结在下图中。在低功耗广域网(LPWAN)出现之前，长距离和低功耗之间似乎只有一个选择。采用LPWAN技术，设计者可以兼顾两者，最大程度实现更长距离的通信和更低的功耗，同时节省额外的直放站成本。
图1 LP wan技术与LoRa技术定位对比LoRa是LPWAN通信技术之一，是美国Semtech公司采用并推广的基于扩频技术的超长距离无线传输方案。该方案改变了以往传输距离和功耗之间的折中，为用户提供了一个简单的长距离、长续航、大容量的系统，从而扩展了传感器网络。目前，LoRa主要工作在全球自由频段，包括433、868、915 MHz等。
LoRa技术具有远距离、低功耗(长续航)、多节点、低成本的特点。
图2 Lora的技术特点以美国情况为例，对比Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah、LoRa在灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速率、发送电流、待机电流、接收电流、2000mAh续航、定位、抗干扰、拓扑等参数上的差异。
图Lora与其他无线通信技术的比较LoRa网络组成
LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或基站)、服务器和云端四部分组成。应用程序数据可以双向传输。
图4 LoRa网络架构劳拉联盟
LoRa Alliance是一个开放的非营利组织，由Semtech于2015年3月领导。它的赞助商包括法国的Actility，中国的AUGTEK和荷兰皇家电信kpn。在不到一年的时间里，联盟发展了150多家成员企业，包括IBM、思科、法橙等重量级厂商。产业链的每个环节都有大量的企业(终端硬件厂商、芯片厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)。这种技术的开放性和竞争合作的充分性，都促成了LoRa的快速发展和生态繁荣。
图5 LoRa联盟劳拉在中国
中国LoRa应用联盟(简称CLAA)是在LoRa联盟支持下，由中兴通讯发起，各行业物联网应用创新主体广泛参与和合作的技术联盟。旨在共同建立中国LoRa应用合作生态系统，推动中国LoRa产业链的应用和发展，构建多业务共享、低成本、广覆盖、可操作的LoRa物联网。
2016年12月，中国LoRa物联网产业运营联盟正式揭牌[3]，这意味着低功耗广域网(LPWAN)技术LoRa将在中国进入大规模商用部署阶段，也意味着中国将成为全球最大的LoRa商用市场。彭、先科、中科智成、中兴通讯、上海贝尔、万迪成为首批联盟成员。
与其他技术相比，LoRa具有低成本、低功耗、技术成熟的优势，尤其是其产业链最为完善，国际商用案例更加丰富。然而，中国的LoRa发展缓慢。虽然LoRa模块在物联网产业链中的M2M产业已经得到广泛应用，但由于缺乏基础网络和技术人才的支撑，产业生态无法形成闭环。在物联网比较发达的中国台湾省，比如清华大学，台湾省等。，学生们已经开始提供基于LoRa物联网技术的应用课程[4]
。另一方面，目前国内高校物联网专业中LoRa技术及应用的课程很少，虽然学习民间科技网站的热情在逐渐高涨。比如国内的LoRa应用站已经开始整合翻译LoRa技术资料，甚至为物联网专业的大学生准备LoRa实验室课程。
网络部署
目前，LoRa网络已经在全球很多地方进行了试点或部署。根据LoRa Alliance 2017发布的数据，已经有超过30个国家开始建设网络，超过150个城市开始进行试点。中国奥格泰克完成京杭大运河284个基站建设，覆盖1300公里流域；美国网络运营商Senet于2015年年中在北美完成了50个基站的建设，覆盖了1.5万平方英里(约3.885万平方公里)。预计一期将架设200多个基站；美国最大的有线电视公司康卡斯特宣布采用LoRa技术。它将首先在费城和旧金山完成网络部署，并提供与计量(抄表等)相关的服务。)、环境监测(温湿度、污染、噪声监测等。)和跟踪定位。法国电信Orange于2016年初宣布在法国建立网络；荷兰皇家电信kpn宣布将在新西兰建设网络，到2016年达到50%的覆盖率；印度塔塔宣布将在孟买和德里建设网络；Telstra宣布将在墨尔本进行试点...
图6 LoRa全球网络部署洛拉万协议
LoRaWAN是基于由LoRa联盟引入的开源MAC层协议的低功率广域网(LPWAN)标准。这项技术可以为电池供电的无线设备提供本地、全国或全球网络。LoRaWAN针对物联网的一些核心需求，如安全双向通信、移动通信、静态位置识别等。该技术无需复杂的本地配置，即可实现智能设备间的无缝对接和互操作，赋予物联网中的用户、开发者和企业免费运营权。
LoRaWAN网络架构是典型的星型拓扑。在这种网络架构中，LoRa网关是一个透明的传输中继，连接终端设备和后端中心服务器。网关通过标准IP与服务器连接，终端设备通过单跳与一个或多个网关通信。的所有节点都与网关双向通信，还支持云升级等操作，减少云通信时间。
终端和网关的通信是在不同频率和数据传输速率的基础上完成的，数据速率的选择需要在传输距离和消息延迟之间权衡。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信不会互相干扰，还会创建一组“虚拟”频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率从0.3 kbps到37.5 kbps不等。为了最大化终端设备的电池寿命和整个网络的容量，LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率(ADR)方案来控制每个终端设备的数据传输速率和RF输出功率。全国范围的广域网针对物联网应用，如关键基础设施建设、机密个人数据传输或社会公共服务。关于安全通信，LoRaWAN一般采用多层加密:一是唯一网络密钥(EU164)，保证网络层安全；第二，唯一的应用密钥(EU164)保证了从应用层端到端的安全性；三。属于设备的特殊密钥(EUI128)。LoRaWAN网络根据实际应用的不同将终端设备分为A/B/C三类:
A类:双向通信终端设备。这种终端设备允许双向通信，每个终端设备的上行传输会伴随两个下行接收窗口。终端的传输时隙基于其自身的通信需求，并且其微调基于随机时间基准(ALOHA协议)。属于A类的终端设备在应用中功耗最低。终端发送上行传输信号后，服务器可以快速进行下行通信。在任何时候，服务器的下行通信只能跟随上行通信。
图7 A LoRa终端协议类别:具有预设接收槽的双向通信终端设备。这种终端设备会在预设时间内打开冗余接收窗口。为了实现这个目标，终端设备将同时从网关接收信标，并通过信标同步基站和模块的时间。这样，服务器可以知道终端设备正在接收数据。
图8 B LoRa终端协议类别:具有最大接收槽的双向通信终端设备。这种终端设备保持接收窗口打开，只在传输时关闭。
图9 C LoRa终端协议LoRa技术要点
一般来说，传输速率、工作频带和网络拓扑是影响传感器网络特性的三个主要参数。传输速率的选择会影响系统的传输距离和电池寿命；工作频带的选择应该折衷频带和系统的设计目标；在FSK系统中，网络拓扑的选择会影响系统所需的传输距离和节点数量。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，具有前所未有的性能。以前只有那些高档的工业无线电通信才会集成这些技术，但是随着LoRa的推出，嵌入式无线通信的局面彻底改变了。
图10 LoRa通信参数前向纠错编码技术是在待传输的数据序列中加入一些冗余信息，使数据传输过程中注入的误码元素在接收端得到及时纠正。这种技术减少了过去创建用于重传的“自愈”分组的需要，并且在解决由多径衰落引起的突发错误方面表现良好。一旦建立了数据包并注入了前向纠错编码以确保可靠性，这些数据包将被发送到数字扩频调制器。这个调制器将分组数据分组中的每个比特馈送到“扩展器”中，并将每个比特时间分成许多码片。
即使噪音很大，LoRa也能从容应对。LoRa调制解调器配置完成后，可分为64-4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特的最高扩频因子(12)。相对来说，ZigBee只能划分10-12码片/比特的范围。
通过使用高扩频因子，LoRa技术可以通过大范围的无线电频谱传输小容量数据。其实当你用频谱分析仪测量的时候，这些数据看起来像是噪声，但不同的是，噪声是不相关的，数据是相关的。基于此，实际上可以从噪声中提取数据。扩频因子越高，从噪声中提取的数据就越多。在功能良好的GFSK接收机中，需要可靠地解调最低8dB的SNR。通过配置AngelBlocks，LoRa可以解调信噪比为-20dB的信号。GFSK和这个结果的差别是28dB，这意味着范围和距离大大扩展了。在室外环境中，6dB的间隙可以是原来传输距离的两倍。
图11 LoRa灵敏度实验 图12超灵敏LoRa技术超级链路预算让信号飞得更远。
为了有效地比较不同技术之间传输范围的性能，我们使用了一个称为“链路预算”的量化指标。链路预算包括影响接收机信号强度的每个变量，包括传输功率加上简化系统中接收机的灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收机的灵敏度为-129dBm，总链路预算为149dB。相比而言，灵敏度为-110dBm(这是非常好的数据)的GFSK无线技术需要5W功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。实际上，大多数GFSK无线技术的接收机灵敏度可以达到-103dBm。在这种情况下，发射机频率必须为46dBm或大约36W，以实现类似于LoRa的链路预算值。
图13和GFSK的敏感度比较因此，由于采用了LoRa技术，今天的物联网可以以较低的传输功率获得更广的传输范围和距离，这种低功率广域技术方向对于降低物联网的建设成本，实现未来的万物互联是必要的。
据了解，LoRa联盟和NB-IoT联盟正在火热抢夺物联网市场。由于各自的技术特点和应用场景不同，很难一站式满足客户需求。目前，协成智慧已有成功案例和丰富的行业解决方案，是CLAA(LoRa联盟)和中国NB-IoT产业联盟成员，提供一站式LoRa解决方案(兼容NB-IoT)，包括LoRa模块、NB-IoT模块+物联网基站+管理平台软件开源+数据供应等，可定制开发，市场首选。
