详解LoRa的技术特点及终端工作模式

　　LoRa是由Semtech公司提供的超长距离、低功耗的物联网解决方案。Semtech公司和多家业界领先的企业，如Cisco、IBM及Microchip发起建立了LoRa（Long Range，广距离）联盟，致力于推广其联盟标准LoRaWAN技术，以满足各种需要广域覆盖和低功耗的M2M设备应用要求。目前LoRaWAN已有成员150多家，我国中兴等多家公司也参与其中，并且在欧洲数个国家进行了商业部署，国内也在抄表、石油生产监测等领域获得了应用。

　　LoRa的技术特点

　　LoRa的物理层和MAC层设计充分体现了对物联网开发业务需求的考虑。LoRa物理层利用扩频技术可以提高接收机灵敏度，同时终端可以工作于不同的工作模式，以满足不同应用的省电需求。

　　LoRa网络架构中包括应用终端、网关、网络服务器和业务服务器等。其中，应用终端节点完成物理层、MAC层和应用层的实现：网关完成空口物理层的处理；网络服务器负责进行MAC层处理，包括自适应速率选择、网关管理和选择、MAC层模式加载等；应用服务器从网络服务器获取应用数据，进行应用状态展示、即时告警等。MAC层可遵循联盟标准的 LORaWAN协议，也可以遵循各厂商制定的MAC协议。

　　LoRa物理层和MAC层设计

　　LoRa为半双工系统上行、下行工作在同一频段。目前国内单芯片支持的LoRa系统带宽为2 Mbps，包括8个固定带宽为125 kbps的信道，每个固定带宽的信道之间需要125 kHz的保护带，则至少需要2 Mbps系统带宽。每个信道支持6种扩频因子SF7～SF12，扩频因子加1则增加2.5dB的接收机灵敏度。

　　终端采用随机信道选择方式进行干扰规避，每次终端在进行上行数据发送或者数据重发时，都会在8个信道中随机选择一个信道进行。终端和网关的通信可选用不同的速率，即不同的SF，速率的选择需要权衡通信距离或信号强度、消息发送时间等因素，使得终端获取最大的电池寿命并使网关容量最大化。当链路环境好时，可以使用较低的扩频因子，即较大的数据速率：而当终端远离网关、链路环境较差时，可以增大扩频因子以获取更高的灵敏度，但同时数据速率会降低。对于125 kbps固定带宽的信道而言，数据速率为250 bps～5 kbps，可以在一个相当大的范围内进行选择。

　　终端工作模式

　　LoRa设计终端有三种不同的模式，即Class A、Class B和Class C，但一段时间内终端只能工作于一个模式，每种模式可由软件进行加载。不同的模式适用于不同的业务模型和省电模式，目前广泛使用的是Class A类工作模式，以适应loT应用的省电需求。

　　Class A（双向终端设备）：A类终端设备提供双向通信，但不能进行主动的下行发送。每个终端的发送过程会跟随两次很短的下行接收窗口，下行发送时隙是根据终端需要和很小的随机量决定的，因此A类终端最省电。

　　Class B（支持下行时隙调度的双向终端）：B类终端兼容A类终端，并且支持接收下行信标（Beacon）信号以保持和网络的同步，以便在下行调度的时间上进行信息监听，因此功耗会大于A类终端。

　　Class C（最大接收时隙的双向终端）：C类终端仅在发射数据的时刻停止下行接收窗口适用于大量下行数据的应用。与A类和B类终端相比，C类终端最耗电，但对于服务器到终端的业务，C类模式的时延最小。