LoRa（LongRange）是一種基于CSS（Chirp Spread Spectrum）的物理層擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，能夠顯著提升IoT節(jié)點(diǎn)的無線通信距離，主要適用于低頻次、小數(shù)據(jù)量、長(zhǎng)距離的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）。

與OOK、FSK、MSK等窄帶調(diào)制不同，LoRa主要通過呈線性變化的“啁啾信號(hào)”來編碼數(shù)據(jù)，使信號(hào)在頻域上呈現(xiàn)擴(kuò)展特性，從而獲得顯著的擴(kuò)頻處理增益，實(shí)現(xiàn)較低甚至負(fù)信噪比下的可靠解調(diào)，并大幅提升抗干擾、抗多徑與抗阻塞能力。

CSS調(diào)制信號(hào)的時(shí)域曲線與頻率變化示意圖

這種抗干擾能力配合前向糾錯(cuò)（FEC）機(jī)制，使LoRa接收機(jī)在低至-20 dB的惡劣信噪比環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的信號(hào)接收與數(shù)據(jù)解調(diào)能力，且其還能保持與FSK等傳統(tǒng)窄帶調(diào)制方案相當(dāng)?shù)牡凸奶匦裕?/p>

另外，大部分基于LoRa調(diào)制的芯片/模塊/IoT通信節(jié)點(diǎn)都具備極高的接收靈敏度，典型值可達(dá)-130dBm及以下，是智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中被廣泛采用的無線通信解決方案之一。

LoRa與BLE、Wi-Fi、Thread、NB-IoT等無線通信技術(shù)的對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用中，基于LoRa調(diào)制的IoT節(jié)點(diǎn)都工作在免授權(quán)的ISM頻段中，可規(guī)避頻譜授權(quán)成本，并能輕松實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境數(shù)公里、鄉(xiāng)村環(huán)境十?dāng)?shù)公里及以上的超遠(yuǎn)通信覆蓋范圍。

同時(shí)，開發(fā)者還能靈活應(yīng)用占空比設(shè)計(jì)（周期性喚醒 + 短時(shí)突發(fā)通信）極大地低降低節(jié)點(diǎn)運(yùn)行功耗，使得那些依賴電池供電的節(jié)點(diǎn)設(shè)備能擁有長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的無線通信續(xù)航能力。

如上圖所示，與BLE、Wi-Fi、Thread、NB-IoT等常見的無線通信技術(shù)相比，基于LoRa調(diào)制的無線通信方案具備明顯的傳輸距離優(yōu)勢(shì)；
此外，其10kbps-50kbps的數(shù)據(jù)速率吞吐性能已完全能滿足IoT場(chǎng)景中傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)指令等小數(shù)據(jù)量的傳輸需求；而其低至-148dbm的接收靈敏度，還能進(jìn)一步保障了復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)接收穩(wěn)定性。

可以認(rèn)為，LoRa方案填補(bǔ)了短距離無線技術(shù)（如 Wi-Fi、BLE）與蜂窩廣域技術(shù)（如 NB-IoT）之間的應(yīng)用空白，尤其在智慧農(nóng)業(yè)的土壤墑情監(jiān)測(cè)、智慧城市的智能路燈管控、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中，LoRa方案憑借免授權(quán)頻段、易部署、高可靠的優(yōu)勢(shì)，已成為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)落地的主流選擇之一。

LoRa與LoRaWAN有何區(qū)別？

在低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）領(lǐng)域，LoRa 與 LoRaWAN 是兩套高度關(guān)聯(lián)但層級(jí)、邊界與功能定位截然不同的技術(shù)體系，其中：

LoRaWAN通信協(xié)議棧示意圖

LoRa 是物理層（PHY）上的調(diào)制技術(shù)，其核心為基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）的調(diào)制方案，它僅規(guī)定了無線信號(hào)的生成、擴(kuò)頻、調(diào)制與解調(diào)機(jī)制，定義了帶寬、擴(kuò)頻因子（SF）、編碼率等物理層參數(shù)，并不涉及鏈路層接入控制、幀格式定義、網(wǎng)絡(luò)層路由與管理等上層協(xié)議規(guī)范。開發(fā)者可基于LoRa物理層構(gòu)建私有通信鏈路，無需依賴標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或星型組網(wǎng)。

LoRaWAN 是基于LoRa物理層構(gòu)建的通信協(xié)議棧，其協(xié)議底層復(fù)用LoRa調(diào)制技術(shù)作為物理層，上層則定義了完整的MAC層（鏈路層）規(guī)范（含Class A/B/C 設(shè)備接入模式、信道接入控制、自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）、幀封裝與安全校驗(yàn)機(jī)制），并配套了網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層交互規(guī)范，形成了一套覆蓋設(shè)備接入、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)管理的完整LPWAN解決方案。

LoRa如何定義擴(kuò)頻因子（SF）、帶寬（BW）與編碼率（CR）？

LoRa 調(diào)制通過采用多個(gè)擴(kuò)頻碼片來表征每一位有效負(fù)載信息，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜擴(kuò)展。其中，擴(kuò)頻信號(hào)的底層傳輸速率為碼片速率，表征有效數(shù)據(jù)符號(hào)的傳輸速率為符號(hào)速率（Rs）。

擴(kuò)頻因子（Spreading Factor, SF）定義為碼片速率與標(biāo)稱符號(hào)速率的比值，其物理含義為表征單個(gè)有效數(shù)據(jù)符號(hào)所使用的擴(kuò)頻碼片數(shù)量，直接決定調(diào)制信號(hào)的擴(kuò)頻增益、傳輸距離與數(shù)據(jù)速率。

帶寬（Bandwidth, BW）指LoRa調(diào)制信號(hào)所占用的射頻信道帶寬，決定系統(tǒng)碼片速率與信號(hào)頻率分辨能力。
帶寬取值直接影響通信鏈路的傳輸速率、接收靈敏度及抗干擾性能，帶寬越大，數(shù)據(jù)傳輸速率越高；帶寬越小，接收靈敏度越高，鏈路覆蓋能力越強(qiáng)。

編碼率（Coding Rate, CR）為 LoRa 前向糾錯(cuò)編碼（FEC）的信息比特與總傳輸比特之比，用于描述信道糾錯(cuò)冗余程度。
通過引入冗余編碼，編碼率可提升信號(hào)在復(fù)雜信道環(huán)境下的抗干擾與糾錯(cuò)能力，編碼率越低，糾錯(cuò)能力越強(qiáng)，鏈路可靠性越高；編碼率越高，有效數(shù)據(jù)傳輸效率越高。

LoRaWAN如何定義通信架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c工作方式？

LoRaWAN 定義了基于擴(kuò)頻調(diào)制的低功耗廣域網(wǎng)通信體系，采用開放標(biāo)準(zhǔn)的分層通信架構(gòu)，由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器協(xié)同構(gòu)成完整通信鏈路。

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

其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟孕切屯負(fù)錇楹诵?，終端節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)僅完成透明轉(zhuǎn)發(fā)，不參與終端尋址與數(shù)據(jù)路由，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)并發(fā)接入與廣域覆蓋。

工作方式上，LoRaWAN 采用雙向異步通信機(jī)制，支持 Class A、Class B、Class C 等多種終端工作模式，以ALOHA隨機(jī)接入為基礎(chǔ)，結(jié)合自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率與信道跳頻機(jī)制，在保證低功耗運(yùn)行的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

基于上述分層通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，LoRa與LoRaWAN的組合已形成了良性的互補(bǔ)關(guān)系：前者提供遠(yuǎn)距離、低功耗的物理層通信能力，后者則提供標(biāo)準(zhǔn)化、可運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)體系；

兩者結(jié)合就能構(gòu)建出一個(gè)既能覆蓋廣域、又能長(zhǎng)期運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。目前，這兩種技術(shù)方案已廣泛滲透至智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能抄表、資產(chǎn)追蹤以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域之中。

RFM95、RFM6601，高性能的LoRa與LoRaWAN模塊

值得一提的是，任何通信協(xié)議及其方案的落地都需要一款成熟、可靠的硬件模塊作為支撐，而LoRa與LoRaWAN模塊就是銜接技術(shù)理念與應(yīng)用場(chǎng)景之間的核心載體。

例如，華普微自主研發(fā)的RFM95就是一款采用先進(jìn)數(shù)模混合設(shè)計(jì)，基于獨(dú)創(chuàng)自適應(yīng)速率算法，支持多頻段、多調(diào)制方式（LoRa、（G）FSK、（G）MSK、OOK）的LoRa SPI模塊；

它不僅能有效提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線通信鏈路性能，還能覆蓋從遠(yuǎn)距離、低速率到中短距離、中高速率的通信場(chǎng)景，且電流功耗顯著低于行業(yè)內(nèi)其他裝置。

RFM95的核心優(yōu)勢(shì)在于通過164dB的最大鏈路預(yù)算實(shí)現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的通信距離——這一性能源于+20dBm（100mW）的恒定射頻輸出功率與低至-144dBm的接收靈敏度的結(jié)合，在采取LoRa調(diào)制的方式下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)“距離、抗干擾、功耗”三角權(quán)衡問題的突破，即使在復(fù)雜環(huán)境下也能確保無線信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

RFM6601是一款支持LoRaWAN節(jié)點(diǎn)特性，集成通用MCU、射頻收發(fā)器、調(diào)制解調(diào)器及外圍器件的高性能LoRaWAN模塊；
它采用先進(jìn)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)，并通過了FCC/CE/IC認(rèn)證，是集超低功耗、遠(yuǎn)距離通信、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)、高集成度等核心優(yōu)勢(shì)于一身的無線通信解決方案。

RFM6601具備天然的抗多徑干擾能力和穿透能力，在低信噪比環(huán)境中仍能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信號(hào)；
RFM6601可提供豐富的外設(shè)功能，包括多個(gè)通用GPIO，32.768 KHz外部晶體振蕩器，信道偵聽，高精度RSSI測(cè)量，以及12位高速ADC及DAC等；

續(xù)航方面，RFM6601的發(fā)射工作電流僅為108mA @+22dBm(3.3V)，433.92MHz，接收電流僅為10mA@433.92MHz，睡眠電流僅為1.3uA，且在Class A模式下不需要喚醒偵聽（Class A設(shè)備一旦上行傳輸完成，會(huì)自動(dòng)打開兩個(gè)短接收窗口），設(shè)備的電池壽命可覆蓋多年。