LoRa模塊以其“長(zhǎng)距離，低功耗”的優(yōu)勢(shì)，成為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的后起之秀。LoRaWAN以其明顯的優(yōu)勢(shì)：大容量、全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、免費(fèi)頻段、低成本與靈活性，和WiFi一樣，成為“私有物聯(lián)網(wǎng)”的首要選擇（NB-IoT，和GPRS一樣，是“公有物聯(lián)網(wǎng)”的方案）?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)和高校，掀起建設(shè)LoRa物聯(lián)網(wǎng)的高潮。如何選擇最合適的LoRa產(chǎn)品，成為物聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)。為此，我們一起探討。
需求，是項(xiàng)目的源頭！同理，建設(shè)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)，首先需要規(guī)劃以下需求：
因?yàn)殚L(zhǎng)距離的特性，LoRa物聯(lián)網(wǎng)的主流是“星型網(wǎng)絡(luò)”，這意味著，距離是指：最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信距離，如上圖所示。
在“發(fā)射功率+通信速率+天線”相同的條件下，LoRa的通信距離嚴(yán)重依賴于地形和環(huán)境，如：高空氣象氣球通信達(dá)到40km；2個(gè)山頭或鐵塔通信達(dá)到15km，較空曠地區(qū)通信達(dá)到5km…因?yàn)闊o(wú)線通信環(huán)境各異，只能以“空曠視距”為基準(zhǔn)；其他環(huán)境，以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。
如果通信距離不夠，怎么辦？一般有3個(gè)方法：
降低通信速率，可以提高接收靈敏度；
更換高增益天線，調(diào)整天線的方向；
增加網(wǎng)關(guān)，有效地覆蓋信號(hào)盲區(qū)。
LinkLabs公司，公布了一個(gè)計(jì)算LoRa網(wǎng)絡(luò)距離的方法，如上圖所示，它非常有趣，拖動(dòng)左邊的一些變量，右邊會(huì)自動(dòng)計(jì)算有效通信距離。
該方法的鏈接是：https://www.link-labs.com/symphony ?
規(guī)模是“節(jié)點(diǎn)數(shù)目”的通俗說(shuō)法，這是一個(gè)容易統(tǒng)計(jì)的變量。
此處的帶寬，更通俗的名稱是“網(wǎng)絡(luò)吞吐量”的需求，它的單位是“比特每秒”。
如：100個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)，每60秒上報(bào)37字節(jié)，因?yàn)長(zhǎng)oRaWAN協(xié)議一般需要添加13字節(jié)的“元數(shù)據(jù)”（幀頭和檢驗(yàn)），那么需要的“帶寬”為：
(37 + 13) x 8 bit / 60 s x 100 = 667 bps
如果終端和傳感器（或致動(dòng)器）由電池供電，那么節(jié)能將是一個(gè)重要的指標(biāo)。
得益于LoRaWANClass A的“無(wú)同步”特性，終端的節(jié)能十分優(yōu)異。
一般地，能耗是由“模式+電流+時(shí)長(zhǎng)”來(lái)計(jì)算。
以銳米通信的LoRaWANNode為例，它在不同工作模式，功耗如下：
休眠=1.6uA，偵聽=13mA，發(fā)射（17dBm）=88mA。
設(shè)一LoRaWAN終端，大約10分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，約1000ms；按協(xié)議，發(fā)送完畢后，1秒內(nèi)能喚醒，偵聽時(shí)長(zhǎng)為160ms，接收時(shí)長(zhǎng)為1000ms；其他時(shí)間都處于Sleep休眠。以10分鐘（600秒）為單位，能耗如下：
發(fā)送：1000ms *88mA = 88mA.s
接收：1160ms *13mA = 15.08mA.s
休眠：(600 – 1 -1.16)s* 1.6uA = 0.96mA.s
平均功耗：(88 +15.08 + 0.96)mA.s / 600s = 0.17mA
2節(jié)AA電池（南孚或雙鹿）總電能約為2400mAH，能工作的時(shí)間為：2400mAH / 0.17mA = 14118H =1.6年。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模增大后，這需要更多的網(wǎng)關(guān)來(lái)支撐，這會(huì)把“多個(gè)星型”網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，詳細(xì)請(qǐng)參考下文的“中/大型LoRaWAN”。
成本是一個(gè)比較復(fù)雜的話題，它除了有形成本（采購(gòu)設(shè)備，部署施工等），還有無(wú)形成本（開發(fā)調(diào)試，技術(shù)支持等）。
計(jì)算成本一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是，把一個(gè)LoRa物聯(lián)網(wǎng)所有費(fèi)用（有形成本+無(wú)形成本），除以節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，可以得到“單點(diǎn)建設(shè)費(fèi)用”。
LoRa物聯(lián)網(wǎng)成本有2個(gè)基本原則：
量大從優(yōu) ?：這是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的基本道理，不解釋。
行業(yè)成熟度：行業(yè)前期較高，因?yàn)槌杀荆ㄑ邪l(fā)/制造/營(yíng)銷/支持等）沒(méi)有被“攤薄”。
2.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（單細(xì)胞動(dòng)物）
LoRa點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中有少量的應(yīng)用場(chǎng)景，如：使用手持機(jī)“點(diǎn)名”抄能源表計(jì)（電/水/氣/熱表計(jì)），遠(yuǎn)程控制閥門等。當(dāng)然，它的局限性是很明顯的：
1. 沒(méi)有避免沖突機(jī)制：沒(méi)有LBT（ListenBefore Talk）機(jī)制，如果2個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，無(wú)線電信號(hào)將受損，導(dǎo)致通信失??；
2. 接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法低功耗：接收節(jié)點(diǎn)必須隨時(shí)等待發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，無(wú)法休眠；
3. 無(wú)法自動(dòng)組網(wǎng)：解決不了避免沖突和低功耗偵聽，組網(wǎng)也就成了空中樓閣。
如果組網(wǎng)的需求，符合以下條件，那么可以使用LoRa-TDMA系統(tǒng)。
1）節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少；
2）上報(bào)和下發(fā)通信具有定時(shí)規(guī)律；
3）對(duì)帶寬的要求很低。
LoRa-TDMA的優(yōu)點(diǎn)是：低成本實(shí)現(xiàn)小規(guī)模組網(wǎng)。
同時(shí)，它的缺點(diǎn)也明顯：網(wǎng)絡(luò)容量有限，延時(shí)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目線性增長(zhǎng)。如下圖所示，當(dāng)N=10時(shí)，某節(jié)點(diǎn)需要等待(10 x slot)時(shí)長(zhǎng)，才允許上報(bào)；當(dāng)N=100時(shí)，則需要等待(100 x slot)時(shí)長(zhǎng)，才允許上報(bào)。
4.小型LoRaWAN（恐龍時(shí)代）
如果節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，但是對(duì)實(shí)時(shí)性和吞吐量有要求，那么選擇小型LoRaWAN是一個(gè)合適的方案。
它的優(yōu)點(diǎn)是：8通道，允許同時(shí) 8個(gè)節(jié)點(diǎn)上報(bào)；標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，各廠商的設(shè)備可以互連互通。
仔細(xì)觀察下圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)：LoRaWAN架構(gòu)中，總是有LoRaWAN Server的存在。它帶來(lái)了復(fù)雜性，盡管使用云服務(wù)器，也只能有限地降低復(fù)雜性。
小型LoRaWAN：Server本地化
小型LoRaWAN：Server云
當(dāng)需要提高“實(shí)時(shí)性”或“網(wǎng)絡(luò)容量”時(shí)，增加LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
如下圖所示，在一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，增加一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)，這不會(huì)帶來(lái)任何沖突。因?yàn)椋挥幸粋€(gè)“大腦”—LoRaWAN Server，它會(huì)執(zhí)行如下“聰明”的邏輯：
上報(bào)去冗余：如果一個(gè)數(shù)據(jù)包，被多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收，Server會(huì)根據(jù)ID和FCnt識(shí)別這個(gè)“重復(fù)”數(shù)據(jù)包，只接收其中一個(gè)副本。
下發(fā)選網(wǎng)關(guān)：Server總是挑選合適的網(wǎng)關(guān)（往往是“信號(hào)強(qiáng)度最佳“），讓它發(fā)射下行數(shù)據(jù)幀。
中型LoRaWAN：Server本地化
中型LoRaWAN：Server云
LoRaWAN的初衷--為地區(qū)和國(guó)家乃至全球提供“電信級(jí)”的物聯(lián)網(wǎng)，這是一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃。
如下圖所示，借助3G/4G技術(shù)，將眾多的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)接入Server；CustomerServer提供海量存儲(chǔ)和智能計(jì)算；為授權(quán)終端（PC，智能手機(jī)，平板等）提供便捷的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和交互。
目前，LoRa與NB-IoT（中國(guó)）、eMTC（美國(guó)）、SigFox（法國(guó)）等電信級(jí)方案存在強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)；同時(shí)，它為“大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)提供了有價(jià)值的方案。
大型LoRaWAN：Server本地化
大型LoRaWAN：Server云
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