一文讀懂 LoRaWAN 協(xié)議，什么優(yōu)勢讓它脫穎而出？

在當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)場景中，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大與入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增長，信道擁擠、信道干擾與信號失真等現(xiàn)象已愈發(fā)凸顯，且同一場景下往往還存在著多種通信速率需求，傳統(tǒng)通信技術(shù)已越來越難以支撐規(guī)?；奈锫?lián)網(wǎng)組網(wǎng)需求，因此在綜合考慮建設(shè)成本、運行功耗、傳輸距離與網(wǎng)絡(luò)容量等因素下，LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)應(yīng)運而生。

其中，LoRaWAN作為LPWAN 技術(shù)的典型代表，在物理層中采用了線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù) CSS（Chirp Spread Spectrum），用以進(jìn)行可靠的低功耗無線通信，在眾多物聯(lián)網(wǎng)場景中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，是應(yīng)對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；M網(wǎng)通信困境的有效解決方案之一。

LoRaWAN 協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)無線通信的“潛力股”

關(guān)于LoRaWAN所采用的 CSS 技術(shù)，其原理為將數(shù)據(jù)信號在頻域上進(jìn)行擴展，可簡單理解為將一個數(shù)據(jù)信號分為多個部分（信號擴展），而后將其分布在不同頻率中進(jìn)行傳輸。

CSS 技術(shù)不僅能有效提升信號的抗干擾能力，且即使在傳輸過程中有部分信號受到干擾，接收端也能通過其他部分的信號還原出完整的數(shù)據(jù)信號，具備在低信噪比環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定通信的能力。

LoRaWAN所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號主要攜帶在不同的 chirp（線性調(diào)頻）信號中，chirp信號指頻率線性增加/降低的無線信號，而不同擴頻因子（SF6~SF12）可表示不同chirp信號中可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸的比特量。

如上圖所示，在帶寬、頻率、發(fā)射功率、編碼率和傳輸數(shù)據(jù)量相同條件下，擴頻因子越大，則其數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)臅r間越長，因此數(shù)據(jù)傳輸率越低，但擴頻因子越大同時也意味著數(shù)據(jù)傳輸更可靠，數(shù)據(jù)傳輸距離更遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸所需的信噪比更低。在相同帶寬下，擴頻因子SF6的數(shù)據(jù)率最高，擴頻因子SF12 的數(shù)據(jù)率最低。

LoRaWAN還可調(diào)制信道帶寬，通常而言，增大帶寬可增加數(shù)據(jù)傳輸速率，但會犧牲部分接收靈敏度。目前LoRaWAN最低可支持調(diào)至7.8kHz，低于62.5kHz必須要使用TCXO以確保精度，在中國大陸，LoRaWAN常用的信道帶寬為125KHz、250KHz和500KHz。

值得一提的是，由于LoRa信號可在不同擴頻因子中進(jìn)行傳輸（SF6~SF12），且不同擴頻因子還可以使用相同的信道(不同的擴頻序列之間是正交的，因此頻率可以復(fù)用)，因此LoRaWAN協(xié)議可靈活適應(yīng)不同速率與不同傳輸距離的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)需求。

從成本角度上看，由于 LoRa 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，LoRaWAN 終端設(shè)備和LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的價格已較為親民。

同時，由于 LoRa 技術(shù)使用的是免費的非授權(quán)頻段（ISM頻段：433MHz、868MHz、915MHz 與2.4GHz），且其只需少量的網(wǎng)關(guān)就可實現(xiàn)較大范圍的部署規(guī)模，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較低。

而在維護(hù)方面，由于LoRa模塊具有深度休眠和喚醒功能，可在不通信時進(jìn)入休眠模式，因此其電池更換頻率低，維護(hù)成本也相對較低。

LoRaWAN 協(xié)議，精準(zhǔn)賦能物聯(lián)網(wǎng)

憑借著遠(yuǎn)距離通信、低功耗、低成本與強抗干擾能力等顯著優(yōu)勢，LoRa 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)與智慧物流等多個領(lǐng)域中，為各行業(yè)的數(shù)字化與智能化發(fā)展提供了有力支持。

LoRaWAN 協(xié)議應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)勢 圖源：LoRa聯(lián)盟官網(wǎng)

LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)在終端設(shè)備與中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間進(jìn)行消息中繼。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接進(jìn)行通信，其核心功能是將射頻數(shù)據(jù)包與IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。

憑借LoRa物理層的遠(yuǎn)距離傳輸特性，終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間僅需單跳鏈路即可實現(xiàn)通信。該系統(tǒng)支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，并具備組播尋址功能，這使得在固件無線升級（FOTA）等操作中能夠?qū)崿F(xiàn)高效的頻譜利用率。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡示圖 圖源：LoRa聯(lián)盟官網(wǎng)

此外，LoRaWAN協(xié)議中還定義了LoRaWAN終端設(shè)備的三種工作模式，它們分別是Class A、Class B與Class C，這三種工作模式基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場景。

其中，Class A模式為雙向異步通信，上行傳輸后開啟2個短暫下行窗口接收響應(yīng)，功耗最低。

Class B模式主要通過Beacon同步時間，額外開放預(yù)定義接收窗口，平衡通信延遲與功耗。Class C模式則持續(xù)監(jiān)聽下行鏈路，延遲最低但功耗最高，適用于緊急控制場景。

例如，RFM6601就是一款用于構(gòu)建LoRa網(wǎng)絡(luò)的低功耗LoRa模塊，其采用了先進(jìn)的數(shù)?；旌显O(shè)計，基于獨創(chuàng)自適應(yīng)速率算法，可高效連接物聯(lián)網(wǎng)并延長LoRaWAN設(shè)備的使用壽命，并已通過FCC認(rèn)證。

RFM6601具有低功耗，高靈敏度，遠(yuǎn)距離通信，高性價比等優(yōu)點，同時能夠提供豐富的外設(shè)功能，包括多個通用GPIO，32.768 KHz外部晶體振蕩器，信道偵聽，高精度RSSI，以及12位高速ADC及DAC等。

展望未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，LoRa 技術(shù)也將會不斷完善與創(chuàng)新，其數(shù)據(jù)通信速率、網(wǎng)絡(luò)容量等性能指標(biāo)有望得到進(jìn)一步提升，以滿足不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。我們相信，LoRa技術(shù)在未來將會繼續(xù)推動工業(yè)系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展，為用戶提供更加智能、便捷、舒適的使用體驗。

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