在物联网(IoT)的世界里，连接就是一切。它是物联网中的“我”，也是我们提供远程产品和应用的工具，可以将它们的地面情报传输到云端，进行监控、管理和决策。尽管为产品、设备或机器添加连接从未如此简单，但为解决方案选择正确的连接选项仍然非常复杂。
在某些情况下，显然以太网或Wi-Fi是正确的选择。在其他情况下，近距离通信(NFC)或蓝牙可能是首选，因为您的解决方案需要短距离的设备到设备通信。然而，如果您的产品是移动的，或者在城市、农业或其他环境中，Wi-Fi设置的复杂性是根本不可能的，那么您只能在其他地方寻找。具体来说，在蜂窝或LoRa(由单词“远程”组成)和LoRaWAN(远程广域网)中。
蜂窝网络的全球覆盖使得这种方法通过运营商之间的全球统一频带和漫游协议以及数据密集型应用的高带宽连接的可用性而对许多使用案例具有吸引力。虽然有吸引力，但一些应用更喜欢LoRa，其信号具有抗噪性，并且免费和免执照频段的可用性显著降低了单个器件的单位成本。
既然不同的需求会导致你选择cellular或者LoRa，而这些方法更多的是互补而不是竞争，那我们就更深入的研究LoRa吧。
洛拉是什么？
LoRa是一种低功率通信协议，旨在使用免执照频谱进行远距离操作，尤其是为工业、科学和医疗(ISM)目的保留的无线电频带。
LoRa设备在亚千兆赫频率下进行通信，因此可以实现长时间的数据传输，尽管可用频段非常窄，一些政府对这些频段内设备的传输频率有严格的规定。在开放系统互连(OSI)术语中，如图1中的参考模型所示，LoRa芯片是支持其上一切的物理层，并使硬件设备能够将免授权频谱用于低功耗广域网(LPWAN)应用。基本上，它规定了用于无线电通信的频谱和协议。
图一。LoRa运行在OSI参考模型的物理层。
虽然LoRa工作在亚千兆赫的频谱，但LoRa芯片使用的特定频带因地区而异。欧洲的LoRa电台工作频率为863-870/873 MHz，亚洲和南美的设备工作频率为915-928 MHz，北美的设备工作频率为902-928 MHz。在为某个应用购买LoRa芯片时，很多芯片会根据具体的范围要求，预编程到某个区域的频谱。在图2中，您可以看到LoRa频率范围的频谱概况。
图二。LoRa无线电工作在亚千兆赫频谱。图片[修改]由NASA提供。
除了使用的频谱之外，LoRa还规定了无线电通信协议或LoRa PHY。
劳拉调制：扩频调制
LoRa使用专有的无线调制技术，这是扩频调制的衍生物。它使用“放大”脉冲作为信息编码的方式。扩频调制是一种正弦波，如图3所示，其信号频率随时间增加或减少。
图3。LoRa使用一系列增加(如此处所示)或减少的“啁啾”脉冲来编码信息。图片由Georg-Johann提供
LoRa无线电通过使用多个信息啁啾来表示有效载荷中的每一位信息来执行其调制。在这种情况下，名称中的“扩频”是指使用这种技术的设备，包括LoRa衍生物，以分配的带宽进行广播，使这些信号能够抵抗ISM频段的公共信道噪声。
LoRa器件允许工程师利用扩频因子(SF)来调整应用，并在高数据速率或高灵敏度之间进行选择。通过可调的无线电参数，工程师可以选择每秒发送的啁啾数量。低SF每秒会发送更多的啁啾，这意味着你每秒可以编码更多的数据，但从接收方的角度来看，信号不是很敏感。
低敏感度意味着您打算发送的数据更有可能在途中丢失。另一方面，高SF每秒将发送较少的啁啾，但它将产生对接收器更敏感的信号，因此更可靠。然而，高SF啁啾需要更多的“通话时间”(网络上的传输时间)和更多的功率，因为调制解调器比低SF方法运行更长时间。
通过为无线电设置SF和改变调制解调器的发射功率(根据地区不同，在2 dBm和20 dBm之间可调)，LoRa为工程师提供了一个强大的工具，可以根据他们的需求配置应用的功耗和通信范围。
作为物理层，LoRa涵盖了在可以使用相同协议的公共频谱上实现长距离通信所需的一切。但是，它并没有介绍设备如何相互识别，如何以最大限度减少网络串扰的方式相互通信，以及如何将数据从本地网络设备安全地传输到云或远程位置。这就是LoRaWAN(和其他人)的用武之地。
什么是洛拉万？
另一方面，LoRaWAN是基于基于LoRa的调制的网络协议。尽管LoRa本身是点对点的，但LoRaWAN通过定义两个核心设备角色将网络塑造成轴辐式模型：
一个节点，通常是一个传感器。
集中器充当节点和云之间的网关。
在OSI术语中(图4)，LoRaWAN指定了处理节点到节点通信的数据链路层和处理节点如何跨越本地网络边界发送和接收数据的网络层。
图4。LoRaWAN指定了运行在OSI参考模型的数据链路层和网络层的技术。
在数据链路层，LoRaWAN定义了媒体访问控制(MAC)协议，该协议决定了网络上的节点如何识别自己(也称为MAC地址)以及LoRa设备之间通信所用的功率要求、频率和数据速率。
在网络层，LoRaWAN覆盖位于网络边缘的物理硬件，以与位于云中的LoRaWAN节点和服务进行通信。这包括接收、路由、处理和路由来自本地LoRa网络的数据(图5)。
图5。典型的LoRaWAN网络由本地和基于云的元素组成。
集中器充当网关，管理来自LoRaWAN节点的连接以及通过互联网与WAN服务器的连接。市场上的许多集中器通常包括用于同时从LoRaWAN节点接收请求包的八个通道和用于将响应包发送回这些节点的一个通道。当设备加入LoRaWAN网络时，网关与网络服务器协作来管理设备，并处理与基于云的应用服务器的通信。
虽然它不是LoRa中唯一的媒体访问协议，但LoRaWAN协议享有广泛的行业支持和健康的生态系统。它由LoRa联盟发起和维护，成立于2015年，旨在支持LoRaWAN协议的协同开发，确保LoRaWAN产品和服务之间的互操作性。
在世界的一些地方(尤其是欧洲)，移动运营商已经看到了提供自己专有的LoRaWAN网络的收入潜力，其中许多网络都是针对智能城市和农业应用的。在其他地方，更常见的是将LoRaWAN网络视为“自建”的广域专用网络，需要客户自行出资和部署。
洛拉和洛拉万
我在本文开头提到过，LoRa和LoRaWAN经常互换使用，所以大多数工程师期望这些技术在一个解决方案中一起使用也就不足为奇了。虽然LoRaWAN确实需要使用边缘网络中的LoRa设备才能运行，但是部署LoRa设备是否需要LoRaWAN集中器、网络或应用服务器？
现实情况是，尽管LoRaWAN是LoRa WAN中最流行和最广泛部署的协议，并且它是支持许多设备的互操作标准，但它可能不是每个LPWAN应用的最佳选择。除了8信道集中器的成本之外，LoRaWAN协议还规定了链路、通话时间和功率要求——，这些要求可能不适用于每种使用情况，尤其是那些节点数量少且传输不频繁的情况。此外，您要使用的云服务可能不符合LoRaWAN解决方案的网络和应用服务器要求。
不用LoRaWAN就用LoRa。
使用LoRa而不使用LoRaWAN的第一步是，你必须实现自己的媒体访问协议，让节点在如何识别对方，如何隐藏通信，以及如何和何时在空中通信而不踩到对方的问题上达成一致。在没有LoRaWAN的情况下将LoRa部署连接到云也需要实现您自己的机制来处理到云服务的回程。
这可能感觉太复杂了，但是根据你的需求，可以非常简单：两个节点之间的点对点连接可以交替发送和接收角色，一个有几十个节点的小型网络可以使用非常简单的时分多址(TDMA)时隙协议。LoRaWAN是为大规模网络设计的。如果目标是灵活和低成本的单点解决方案，则LoRa节点不需要重新实现LoRaWAN协议的每个部分。这种方法在市场上并不少见。
亚马逊Sidewalk用于Echo、Ring等亚马逊智能设备，使用LoRa，实现mesh网络的MAC层。在商用物联网领域，蓝调无线提供了一款名为Sparrow的产品。如图6所示，这款产品使用LoRa作为节点，与蜂窝或Wi-Fi网关通信，实现云回程(充分披露：我为Blues工作)。
图6。Blues Wireless Sparrow产品使用LoRa进行本地网络通信，同时使用传统的Wi-Fi或蜂窝云回程来连接Notehub.io云服务和客户的终极云基础设施。
Sparrow附带的LoRa MAC是开源的，实现了简单的一键网关/节点安全配对机制和优化电池供电节点寿命的自适应发射功率子系统。
审核编辑：李倩
