LoRa背景介绍

        
       LoRa一词取自英文的LongRange两个单词的首字母Lo和Ra,代表远距离的意思。LoRa原本为一种线性调频扩频的物理层调制技术,最早由法国几位年轻人创立的一家创业公司Cycleo推出,2012年Semtech收购了这家公司,将这一调制技术实现到芯片中,并取名“LoRa”。Semtech公司基于LoRa技术开发出一整套LoRa通信芯片解决方案,包括用于网关和终端上不同款的LoRa芯片,开启了LoRa芯片产品化之路。
       不过,仅有基于LoRa调制技术的芯片还远不足以撬动广阔的物联网市场,在此后的发展历程中,Semtech为促进其他公司共同参与到LoRa生态中,于2015年3月联合Actility、Cisco和IBM等多家厂商共同发起创立LoRa联盟,并推出不断迭代的LoRaWAN规范,催生出一个由全球近千家厂商支持的广域组网标准体系,从而形成广泛的产业生态。图1-1所示为LoRa联盟现状。
       与这一生态相关的技术标准、产品设计、应用案例都是由多个厂商共同参与推动的,这些也是形成目前庞大产业生态更为关键的元素。而它们并不属于Semtech单个公司所有,比如LoRaWAN规范是一个全球多个厂商共同参与的开放标准,任何组织或个人都可以根据这一规范进行产品开发和网络部署。
图1-1LoRa联盟介绍

1.1.1 LoRa技术与现状

1.LoRa技术概述

        LoRa常采用星状网络,网关以星状连接终端节点,但终端节点并不绑定唯一网关,相反,终端节点的上行数据可发送给多个网关。理论上来说,用户可以通过Mesh、点对点或者星状的网络协议和架构实现灵活组网。
        LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。LoRaWAN网络构架由终端节点、网关、网络服务器和应用服务器四部分组成,应用数据可双向传输。
        LoRa是创建长距离通信连接的物理层无线调制技术,属于线性调制扩频技术(ChirpSpreadSpectrum,CSS)的一种,也叫宽带线性调频(ChirpModulation)技术。相较于传统的FSK(Frequency-shiftKeying,频移键控)技术以及其他稳定性和安全性不足的短距离射频技术,LoRa在保持低功耗的同时极大地增加了通信范围,且CSS 技术数十年已经广受军事和空间通信所采用,具有传输距离远、抗干扰性强等特点。
        此外,LoRa技术不需要建设基站,一个网关便可控制较多设备,并且布网方式较为灵活,可大幅度降低建设成本。
        LoRa因其功耗低、传输距离远、组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分的契合,因此被广泛部署在智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等多个垂直行业,前景广阔。LoRa基本技术指标如下:
•    传输距离:城镇可达5km,郊区可达15km。
•    工作频率:ISM频段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。
•    标准:IEEE802.15.4g、LoRaWAN。
•    调制方式:基于扩频技术,CSS的一个变种,具有前向纠错(ForwardErrorCorrection,FEC)能力,属于Semtech公司私有专利技术。
•    容量:一个LoRa网关可以连接成千上万个LoRa节点。
•    电池寿命:长达10年。
•    安全:AES128位加密。
•    传输速率:18b/s~62.5kb/s。

2.LoRa市场发展与现状概述

       大约从2014年起,国内首批企业开始研发基于LoRa的相关产品。截至2019年,LoRa已经从一个小范围使用的小无线技术成长为物联网领域无人不晓的事实标准。
       科技巨头纷纷入局LoRa、加入LoRa联盟,可以看出各企业都希望借助LoRa这个切入点来确立自身在物联网和产业互联网领域的地位。阿里和腾讯两大互联网巨头将LoRa作为其物联网布局的重要入口,主推的LinkWAN平台和TTN平台对于产业链上下游的带动作用非常明
显。另外,中国铁塔、中国联通以及中国广电等也开始针对LoRa产业进行布局,进一步促进其在各行业应用的落地。
       从目前的市场结构看,国内已有上千家企业参与到LoRa产业生态中,呈现出大中小型企业、传统企业与互联网企业共同参与的格局。国内提供给LoRa发展的产业大环境不断转好,LoRa联盟自身力量也在不断壮大。据资料显示,2019年国内LoRa芯片出货量已超过3000万
片,且按照年化50%的增速发展。
       近一年来,LoRa在智慧城市、智能园区、智慧建筑、智慧安防等垂直领域也有了大量落地的行业应用,而且目前全球大量的垂直行业中已形成300多个成熟应用场景。
从需求角度看,国内的LoRa芯片需求呈现分散化的状态。一方面,由于参与LoRa产业生态的行业较多,很难形成垄断性的需求方;另一方面,相应模组、终端的进入门槛不高,很多中小型团队和终端厂商也可以快速推出LoRa硬件产品,这是一个充分竞争的市场。
       从技术生态上看,LoRa是一种物理层的调制技术,可将其用于不同的协议中,如LoRaWAN协议、CLAA网络协议、LoRa私有网络协议、LoRa数据透传。随着使用协议的不同,最终的产品和业务形态也会有所不同。其中,LoRaWAN协议是由LoRa联盟推动的一种低功耗广域网协议,同时LoRa联盟将LoRaWAN进行了标准化,以确保不同国家的LoRa网络是可以互操作的。截至目前,LoRaWAN标准已建立起“LoRa芯片-模组-传感器-基站或网关-网络服务-应用服务”的完整生态链。
        从网络规模上看,截至2019年末Semtech公司提供的数据表明,在网络部署方面,100多个国家的120多家网络运营商部署了LoRa网络,并且最近几年LoRa的市场体量一直保持着高速增长。同时,其部署的LoRa网关已经增加到20多万台,能支持约12亿个节点,实际部署的节点超过1亿个。
        从行业规模上看,美国Semtech公司是全球LoRa技术应用的主要推动者,Semtech公司为促进其他公司共同参与到LoRa生态中,于2015年3月联合Actility、Cisco和IBM等多家厂商共同发起创立LoRa联盟。经过5年时间的发展,目前LoRa联盟在全球拥有超过500个会员。
        中国市场是LoRa全球生态建设中非常重要的部分。2018年,阿里巴巴、腾讯、京东等互联网巨头均以最高级别会员身份加入LoRa联盟,同时,中兴克拉科技、各地方广电、浙江联通、联通物联网公司等
LoRa生态伙伴也在各地积极部署LoRa网络。可见,LoRa在中国已经形成了融合运营商(中国联通、中国铁塔等)、互联网巨头(阿里、腾讯、京东等)以及解决方案商、模块提供商和网关制造商的庞大生态体系。
        阿里云开发了支持LoRaWAN协议的LinkWAN物联网平台,同时还可提供LoRa节点设备、LoRa网关等丰富的LoRa产品。除此之外,阿里相继投资翱捷科技(ASR)、中天微等芯片企业。为推进LoRa在中国的拓展,阿里巴巴已在杭州和宁波建设LoRa网络,并已具备商用条件。
        腾讯在深圳与当地合作伙伴共同建立一个LoRaWAN网络,为各种物联网应用和终端用户(如政府公共服务)提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案,支持LoRaWAN生态系统的进一步发展。
        联通正在打造一个基于LoRa的统一云化核心网或者LoRaWAN连接管理平台。此举一方面可以给客户更多的选择性,另一方面也可以弥补在区域性业务上,运营商NB-IoT网络覆盖不足的问题。中国联通将在偏远地区、公共事业管理等方面,考虑LoRaWAN业务的落地。
        LoRa技术是Semtech公司的专利,其LoRa芯片产品初期是独家供应的,但单一的LoRa产品必然会带来产品价格、功能等方面的局限性。所以,2018年Semtech公司开始改变传统的产品营销模式,授权
IP给一些公司做LoRa产品,形成了多芯片供应商的市场供应局面,LoRa芯片供应厂家通过走差异化路线,融合不同功能的芯片,满足更多差异化应用的需求(如LoRa+GPS获取位置信息,LoRa+BLE与本 地近场设备连接通信,LoRa+安全芯片增强设备的安全性等)来共同做大市场。未来,会有更多的LoRa芯片供应商,一起把市场做大。

1.1.2 Semtech公司介绍

       提起LoRa,就不得不提Semtech这家公司。作为LoRa的母亲公司和IP的唯一拥有者,Semtech是美国一家提供高质量模拟和混合信号半导体产品的企业,产品包括电源管理、安全保护、光通信、人机界面、测试和检测以及无线和传感产品方面等IC产品。如果纯粹从IC领域来看,Semtech公司不论从规模还是收入各方面都算不上一家IC巨头。但是,如果从物联网的角度来看,Semtech公司正在成为该领域中具有举足轻重作用的组织,或许能够借助物联网的发展成为该领域的巨头。
       物联网的从业者对Semtech公司的了解主要源于LoRa,然而该公司的产品线比较丰富,LoRa相关产品只是该公司所有产品线中的一类。Semtech公司成立于20世纪60年代,一开始是为军方提供高可靠的电源产品,1967年上市。如图1-2所示,在过去的60年中,Semtech公司通过一系列并购整合,逐渐形成了以下自身核心的四大产品线的业务。
图1-2    Semtech公司发展历史
 
(1)信号完整性产品。Semtech公司设计与研发的光通信、广播视频和背板数据时钟恢复产品,广泛应用于企业计算、工业、通信和高端消费者领域。其多种光通信收发器、多通道背板数据时钟恢复解决方案,从100Mb/s到800Gb/s支持广泛的工信标准,而其广播视频针对下一代的视频格式、持续增长的数据速率和不断变化的I/O和距离要求提供差异化解决方案。
(2)安全保护类产品。Semtech公司提供TVS(瞬间电压抑制)产品,保护低电压电路不会受到因静电放电、雷击以及其他破坏性瞬间电压所造成的损坏或锁定。这些保护类产品广泛应用于智能手机、LCD电视、平板、电脑、基站、路由器和各类工业设备。
 
(3)无线和传感类产品。Semtech公司提供专门的射频芯片和专用的传感产品,射频产品适合在ISM频段上低成本、低功耗的环境中使用,大名鼎鼎的LoRa芯片产品就在这一产品线中;专用传感产品包括触摸控制器、接近传感产品,这些产品可以广泛应用于移动终端等消费品。
(4)电源管理和高可靠性产品。这类产品线包括充电芯片、LED驱动器、负载开关芯片、电压转换器以及电力线载波等器件,而高可靠半导体分立器件可用于供电、基站、电机驱动器以及医疗设备等。
       依靠这四类产品线,Semtech公司形成了其模拟和混合电路半导体厂商的定位。半导体产业从广义上可以分为模拟半导体器件和数字半导体器件两种,模拟器件产品是对“真实世界”的模拟信号进行调节控制的,如温度、速度、声音、电流等,而混合信号器件则是将模拟和数字两种电路实现在一个集成电路芯片上。模拟和混合信号半导体器件的市场与数字器件市场差别较大,因为模拟和混合器件相对于数字器件来说其产业的一大特点是产品生命周期较长。另外,模拟半导体供应商的固定投资相对少一些,因为它们对最前沿的设备和制造工艺的依赖性小一些。不过,模拟和混合信号半导体最终产品更加多样化,不像数字半导体产品那么标准化。这也是Semtech公司的LoRa芯片定义中没有SoC产品的原因。
       在这些产品线形成的过程中,Semtech公司充分发挥并购整合的作用,例如电源管理类产品线始于1990年对Lambda公司的并购,无线和传感类产品线始于2005年对XEMICS公司的并购。当然,在物联网方面的成名也是源于其2012年的一次收购。而这些产品正在为全球各类计算、通信、高端消费品、工业等领域的客户提供支撑。其全球客户包括谷歌、思科、华为、LG、夏普、三星、中兴等公司。
       收购Cycleo公司并融入自己的产品线只是Semtech公司在物联网领域树立其地位的一个必要条件,并不是充分条件。毕竟在2013年前,已有大量基于非授权频谱的低功耗广域网络技术标准出现,包括法国明星创业公司Sigfox、拥有超豪华董事会团队的Ingenu推出的RPMA、非营利性组织WeightlessSIG推出的标准Weightless-N、M2COMM公司推出的Platanus以及Telensa等。那个时间点上这些技术均处于同一起跑线上,为什么LoRa能够在这么多相似技术中脱颖而出?不仅仅是LoRa在技术上有一定的优势,更重要的是Semtech公司在后续的运营策略,包括生态化运营的路径,成为LoRa领先于其他技术商用部署的最重要原因。
        2015年3月在巴塞罗那召开的世界移动通信大会(MWC)上,Semtech公司联合Actility、思科、IBM等厂商发起成立了LoRa联盟。联盟的一个重要使命就是推动LoRaWAN规范在全球的普及。众所周 知,LoRa是一种线性扩频调频技术,作为一种私有技术核心,由Semtech公司所有,而LoRaWAN则定义了使用LoRa技术的端到端标准规范以及网络的系统架构,是一个开放性的标准规范。Actility、思科、IBM、Semtech等很多厂商的技术专家都是LoRaWAN规范的参与者。这样,以产业生态方式进行公开标准规范的推广来占领全球潜在市场,但同时又保证了Semtech私有技术和产品的商业利益。LoRa联盟也不负众望,成为运作最为成功的物联网联盟之一。其成功的因素,主要在于联盟成员借助产业生态力量,各自得到了发展的同时也获取了商业利益。
        Semtech公司的CEOMohanMaheswaran先生2018年表示,LoRa将成为物联网领域的事实标准。而Semtech公司以推进产业生态的做法,化平凡为神奇,让LoRa在各类技术中脱颖而出,正在成为最具竞争力的物联网全球事实标准之一。

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