Lora，即LoRa无线，是一种低功耗广域网(LPWAN)无线通信技术。LoRa是“Long Range Radio”的缩写，意为“远距离无线电”，由美国Semtech公司开发和推广。
LoRa技术的核心特点是能够在相同的功耗条件下实现比其他无线方式更远的传输距离，通常比传统无线射频通信的距离扩大3到5倍。LoRa利用线性调频扩频(CSS)调制技术，结合数字信号处理和前向纠错编码技术，从而提高了通信的灵敏度和抗干扰能力。
LoRa工作在全球免费的ISM频段，如433 MHz、868 MHz和915 MHz等。这种技术特别适用于需要长距离、低功耗、低成本的物联网(IoT)应用，如智能农业、智能城市、智能物流等领域。
LoRaWAN是基于LoRa技术的一种通信协议，定义了网络层和MAC层的标准，使得LoRa设备能够通过网关与服务器进行双向数据传输。LoRa网络架构包括终端节点、网关、LoRaWAN服务器和应用服务器，支持大规模的传感器网络。
LoRa无线是一种专为物联网设计的远距离、低功耗无线通信技术，广泛应用于各种需要长距离覆盖和低能耗的场景中。
一、 LoRa无线技术在全球免费的ISM频段中的具体使用情况和限制
LoRa无线技术在全球免费的ISM频段中的具体使用情况和限制主要体现在以下几个方面：
1. 频段分配和使用：
LoRa技术在全球范围内广泛采用，特别是在ISM频段中。ISM频段是工业、科学和医疗用途的无线电频率，这些频段通常不需要许可证即可使用。
不同地区的ISM频段分配有所不同。例如，在欧洲，LoRa通常使用868 MHz频段;在北美，使用915 MHz频段;而在亚洲，使用433 MHz频段。
2. 法规限制：
LoRa设备在ISM频段中的使用受到严格的法律和法规限制。这些限制主要包括最大占空比(duty cycle)和最大发射功率(ERP)。
在欧洲，ETSI规定了868 MHz频段的最大占空比为1%，这意味着一个节点每小时只能占用该频段36秒。类似地，在中国和日本，也有类似的占空比限制。
发射功率也有严格限制。例如，在欧洲，LoRa设备的ERP不能超过14 dBm(25 mW)，而在美国，ERP限制更为宽松。
3. 技术特性与优化：
LoRa技术通过使用Chirp扩展频谱调制来实现长距离和低功耗传输。SF(扩展因子)参数在LoRa中非常重要，它决定了数据传输速度与通信范围之间的权衡。
LoRa设备支持不同的SF值，从7到12不等。较高的SF值可以提高数据包的传输时间、信噪比、覆盖范围等。
由于ISM频段的特性，LoRa设备需要随机改变传输频道，并遵守最大占空比和最大发射功率的规定。
4. 碰撞行为与干扰管理：
LoRa通信容易发生碰撞，尤其是在没有适当的中介访问控制的情况下。碰撞的结果可能因信号强度、时间偏移和重叠数据包的SF而异。
为了减少碰撞的影响，LoRa设备通常采用监听前讲话(LBT)机制或占空比管理策略。
LoRa无线技术在全球免费的ISM频段中得到了广泛应用，但其使用受到严格的法规限制，特别是在占空比和发射功率方面。
二、 LoRaWAN协议在网络层和MAC层的具体标准和技术
LoRaWAN协议在网络层和MAC层的具体标准和技术细节如下：
1. 网络层
单跳路由模型：LoRaWAN采用单跳路由模型，其中终端设备(ED)通过LoRa与网关(GW)通信，网关再通过IP协议将数据转发至中央网络服务器(NS)。这种星型拓扑结构简化了操作并减少了信息路由的网络流量。
网关连接：网关通过WiFi、4G或以太网连接到互联网网络，允许数据通过IP发送到网络服务器。通过隔离频率通信和虚拟频道，可以将不同终端设备和网关聚集在同一地理区域。
网络架构：LoRaWAN网络由三个主要组件组成：网络服务器、应用服务器和加入服务器。这些组件共同负责管理终端设备的注册、数据传输和网络维护。
2. MAC层
MAC消息格式：
所有LoRa消息都包含一个PHY负载(Payload)，其起始为单字节MAC头(MHDR)，随后是MAC负载(MACPayload)，最后以4字节的消息完整性码(MIC)结束。
MAC负载字段的最大长度由区域特定规范决定。
MAC头用于指定消息类型(MType)，并根据LoRaWAN层规范的帧格式主要版本(Major)对帧进行编码。
3. MAC命令：
LoRaWAN支持多种MAC命令，由网关发送给节点的控制信息，每个MAC命令应触发接收节点的适当响应。
具体的MAC命令包括加入请求、加入接受、未确认数据上/下以及确认数据上/下等。
4. 数据消息：
数据消息可以传输MAC命令和应用程序数据，并可组合为单个消息。确认数据消息需要接收方确认，而未确认数据消息则不需要。
在某些情况下，网关需要发送ACK以确认与节点之间的连接。
5. MAC协议：
LoRaWAN基于Pure-ALOHA(P-ALOHA)协议，允许节点发送者选择SF和传输功率。尽管LBT选项在LoRaWAN中未被排除，但基本的P-ALOHA方案允许在任何时间进行盲传。
当节点数量大幅增加时，P-ALOHA协议面临挑战，因为没有听前说策略，每次消息碰撞后都需要重新传输，这会迅速降低频道容量。为了解决这一问题，引入了Slotted-ALOHA(S-ALOHA)协议，该协议将频道时间划分为时隙，终端设备只能在时隙开始时发送数据包。
6. 终端设备类别：
LoRaWAN标准定义了三种终端设备类别：Class A适用于低功耗上行流量，Class B适用于延迟下行传输，Class C适用于无能量约束的终端设备。
7. 接收窗口配置：
Rx1和Rx2的延迟、传输频率和数据速率可以通过MAC命令进行配置。Rx1的默认延迟为一秒，由网络运营商通过MAC命令进行配置。Rx2的频率和数据速率也可以通过MAC命令进行配置。
8. 多播消息：
多播消息发送到多个终端设备，所有组中的设备必须共享相同的组播地址和关联加密密钥。多播消息格式与单播帧格式大部分内容相同，但有一些例外情况，例如不允许在FOpt字段或端口0的有效负载中携带MAC命令。
三、 LoRa无线技术在智能农业、智能城市和智能物流等领域的应用
LoRa无线技术在智能农业、智能城市和智能物流等领域的应用案例非常广泛，以下是几个具体的应用实例：
1. 智能农业
精准农业监测：LoRa技术被用于构建智能农业管理与监测系统，通过无线传感器网络实现对作物生长环境的实时监测和管理。例如，低成本土壤水分传感器可以监测土壤湿度，而智能温室可以通过远程控制提高能源效率。
智能灌溉系统：LoRa技术在精准农业中被广泛应用于智能灌溉系统。AREThOU5A IoT平台就是一个例子，它利用LoRa技术进行精准农业中的灌溉管理。
牲畜养殖：LoRa技术可以用于牲畜养殖，通过连续监测动物的移动、健康和饲料摄入，以及测量内部体温，实现精准管理。
农业车辆车队跟踪：LoRa技术还可以用于农业车辆车队的跟踪，以提高农业作业的效率。
2. 智能城市
环境监测：LoRa技术在智能城市中被用于环境变量监测，如河流监测案例。这些系统能够实时收集和传输环境数据，帮助城市管理者做出更明智的决策。
智能停车：LoRa技术在智能城市中的另一个应用是智能停车系统，通过低功耗、长距离的数据传输，实现车辆的高效管理和调度。
车辆追踪：LoRa技术还被用于车辆追踪，特别是在紧急情况下的搜救行动中，通过LoRa系统可以快速定位和追踪车辆。
3. 智能物流
基于区块链的污染监测系统：LoRa技术在智能物流中也有应用，例如基于区块链、智能合约和LoRaWAN的污染监测系统设计。这种系统可以实时监测物流过程中的污染情况，并通过区块链技术确保数据的安全性和透明度。
智能水道管理：在中国，AUGTEK公司在京杭大运河上进行了LoRa网络(智能水道)建设，实现了对水道的智能管理和监控。
四、 LoRa无线技术与其他LPWAN技术(如NB-IoT)相比，有哪些优势和劣势?
LoRa无线技术与其他LPWAN技术(如NB-IoT)相比，具有以下优势和劣势：
1. 优势：
- 长距离覆盖：LoRa技术的一个显著特点是其长距离通信能力。在相同的功耗条件下，LoRa可以传播得更远，单个节点的覆盖范围可以达到数公里。这使得LoRa非常适合需要广泛覆盖的应用场景，例如智能城市监控和环境监测。
- 低功耗：LoRa技术的低功耗特性使其非常适合于需要长期电池寿命的物联网设备。LoRa设备可以在低功耗模式下运行多年，这对于需要长期部署且难以维护的传感器网络尤为重要。
- 低成本和简易部署：LoRa网络的部署相对简单且成本较低。由于LoRa使用非授权频谱，用户可以自建LoRa网络，无需大面积建设基站，从而降低了建设和运营成本。
- 数据保密性：LoRa网络由用户自建，终端数据由用户掌握，这使得LoRa在数据保密性方面具有优势，特别适用于需要高数据保密性的应用场景。
- 开放架构和私有部署能力：LoRaWAN的开放架构和私有部署能力使其在实际应用中具有额外的优势，能够灵活地适应不同的应用场景。
2. 劣势：
- 运行速率和连接量：相比NB-IoT，LoRa在运行速率和连接量方面表现较差。NB-IoT技术在运行速率、覆盖能力和设备连接量方面更出色，能够支持更多的设备同时在线。
- 实时通信能力：LoRaWAN在实时监控方面可能不适合大规模网络，尤其是在需要频繁数据传输的应用场景中，NB-IoT的低延迟和高数据速率表现更为突出。
- 部署复杂性和运营成本：虽然LoRa的部署相对简单且成本较低，但NB-IoT由于其授权频谱的优势，在管理规范、稳定性和服务质量方面表现更好，且逐步向5G演进，竞争优势逐渐扩大。
- 技术成熟度和生态系统：尽管LoRa技术在物联网应用中逐渐成熟并得到广泛应用，但NB-IoT作为授权频谱技术，在全球范围内得到了更广泛的推广和支持，拥有更成熟的生态系统和产业链。
LoRa无线技术在长距离覆盖、低功耗、低成本和数据保密性方面具有显著优势，但在运行速率、连接量和实时通信能力方面不如NB-IoT。
五、 LoRa无线技术的最新发展动态和未来趋势是什么?
LoRa无线技术近年来在物联网(IoT)领域取得了显著的发展，并展现出广阔的应用前景。以下是LoRa无线技术的最新发展动态和未来趋势：
1. 最新发展动态
截至2021年12月，LoRa或LoRaWAN网络已经覆盖全球171个国家和地区，拥有163个运营商。预计未来几年全球LoRa终端将保持定量增长，每年增加近4000万个。
LoRa技术以其低功耗、长距离和低成本的特点，在智能农业、工业物联网和城市物联网等领域展现出巨大潜力。例如，LoRa技术在智能农业服务平台、工业物联网和城市物联网中支持大规模设备连接和数据传输。此外，LoRa模块如Semtech的SX1272、SX1276/SX1278等在不同环境下的性能表现优异，满足了各种应用需求。
LoRaWAN协议定义了数据包格式、网络操作模式和加密方式，分为A、B、C三类，分别优化电池寿命、增加下行链路时间和允许持续接收窗口。LoRa系统采用多层加密，确保通信安全。
LoRa技术不仅应用于传统的物联网场景，还扩展到紧急通信、灾后救援、森林防火等领域。例如，基于LoRa通信技术的森林防火系统能够有效降低通信和监控成本，提高火灾图像捕捉的准确性。
2. 未来趋势
未来的研究方向包括进一步探索LoRa模块的最大距离和更先进的模块，如Semtech LR1110.该模块于2020年初发布。此外，研究者们也在不断改进调制方案、信道模型和网络配置策略，以提高信号强度、减少干扰和优化网络性能。
LoRa联盟(LoRa Alliance)致力于推广LoRaWAN标准，并在全球范围内进行商业化应用。例如，Semtech、Cisco、IBM等国际组织在推广LoRa技术方面发挥了重要作用。随着更多企业加入LoRa联盟，LoRa技术的标准化和商业化进程将进一步加速。
LoRa技术的应用正在从传统的物联网领域扩展到更多新兴领域，如无人机监测、远程监控系统、紧急通信等。此外，LoRa技术与其他无线通信技术(如Wi-Fi、5G)的融合也将成为未来的一个重要趋势，以实现更广泛的覆盖和更高的数据传输速率。
随着LoRa技术在全球范围内的推广，其市场前景看好。预计未来几年，LoRa技术将在更多国家和地区得到应用，特别是在欧洲、美国和俄罗斯等大城市。
LoRa无线技术凭借其低功耗、长距离和低成本的特点，在物联网领域展现出巨大的应用潜力。
