LoRa 与 LoRaWAN：LoRa 技术的演变
LoRa Alliance® 成立于 2015 年，旨在支持全球采用 LoRaWAN 标准。LoRaWAN 指的是一种低功耗广域网，它控制着传感器发出的 LoRa 信号在网络中的通信方式。LoRa 代表长距离，使用扩频无线电调制技术。LoRa 调制技术最早于 2010 年由法国公司 Cycleo 开始采用，用于在无线电波中编码数据，后来被 Semtech 收购。
什么是 LoRa？
LoRa 解释
LoRa 协议最初是为公用事业计量行业增加无线通信功能而开发的，它在未经许可的无线电频谱中运行，数据传输速率高达 253 kB/s，能够长距离发送微量数据，同时耗电量极低，因而备受推崇。
什么是 LoRaWAN？
LoRaWAN 技术是一种低功耗、广域网络协议，建立在 LoRa 调制技术上，可确保可靠的双向IoT 通信。LoRaWAN 协议提供端到端加密，可大规模提供先进的安全功能。LoRaWAN 的覆盖范围可达 10 英里，与偏远地区的蜂窝技术相比，该技术是更经济的选择。
LoRa 和 LoRaWAN 如何在以下环境中工作IoT
在 LoRa 调制中，啁啾信号可扩展信号频谱。通过增加啁啾频率，信号可在一定频率范围内传播，从而使信号传播得更远而不会产生误差。因此，LoRa 通信协议可以抵抗信号干扰。这使得 LoRa 特别适用于信号经常受到干扰的城市和郊区。
LoRaWAN® 架构
LoRa 如何工作？
LoRa 使用基于 Chirp-Spread Spectrum 技术的专有扩频调制技术。例如，网关附近的IoT 设备使用较低的扩频因子传输速率，而几英里外的设备则使用较高的扩频因子。这些正交扩频因子在同一时间、同一频率下传输，不会相互干扰，可适应终端设备的功率和数据传输速率要求。
LoRaWAN 如何工作？
LoRaWAN 网络通过星状拓扑结构利用 LoRa 特性，在这种拓扑结构中，网关在传感器和服务器之间转发双向信息。根据设计，LoRaWAN 网络发送超小数据包所需的能源极少，因为数据只是定期传输，而不是连续传输。更妙的是，在 LoRaWAN 网络中，一个网关可支持多达 10,000 台设备，使网络的扩展变得简单，只需添加额外的网关，同时保持较低的资本和运营投资。
LoRaWAN 在以下方面的优势IoT
对于许多IoT 应用而言，LoRaWAN 网络与其他无线通信技术相比具有多项明显优势。如果将 LoRa 与 Wi-Fi、蜂窝电话和蓝牙® 低能耗网络进行比较，这些其他解决方案要么能提供高带宽，要么能提供高功率，但无法在室内深处有效运行。IoT 网络中的 LoRa 可灵活管理带宽、功率、范围、安全性和可扩展性，从而使其能够很好地满足IoT 的要求。据ABI Research 估计，到 2026 年，LoRaWAN 将成为部署最多的非蜂窝低功耗广域网技术。
LoRaWAN® 网络的优势
- 可扩展性：每个网关支持数百万条信息，只需增加网关即可实现扩展
- 安全性：嵌入式 AES-128 端到端加密和高级身份验证功能可确保通过任何大规模IoT 部署进行安全的数据传输
- 电池效率：每天只传输几次微小的数据包，而不是连续传输，这样设备电池就可以使用多年而无需更换
- 传输距离远：LoRaWAN 提供深度室内覆盖，包括多个楼层和星形拓扑网络设计，可最大限度地扩大传输范围，满足许多行业的需求
- 低成本：低成本终端节点、最低限度的基础设施和开源软件使 LoRaWAN 成为一种低成本解决方案
远距离通信的常见应用
LoRa 技术集多种特性于一身，为众多行业和领域带来了实用性和价值。从农业和制造业到环境监测和物流，安全、可扩展、低成本的网络组合可在多种不同环境中提供双向通信。
- 智能农业： 从田间和动物身上安装的传感器获取数据，意味着农民可以迅速采取行动，识别并纠正病虫害
- 智能楼宇：楼宇内的智能电表可帮助管理者优化照明和温度管理，减少能源消耗
- 工业IoT：机械监控、安全警报和资产跟踪可使操作员更快地对事故做出反应，甚至提前做出反应。
- 制造业：制造商青睐 LoRa 技术，因为它能够在众多工厂中实现预测性维护
- 物流：LoRaWAN 在仓库和设备堆场等场所实现了众多传感器通信的完美平衡，不会产生无线电频率干扰问题
- 环境监测：与卫星通信相结合，LoRaWAN 可为偏远森林的烟雾探测、浮标上的海洋温度等各种情况提供传感器监测
- 石油和天然气：为满足监管要求，石油和天然气公司使用 LoRaWAN 技术监控油井作业的排放情况
LoRaWAN 协议的主要功能
LoRaWAN 具有适应性强的功耗要求、覆盖范围和安全性等特点，是最广泛采用的低功耗广域网协议之一。根据设计，LoRaWAN 网络可提供长距离双向通信，同时还允许终端设备仅在与网关通信时才 "打开 "电源，从而节省了电力。事实上，与 LTE 蜂窝解决方案相比，LoRaWAN 以更低的价格提供相同或更大的范围。由于 LoRaWAN 软件采用开源许可，因此企业可以免许可开发自己的 LoRaWAN 解决方案，也可以选择值得信赖的合作伙伴为您定制网络。
其他主要功能包括
- 地理定位：无需 GPS，LoRaWAN 即使在室内也能提供准确的地理定位
- 空中更新：固件和应用程序更新可通过无线方式提供
- 漫游：LoRaWAN 提供从一个网络到另一个网络的无缝传输
LoRaWAN® 的主要功能
带宽
LoRa 带宽通过将数据分解成 "啁啾 "并以不同的速率或频率传输数据来实现低功耗。这种啁啾扩频调制增加了传输信号的带宽，从而弥补了信噪比的下降，并改变了数据传输速率，以改善覆盖范围并平衡功耗。通过这种方式，传输可以抵御多径衰落，而不会增加功率需求。
低功耗
A 类 LoRaWAN 设备是 LPWAN 的最佳选择之一。最具可比性的技术是 NB-IoT ，在带宽和覆盖范围相似的情况下，其耗电量是 LoRaWAN 的 4 倍。LoRaWAN 减少了对大型电池和电源系统的需求，从而降低了产品成本。
范围
距离仍然是 LoRa 网络最显著的特点之一。2023 年，一艘葡萄牙渔船与 830 英里外加那利群岛的网关取得了联系，创造了新的世界范围记录。尽管这是一项惊人的成就，但大多数 LoRa 网络装置的通信距离都在 10 英里以内。距离取决于许多因素，包括室内或室外网关的位置以及使用的天线类型。在使用室外网关的城市环境中，覆盖范围可能仅限于两英里左右。在农村地区，根据环境中的障碍物（包括建筑物），覆盖范围可延伸至十英里。
频率
首批IoT 无线通信网络通常依赖于许可频谱中的蜂窝网络，这增加了许可成本，限制了范围并产生了噪声干扰。有了 LoRaWAN，IoT 应用用例可依赖未授权频谱。400 至 900-MHz 范围内的 LoRa 无线电波支持 0.3 至 50 kB/s 的低数据传输速率，可将远距离设备连接到 10 英里范围内的低成本 LoRaWAN 部署。
未经许可的 LoRa 频段：
- 北美 915 兆赫
- 欧洲 868 兆赫
- 亚洲 433 兆赫
了解 LoRa 模块和设备
Lora 模块基于 Semtech 芯片，包括小型集成或独立无线收发器芯片，具有低功耗和高灵敏度的特点。事实上，这些模块为 LoRa 的发展做出了贡献，因为它们可以支持数百万个由电池供电的设备直接与服务器通信，多年来无需更换电池。例如，当 LoRa 设备传输数据时，它会使用 LoRa 模块，该模块会将数据转换为无线传输。然后，这些数据会被发送到 LoRaWAN 网关。当设备需要数据时，网关会将数据传输给 LoRa 模块，由模块为终端设备转换数据。为了进一步利用 LoRa 模块，必须在模块上安装 LoRaWAN 软件栈。这样，模块就可以连接到 LoRaWAN 网关、网络服务器和应用程序。因此，请记住 LoRa 等同于点对点或节点对节点的通信；LoRaWAN 优化了 LoRa 的功能，允许成千上万的设备连接到一个网关。
LoRaWAN 网络架构
LoRaWAN 网络部署采用星型拓扑结构，通常由几个核心元件组成。烟雾报警器和水表等 LoRaWAN 设备连接到网关，网关负责管理来自众多终端设备的信息，并将 LoRaWAN 信使数据转发到网络服务器。网关通过蜂窝网络、Wi-Fi 或以太网等回程网络连接到网络服务器。LoRa 软件管理网关和设备上的调制和解调。LoRaWAN 软件允许许多设备与单个网关通话并形成网络。应用服务器可安全地处理来自设备的所有应用数据，然后将这些数据输入机器学习和人工智能，以帮助进行预测性维护和流程优化。请参阅 IoT 中的 LoRa 和 LoRaWAN 如何工作架构图。
LoRa 通信的安全性
LoRa 安全措施在设计上符合特定的IoT 网络要求。首先，每个 LoRaWAN 设备都包含一个唯一的高级加密标准（AES）密钥和一个全球唯一的标识符，作为设备验证过程的一部分。LoRaWAN 协议采用双层安全技术，将应用层和网络层分开。终端设备的相互认证确保只有经过授权的设备才能加入 LoRaWAN 网络。数据传输通过防止未经授权的设备更改数据的机制得到保护。
LoRaWAN 加密机制
LoRaWAN 网络对终端设备和应用服务器之间共享的应用数据采用端到端加密。事实上，LoRaWAN 仍然是唯一使用这种加密技术的IoT 网络之一。在传统蜂窝网络中，数据通过空中接口加密，但在核心网络中以纯文本形式传输。因此，蜂窝网络终端用户必须自行部署额外的安全层。
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