LoRa和LoRaWAN详细介绍

目录

 

简介

1.LoRaWAN系统架构

2.LoRa射频技术有什么优缺点

3.LoRa和其他通讯方式对比

4.哪些场合和需求需要用到LoRaWAN

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Lora LoraWAN教程

简介

LoRa技术是由Semtech公司开发，基于扩频频移键控（CSS）调制，这种调制技术可以实现在不同频率上发送长距离和低功耗的信号。通过调整发送功率和传输速率，LoRa设备可以适应不同的应用场景和需求。

LoRaWAN（LoRa Wide Area Network）则是基于LoRa射频技术构建的一种低功耗、广域通信协议，用于连接和管理广域范围内的LoRaWAN设备。LoRaWAN为低功耗、长距离、兼容性的物联网通信提供了一种标准化的解决方案。

图2 LoRaWAN协议结构层次

小结：LoRa是一种射频通信技术，LoRaWAN是基于LoRa射频技术的一种标准通信协议，类似于网线和TCP/IP的关系。

国内只允许使用CN470,470-510MHZ。

1.LoRaWAN系统架构

图3 LoRaWAN网络架构

LoRaWAN采用星型网络拓扑结构，由LoRaWAN终端、LoRaWAN网关、LoRaWAN服务器、用户应用服务器4个部分组成。LoRaWAN终端与LoRaWAN网关之间采用LoRa无线通信方式通信（可选择EU433/CN470/EU868/AU915/US915/KR923等通信频段进行通信），LoRaWAN网关、LoRaWAN服务器、用户应用服务器采用以太网或其他能够使用TCP/IP协议的网络通信。

LoRaWAN终端：负责数据采集、设备控制、无线收发。LoRaWAN终端可以以多种形式存在，可以是集成了传感器为一体的终端，也可以是专门负责对接其他设备或传感器的采集终端和控制终端。

LoRaWAN网关：在LoRaWAN终端和LoRaWAN服务器之间中继消息，LoRaWAN网关通过网络、4G、WiFi等方式连接到LoRaWAN服务器，并充当透明的桥梁，简单地将无线射频数据包转换为 IP 数据包，反之亦然。

LoRaWAN服务器：LoRaWAN服务器与LoRaWAN网关和用户应用服务器相连。LoRaWAN服务器负责管理和控制所有连接到该网络的LoRaWAN设备，LoRaWAN设备可以通过无线方式与LoRaWAN网关进行通信，LoRaWAN网关负责接收设备发送的数据并将其转发给LoRaWAN服务器。LoRaWAN服务器可以与用户应用服务器（用户的平台、组态软件、上位机）进行通信。

用户应用服务器：用户应用服务器与LoRaWAN服务器相连，对LoRaWAN服务器上传上来的数据进行处理、分析、显示和储存，用户应用服务器也可向LoRaWAN服务器发送需要传给LoRaWAN终端的数据。

2.LoRa射频技术有什么优缺点

优点：

• 长距离通信：LoRa技术可以在视距情况下实现数公里到数十公里的通信范围，城市环境可以实现1-3km通信范围。
• 低功耗和长电池寿命：LoRa技术拥有低功耗工作模式，因此它对电池的消耗非常低。常见温湿度设备半个小时发一次数据，一节7200mAh电池可以正常使用三年。
• 强穿透能力：LoRa技术具有较强的信号穿透能力，可以穿过障碍物如墙壁、建筑物和植被。这使得LoRa设备在室内和复杂环境中也能提供可靠的通信。
• 大规模设备连接：LoRaWAN协议支持大规模设备连接，可以同时管理数千个甚至上万个设备。这使得LoRa技术非常适合用于构建大型物联网应用。
• 成本效益：LoRa技术的设备成本相对较低，因具有小体积和电池寿命长的特性，这使得它在部署和维护方面更具成本效益。相比于其他无线通信技术，网络基础设施的部署和维护成本也相对较低。
• 私有网络：使用LoRaWAN协议的网络可以私有化部署，整个网络可以进行局域网化，无需购买流量卡和去云端获取数据，适合私有化部署和数据敏感的场合使用。
• 安全性：LoRaWAN提供了端到端的AES128加密和身份验证，确保了数据的安全传输。

缺点：

• 速率低：相比于无线通信技术，如Wi-Fi、Zigbee、NB-IoT、4G，LoRa的数据速率较慢，这使得LoRa网络不适合高速数据传输的应用，如高清视频流或大规模数据传输。
• 延迟较高：由于LoRa速率低和LoRaWAN协议限制，通信延迟相对较高。LoRaWAN网络不适合实时性要求较高的应用，只适合延迟或响应要求≥2s的网络环境。
• 受环境影响：尽管LoRa技术具有较强的信号穿透能力，但在某些环境条件下，如密集的城市区域、高楼大厦周围、厚实的水泥墙、密闭的环境，信号传输可能受到干扰和衰减。这可能导致通信质量下降或覆盖范围缩小。在这些复杂环境中部署LoRa设备时，需要进行适当的信号规划和覆盖测试。

3.LoRa和其他通讯方式对比

LoRa属于LPWAN（Low Power Wide Area Network）低功耗广域网，在物联网无线通信里面NB-IoT、Sigfox、eMTC也属于LPWAN范畴，如图4 各类无线通信的速率和距离覆盖范围，可以看出不同物联网无线通信的速率和覆盖关系。

图4 各类无线通信的速率和距离覆盖范围

表1 LoRa射频和其他近场射频对比中把常见的无线通信技术做了一个详细的对比。

表1 LoRa射频和其他近场射频对比 （注：绿色字体代表优势项）

小节：LoRa主要适合低速率，远距离，低功耗，私有网络等使用场景。在物理网无线传输领域中，所有通信类型最多只能满足距离、功耗、速率中的其中2项。

图5 距离，功耗，速率不可能模型

4.哪些场合和需求需要用到LoRaWAN

用户有以下需求时，可以使用LoRaWAN：

1.无线通信：新建项目或者对前期设备升级有无线化部署要求的情况，可以使用LoRaWAN。

2.不具备有线安装条件：后期加装设备，不方便进行有线化部署，可以使用无线通信代替有线通信，LoRaWAN可以轻松实现无线化部署。

3.长距离无线通信：在特定区域范围内或更远的地方进行无线通信时，LoRaWAN 是一个理想的选择，它可以覆盖广阔的区域，并提供稳定的连接。

4.低功耗需求：应用需要无线设备长时间运行而不需要频繁更换电池或充电，LoRaWAN 是一个优秀的选择，它可以提供出色的电池寿命，减少设备维护成本。

5.大规模连接：LoRaWAN 可以同时连接大量无线设备，这使得它非常适合于物联网中需要大规模设备互联的场景。

6.简单无线网络架构：需要快速部署、简化网络架构和降低设备成本，LoRaWAN 是一种有效的解决方案，它的基础设施相对简单，可以帮助用户迅速实现物联网项目。