LoRa模塊以其“長距離，低功耗”的優(yōu)勢，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：大容量、全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、免費頻段、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。為此，我們一起探討。
需求，是項目的源頭！同理，建設(shè)一個物聯(lián)網(wǎng)，首先需要規(guī)劃以下需求：
因為長距離的特性，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個山頭或鐵塔通信達(dá)到15km，較空曠地區(qū)通信達(dá)到5km…因為無線通信環(huán)境各異，只能以“空曠視距”為基準(zhǔn)；其他環(huán)境，以實測為準(zhǔn)。
如果通信距離不夠，怎么辦？一般有3個方法：
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)，有效地覆蓋信號盲區(qū)。
LinkLabs公司，公布了一個計算LoRa網(wǎng)絡(luò)距離的方法，如上圖所示，它非常有趣，拖動左邊的一些變量，右邊會自動計算有效通信距離。
該方法的鏈接是：https://www.link-labs.com/symphony ?
規(guī)模是“節(jié)點數(shù)目”的通俗說法，這是一個容易統(tǒng)計的變量。
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個節(jié)點，每個節(jié)點，每60秒上報37字節(jié)，因為LoRaWAN協(xié)議一般需要添加13字節(jié)的“元數(shù)據(jù)”（幀頭和檢驗），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（或致動器）由電池供電，那么節(jié)能將是一個重要的指標(biāo)。
得益于LoRaWANClass A的“無同步”特性，終端的節(jié)能十分優(yōu)異。
一般地，能耗是由“模式+電流+時長”來計算。
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，偵聽時長為160ms，接收時長為1000ms；其他時間都處于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，能工作的時間為：2400mAH / 0.17mA = 14118H =1.6年。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)模增大后，這需要更多的網(wǎng)關(guān)來支撐，這會把“多個星型”網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，詳細(xì)請參考下文的“中/大型LoRaWAN”。
成本是一個比較復(fù)雜的話題，它除了有形成本（采購設(shè)備，部署施工等），還有無形成本（開發(fā)調(diào)試，技術(shù)支持等）。
計算成本一個簡單的方法是，把一個LoRa物聯(lián)網(wǎng)所有費用（有形成本+無形成本），除以節(jié)點的數(shù)目，可以得到“單點建設(shè)費用”。
LoRa物聯(lián)網(wǎng)成本有2個基本原則：
量大從優(yōu) ?：這是市場經(jīng)濟(jì)的基本道理，不解釋。
行業(yè)成熟度：行業(yè)前期較高，因為成本（研發(fā)/制造/營銷/支持等）沒有被“攤薄”。
2.點對點（單細(xì)胞動物）
LoRa點對點系統(tǒng)在現(xiàn)實中有少量的應(yīng)用場景，如：使用手持機(jī)“點名”抄能源表計（電/水/氣/熱表計），遠(yuǎn)程控制閥門等。當(dāng)然，它的局限性是很明顯的：
1. 沒有避免沖突機(jī)制：沒有LBT（ListenBefore Talk）機(jī)制，如果2個或多個節(jié)點同時發(fā)送，無線電信號將受損，導(dǎo)致通信失??；
2. 接收節(jié)點無法低功耗：接收節(jié)點必須隨時等待發(fā)送節(jié)點的信號，無法休眠；
3. 無法自動組網(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)點數(shù)目較少；
2）上報和下發(fā)通信具有定時規(guī)律；
3）對帶寬的要求很低。
LoRa-TDMA的優(yōu)點是：低成本實現(xiàn)小規(guī)模組網(wǎng)。
同時，它的缺點也明顯：網(wǎng)絡(luò)容量有限，延時隨節(jié)點數(shù)目線性增長。如下圖所示，當(dāng)N=10時，某節(jié)點需要等待(10 x slot)時長，才允許上報；當(dāng)N=100時，則需要等待(100 x slot)時長，才允許上報。
4.小型LoRaWAN（恐龍時代）
如果節(jié)點數(shù)目較少，但是對實時性和吞吐量有要求，那么選擇小型LoRaWAN是一個合適的方案。
它的優(yōu)點是：8通道，允許同時 8個節(jié)點上報；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，會發(fā)現(xiàn)：LoRaWAN架構(gòu)中，總是有LoRaWAN Server的存在。它帶來了復(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“實時性”或“網(wǎng)絡(luò)容量”時，增加LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，是一個不錯的選擇。
如下圖所示，在一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，增加一個或多個網(wǎng)關(guān)，這不會帶來任何沖突。因為，它只有一個“大腦”—LoRaWAN Server，它會執(zhí)行如下“聰明”的邏輯：
上報去冗余：如果一個數(shù)據(jù)包，被多個網(wǎng)關(guān)接收，Server會根據(jù)ID和FCnt識別這個“重復(fù)”數(shù)據(jù)包，只接收其中一個副本。
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)和國家乃至全球提供“電信級”的物聯(lián)網(wǎng)，這是一個雄心勃勃的計劃。
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提供海量存儲和智能計算；為授權(quán)終端（PC，智能手機(jī)，平板等）提供便捷的數(shù)據(jù)訪問和交互。
目前，LoRa與NB-IoT（中國）、eMTC（美國）、SigFox（法國）等電信級方案存在強(qiáng)烈競爭；同時，它為“大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)提供了有價值的方案。
大型LoRaWAN：Server本地化
大型LoRaWAN：Server云
查看技術(shù)文章和免費咨詢技術(shù)問題可以訪問我司官網(wǎng)及各官方平臺：
微信號：cdebyte
今日頭條：億佰特
新浪微博：成都億佰特
成都億佰特--物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家，隨時在身邊，時刻準(zhǔn)備為您服務(wù)！
