LoRa特点及应用

LoRa技术特点

        LoRa技术是一种扩频调制技术,也称为Chirp调制(注:Chirp这个词来源于同名鸟类的叫声的信号特点,对于信号处理来讲也可称作扫频),这种调制技术是Semtech公司独有的IP(知识产权)。扩频技术是一种用带宽换取灵敏度的技术,Wi-Fi、ZigBee等技术都使用了扩频技术,但是LoRa调制的特点是可以最大效率地提高灵敏度,以至于接近香农定理的极限。尤其是在低速率通信系统中,打破了传统的FSK窄带系统的实施极限,如图1-20所示。
  LoRa与FSK灵敏度对比图
  图1-20   LoRa与FSK灵敏度对比图
        LoRa调制可以在更宽泛的通信速率工作,甚至可以工作在几十比特每秒,而传统的FSK技术很难工作在超窄带环境,无法实现超低速率工作。如表1-6所示,在相同的通信速率下,LoRa比FSK灵敏度好8~12dBm,这是由两种技术的调制解调特性决定的,LoRa调制的灵敏度已经靠近了香农定理的极限了。可以说LoRa生态最重要的是LoRa调制技术,由于LoRa调制技术在物理层有巨大的优势,才使LoRa可以在短短几年时间内成为全球的LPWAN事实标准。
表1-6   LoRaVSFSK灵敏度对比表
LoRaVSFSK灵敏度对比表
LoRa技术有如下优点。

1.远距离

        LoRa的字面意思是远距离(LongRang),那么到底LoRa能传多远呢?现在已经有多家卫星公司把LoRa发射到了近地卫星上,一般近地卫星距离地面600~1600km。2019年1月底的TTN(TheThings Network)大会上,LacunaSpace的CTOThomas Telkamp带来了卫星物联网的分享和现场演示Using gatewayson satellitesto connect your existing LoRaWAN devices any where in the world(使用卫星基站连接全球任意位置的LoRaWAN设备)。TTN与Lacuna在大会期间从SpaceNorway、Norwegian航天中心那边借来了Norsat-2卫星。当这颗卫星从会议室上空飞过时,卫星会向地球发送LoRa消息。在会议大楼以及荷兰台夫特理工大学的屋顶上都使用Semtech标准芯片搭建了接收节点,当卫星经过,会立刻传回消息,再通过现场布置的一台60年高龄的电报机打出消息。图1-21为LoRa卫星的工作原理示意图,LoRa传感器可以放置在地球的任意角落(室外无顶部遮挡),都可以将数据传输到卫星上,并通过地面接收站,最终数据进入互联网和服务器中。
图1-21     LoRa卫星工作原理示意图
       这里需要强调的是,在LoRa的卫星应用中所有LoRa的硬件设备都使用Semtech标准芯片搭建,与传统LoRa地面的应用中使用的芯片完全相同,且卫星的天线和功率也都和普通的LoRa应用完全相同。LoRa卫星物联网就是利用了LoRa生态中现有的大量低成本传感终端设备,以及非授权频段的广泛使用,当然卫星应用中最重要的还是LoRa那超远的工作距离。
 
       无线设备的传输距离用1.2.3小节中的MCL表示或用链路预算表示。链路预算中最重要的参数为接收灵敏度,LoRa的最高灵敏度可达-149.1dBm,而蓝牙、ZigBee等无线技术的灵敏度为-100dBm左右。LoRa灵敏度比它们好50dB。也就是说,LoRa可以解调的信号强度是蓝牙、ZigBee的十万分之一。LoRa的超高灵敏度来自调制本身,不依赖于窄带(Sigfox使用超窄带技术)也不依赖于重传(NB-IoT使用重传技术),也不依赖于编码冗余(ZigBee使用编码冗余)。
        图1-22为LoRa在美国硅谷湾区的一个案例,一个LoRa网关可以覆盖图中的一大片区域,最远覆盖处距离网关50km,这都是源于LoRa的远距离特性。
 LoRa实地测试
图1-22   LoRa实地测试

2.抗干扰能力强

        LoRa能够实现远距离传输,除了灵敏度优势外,还有一个非常重要的因素是超强的抗干扰能力。LoRa具有低于噪声20dB依然可以通信的极限抗干扰技术,这是现有传统通信技术都不具备的。
 
        如图1-23所示,LoRa可以在噪声之下20dB正常解调信号,而FSK理论上需要在噪声之上8dB才能保证解调。2.1.3小节中有FSK的信噪比与误码率公式。当通信过程中遇到外界电磁信号干扰时,LoRa可以继续稳定通信,而传统的无线技术则无法通信。所以在一些信道干扰比较严重的区域,客户都会选择LoRa技术作为稳定通信的核心技术。
  LoRa抗干扰示意图
图1-23      LoRa抗干扰示意图
 
        此外,LoRa针对更强的突发性的随机干扰也有非常好的应对能力。如果面对突发长度< LoRa的符号长度或干扰占空比<50%的强干扰源,LoRa依然可以稳定解调,且保证其灵敏度恶化<3dB。
       LoRa调制之所以有这么强的抗干扰能力,主要是因为Chirp调试在相干解调的时候可以把在噪声之下有用的LoRa信号聚集在一起,而噪声在相干解调后还是噪声。具体的技术细节在2.2.2节中会有详细介绍。

3.低功耗

       LoRa技术最主要的应用是物联网,而物联网对于终端设备的使用寿命的要求非常高,在传统的电池供电下,许多应用都有5年甚至10年的工作寿命要求,电池的寿命直接影响用户体验,这就要求LoRa技术在应用时具有超低的功耗。超低功耗的实现主要由两方面决定,一方面芯片的硬件要具备低功耗;另一方面应用协议也要具备低功耗。
LoRa调制具有不依赖于窄带、重传、编码冗余的特点。因此,LoRa调制是一种非常高效的调制方式,工作电流非常低,其静态电流<1μA;接收电流不到5mA;发射功率为17dBm时电流只有45mA。
 LoRaWANClassA与NB-IoT的PSM模式对比
图1-24   LoRaWANClassA与NB-IoT的PSM模式对比
       LoRaWAN协议是LoRa全球推广的标准协议,具有轻量级、智能化的优点。LoRaWAN节点与网关通信简单,开销少;网络服务器可以根据信号质量,动态调整节点速率和发射功率,以达到省电目的。图1-24所示为LoRaWAN的一个数据包的发送与NB-IoT的一个数据包的发送对比示意图。从图中可以看出,LoRa的数据包非常简单,而NB-IoT由于其自身运营商特性以及从LTE的精简协议的原因,需要发送和接收大量的握手数据,即使在发射功率相同的情况下,由于通信时间的加长,NB-IoT的这个数据包的耗电量要到LoRa的3倍。而事实上NB-IoT的发射功耗一般比LoRa的发射功耗大3倍。
       为达到省电的目的,业界广泛应用周期侦听(WakeonRadio,WOR)方式:如图1-25所示,芯片周期性地进入接收(RX)模式以侦听有没有唤醒信号(比如前导),其他时间处于休眠(Sleep)模式。LoRaWAN的ClassB采用此种方式实现低功耗和实时性兼得。
LoRaCAD功能
图1-25    LoRaCAD功能
       LoRa具有信道活动检测(ChannelActivityDetection,CAD)功能,即短时间监听附近是否有指定频率和扩频因子的LoRa信号,且这个唤醒的信号可以低于噪声,这样就不会像传统的FSK经常被误唤醒。LoRaCAD整个过程需要约2个码元(Symbol)时间,其中约1个Symbol接收(接收电流为4.6mA),1个Symbol的时间计算(电流为接收模式的50%左右)。
       如设定常用的LoRa工作模式BW=125kHz、SF=7、CR=4/5,其通信速率为5.47kb/s,1Symbol=1ms。上述设定参数表示只需要接收1ms的空中信号就可以判断是否是需要的LoRa信号。相同速率下,FSK等传统技术一般需要3B或以上的前导用于接收同步,接收窗口需 要打开5ms以上。所以相同速率下,执行周期侦(WOR)时LoRa的电池寿命是FSK的3~4倍。

4.大容量

        LoRa具有工作距离远、覆盖范围大的特点,但是如果其容量小,覆盖范围大会成为其劣势。LoRa容量的大小至关重要,可以通过Wi-Fi的容量来类比:如果用户所处区域Wi-Fi设备特别多,就会存在设备掉线或网络不稳定等问题。可以把LoRa看成一个“长Wi-Fi”。同理LoRa也会遇到网络容量的问题,下面对LoRaWAN协议网络进行分析。
LoRaWAN的网络容量决定因素很多,主要与以下几个参数相关:
  • 节点的发包频次;
  • 数据包的长度;
  • 信号质量及节点的速率;
  • 可用信道数量;
  • 基站/网关的密度;
  • 信令开销;
  • 重传次数。
       LoRaWAN协议中具有根据终端节点状况进行调节的能力,叫作自适应速度选择(AdaptiveDataRate,ADR),具体内容详见5.2.2小节。如图1-26所示,ADR可以根据节点与网关的距离和信号情况调整 其通信速度和发射功率等参数,还可以调整节点的跳频频率实现更大的接入量和减少碰撞。当遇到极端情况可以直接扩展更多信道或采用多网关覆盖解决。
 LoRaADR示意图
图1-26    LoRaADR示意图
       LoRaWAN协议的大容量是部署广域网的必要条件,广域网为去碎片化提供了有力支撑。网络容量的计算和覆盖的优化非常重要,8.2.2小节中会有非常具体的计算和实施方式讲解。一般情况下,一个智慧城市的项目中,中大型城市需要几百个LoRa网关来实现室外全覆盖;在智慧社区的项目中,一个工业园区或一个住宅小区使用1~4个中小型LoRa网关可以实现全覆盖。

5.按需部署、独立组网

       LoRa就是一个“长Wi-Fi”技术,其部署特点与Wi-Fi非常相似。LoRa部署方便且可以独立组网,哪里有需要就在哪里建网,类比于哪里需要Wi-Fi信号哪里就放置一个Wi-Fi路由器一样。
       LoRa的部署过程也很简单,只要选择一个网关部署位置,连接网线和电源线即可。在没有网线连接的地方可以利用运营商的4G网络或者本地的Wi-Fi无线网络完成LoRa网络部署。
       在实际的物联网应用中,有许多环境非常恶劣的场景,运营商的蜂窝网信号很难覆盖或根本没有信号。当这些场景有物联网需求时,可以根据具体的需求进行LoRa网络架设,如图1-27所示的一些场景:密集的居民楼、井盖内或复杂的地下管道。由于LoRa的超远距离,强抗干扰能力,网关部署简单等特点,LoRa的部署方式对比运营商的网络部署要灵活得多,运营商的网络如果做全覆盖,由于覆盖范围小,成本高,在许多地方势必会出现大量的浪费。
 LoRa覆盖的恶劣环境区域
图1-27    LoRa覆盖的恶劣环境区域
LoRa网络在按需部署的项目中,具有以下特点:
  • 按需部署:根据应用需要,规划和部署网络;根据现场环境,针对终端位置合理部署基站。
  • 灵活性和便利性:网络的扩展十分简单;根据节点规模的变化,随时对覆盖进行增强或扩展。
  • 满足安全需求:技术上,公网和专网都完全可行;满足数据私密性要求。
  • 节省成本:按需部署需要基站数量少;免于支付月租。
在实际应用中,客户对于组网有大量的需求,LoRa独立组网有如下特点:
  • 私人网络部署:个人、企业或机构可部署私有网、企业网或行业网(免License频段),与W-iFi部署场景基本一致。
  • 局域性应用:大多数物联网应用都是区域性的小规模局域网即可解决问题。区域性的局域网络是公网有效且必要的补充。
  • 方案价值高:用户的方案可覆盖云、管、端整个链条;整体方案的价值远远大于终端和基础设施的价值。
  • 广域网、私网共同发展趋势:解决碎片化;省去基础设施的投资;解决了运营商部署和维护低效网络的麻烦。

6.轻量级,低成本

       一个项目能否成功,成本是非常关键的因素。再好的技术如果没有合理的价格是无法打开市场的。LoRa技术是一个轻量级的技术,LoRaWAN协议也是一个轻量级的物联网通信协议。LoRa硬件在设计之初就充分考虑到了物联网市场对成本的苛刻要求以及对整体部署的要求。总结LoRa的成本特点:
  • 硬件简单:模块不需要TCXO、SAW滤波器和外置(高线性度)PA;LoRaWAN是轻量级协议,实现简单,对资源要求低。
  • 许可认证:没有专利和入网许可等成本。
  • 部署实施简单:基站轻量级,相当于路由器;无须直放站,部署十分简单。
  • 低成本:LoRaWAN模块量产价格已经达到3美元并逐渐接近2G模块价格;网关根据工作温度范围和外壳防尘、防水、防雷等级别不同,价格从几百到几千元人民币,远远低于NB-IoT、eMTC等其他物联网无线技术基站,且因为LoRa传输距离远,需要基站数量少。

7.抗频偏(抗多径、抗多普勒、定位测距)

1)LoRa抗多径效应
       LoRa使用扩频技术,提供了抗多径和衰落的能力,使其非常适合在城市和郊区环境中使用。
       图1-28为实际测试案例。在野外山体滑坡监控项目中,传输点之间存在非常多的无线可达路径,图中展示了三条主要路径。其中衍射(绕射)距离为5.5km,多次反射距离为6.8km,直接反射距离为9.5km。最大路径与最短路径相差4km。4km路径差意味着13.3μs的时延。
  LoRa多径测试位置图
图1-28   LoRa多径测试位置图
       处在A处的网关,收到的LoRa信号如图1-29所示,信号由于多径叠加,波形严重失真。经测试,在上述环境中LoRa依然可以保持稳定传输,且丢包率<1%。
 LoRa多径信号分析图
图1-29 LoRa多径信号分析图
        在高楼林立的大城市中,多径效应会更明显,尤其在远距离无线通信时更为明显。扩频技术是对抗多径效应最有效的手段,LoRa技术采用扩频技术解决了此棘手问题。关于LoRa技术抗多径原理,请参照2.2.2小节内容。
2)LoRa抗多普勒效应
       移动的物体会带来多普勒频移,而频率的移动对无线接收机提出了很大的挑战。尤其是我国的高铁开通后,其350km/h的时速对于900MHz频段信号带来约±300Hz的中心频率偏差。多普勒频偏一直是移动无线通信系统中需要考虑的重要因素,对比常用的蜂窝网技术,GSM制式标准允许的中心频率偏差为±300Hz(高铁350km/h下频偏为±300Hz);WCDMA制式标准允许的中心频率偏差为±800Hz。
       但是对于LoRa接收机,多普勒频移导致LoRa脉冲中的小频移,在基带信号的时间轴中引入相对可忽略的频移。LoRa有较好的抗多普勒特性,是高速移动状态下稳定通信的优选物联网技术。
       LoRaWAN协议中,对终端设备的工作频率偏移要求为小于50×10-6,当工作主频为490MHz时,协议允许的最大频率偏移为
24.5kHz。对比常用的蜂窝网技术,有着巨大的优势。在高速移动物体中的应用完全不需要考虑这些问题。关于LoRa多普勒原理和计算,请参照8.5.1小节。
3)LoRa定位、测距
       LoRa的一个固有特性是能够线性区分频率和时间误差。LoRa是雷达应用的理想调制方式,因此非常适合于测距和实时定位服务等应用。
        LoRa定位的特点是其他远距离无线通信技术所不具备的,具体定位原理和计算请参照8.3.1小节;测距原理请参照4.4.2小节。

LoRa与短距离、长距离无线技术对比

       1.2.2小节介绍了LoRa既可以作为短距离物联网通信技术,又可以作为长距离物联网通信技术,本小节通过对比的方式,从短距离与长距离的视角分析LoRa的特点。

1.LoRa与长距离无线物联网技术的对比

       在所有的LPWAN技术中,Sigfox技术由于其独特的运营模式,在中国物联网市场上很难占有一席之地,而eMTC在中国的推广才刚刚开始,所以在长距离的物联网应用中目前主要是NB-IoT与LoRa争雄。
       在中国提到LoRa大家基本都会想到NB-IoT,大家都喜欢拿两个技术进行对比。LoRa只是一种调制技术,由于NB-IoT是一套完整的通信协议和市场标准,这里用对应的LoRaWAN技术与NB-IoT技术进行比较,分别从终端成本、基站成本、应用场景等进行对比分析。
1)终端成本分析
      硬件成本:
  • ·LoRa模块一般是用ARM-M0+LoRa收发芯片,单颗ARM-M0即可负责LoRaWAN协议栈(含通信、安全等)和应用层。LoRaWAN协议比较轻,对Flash要求低(64KB即可);外围简单,±20×10-6常温晶体,不需要外置PA和SAW。
  • ·NB-IoT的芯片成本会逐步降低,但是其运营商架构决定了其模块成本必然高于LoRa。
测试认证成本:
  • NB-IoT模块测试,需要专门的综测仪,认证和入网许可费用高;
  • LoRa模块测试,用一般的频谱仪和信号源即可,且没有入网许可的费用。
LoRa终端成本约为NB-IoT成本的80%。
2)基站成本分析
NB-IoT基站成本分析:
  • NB-IoT的基站发射功率大(达20W),因此需要较大的PA,且OFDM对PA线性度要求高,因此成本很高。
  • 庞大的天线、馈线系统也比较昂贵,施工成本极高。
  • 目前NB-IoT新建基站成本在人民币30万元,4G基站原有频段升级成本在人民币7.5万元左右,单站平均的成本在人民币15万元左右。考虑从1800/2100MHz迁移到800/900MHz, 实际成本要更高一些。
  • NB-IoT的系统从属于移动通信运营商网络完整系统的一部分,需要大量的网规网优和维护工作。
LoRa网关成本:
  • LoRa基站的发射功率小,板级只需要普通的PA和LNA即可,天线、馈线系统也很简单。
  • LoRa的室外基站一般在人民币0.5万元左右(室内型人民币0.2万元以内)。
  • ·LoRa系统比较简单,维护比较轻,室内型家庭网关基本可以做到免维护。网关具有协作接收特性,不需要网规网优工作。关于LoRaWAN网络与传统蜂窝网的对比5.2.2小节中有详细讲解。
        从上述讨论得知,NB-IoT与LoRa的网关成本比约为30∶1~50∶1。图1-30所示为NB-IoT基站与LoRa基站的对比图。
 NB-IoT基站与LoRa基站对比图
图1-30    NB-IoT基站与LoRa基站对比图

3)适用场景分析——NB-IoT与LoRa

  • 智能抄表:电表对功耗要求不高,两者都比较适合,但实际上电表的电磁环境恶劣,NB-IoT的下行覆盖能力相对有限,而LoRa更合适。水表、气表对功耗和成本要求极高,LoRa在技术和成本上有优势。对于不愿架设和维护网络的客户,NB-IoT更合适。
  • 智慧农业:对功耗和成本敏感,且一般蜂窝信号覆盖不足,LoRa具有优势。
  • 工业控制:因现场覆盖问题,一般更倾向专网,LoRa具有一定优势,但NB-IoT也可有用武之地。
  • 资产和人员跟踪:一般要求广域覆盖,所以NB-IoT具有一定优势;针对厂区内局域应用LoRa则更灵活。
  • 智能建筑:一般为私有网络覆盖,且基于LoRa局域覆盖则更有针对性,LoRa具有优势。
  • 智慧城市:局域性的停车场,LoRa更合适。广域的路灯,井盖或移动电动车等,则依靠运营商的网络实施起来更简单,理论上NB-IoT可能更合适,但对于较恶劣的环境,如井盖有屏蔽环境,LoRa专网更能解决覆盖问题。
  • 环境监测:室外环境检测对功耗敏感,且很多场景没有蜂窝信号覆盖,LoRa具有优势。
  • 智能家居:一般都是私有家庭网络,NB-IoT无法使用,LoRa在一些大型别墅或2.4GHz频率干扰严重的环境中具有优势。
       图1-31所示为NB-IoT技术与LoRa技术的详细对比,从结果看各有千秋。其不同的特点和优势,可以满足不同的需求和市场,LoRa在技术上最适合更低速率、更低功耗及较少下行的应用。在垂直应用的企业网和行业网方面LoRa具有更大灵活性。在今后的发展中多LPWAN技术将百花齐放,共生共存,LoRa在许多方面将与NB-IoT及其他LPWAN技术互为补充。
NB-IoT技术与LoRa技术的详细对比雷达图
图1-31    NB-IoT技术与LoRa技术的详细对比雷达图
NB-IoT技术与LoRa技术对比中差别较大的两个对比项为抗多普勒频移和运营商网络覆盖。
  • 抗多普勒频移:其中NB-IoT无法在高速移动的环境中工作。NB-IoT经过多次版本更新直到R14版本,其可以支持最高移动速度提升至80km/h。而LoRa可以支持的移动速度超过第三宇宙速度16.7km/s,地球上任何移动的物体都不会超过这个速度。在移动物体上的物联网应用,LoRa具有绝对优势。具体计算讨论请见8.5.1小节。
  • 运营网络覆盖:由于国家无线电规范以及三大电信运营商的策略,LoRa的国内网络覆盖较差,如果需要实现城市间移动设备的数据传输,应采用NB-IoT网络。

2.LoRa与短距离无线技术的对比

        LoRa是为物联网而生的长距离无线技术,让它参与短距离技术对比相当于降维打击。在传统的短距离无线通信物联网应用中,LoRa技术的灵敏度比ZigBee、BLE等技术高20dB以上。图1-32所示为多种短距离无线技术灵敏度与速率对比图,也就是说LoRa覆盖半径是其他技术的10倍以上。
多种短距离无线技术灵敏度与速率对比图
图1-32   多种短距离无线技术灵敏度与速率对比图
       针对短距离局域网应用中的关键点,LoRa与ZigBee、BLE、Wi-Fi的对比如图1-33所示。其中,LoRa的优势还是在于工作距离、功耗、网络容量和抗干扰;最大的缺点在于带宽。
 LoRa与ZigBee、BLE、Wi-Fi技术对比图
图1-33   LoRa与ZigBee、BLE、Wi-Fi技术对比图
        Wi-Fi、NFC和蓝牙技术由于已经进入手机生态,所以面对的客户主要是个人,这样就跟与物连接的LoRa技术的关系多为合作。2019年Wi-Fi联盟和LoRa联盟发布了战略合作及共同发展物联网规划。因为ZigBee技术主要是针对工业和商业的应用,所以与LoRa在许多应用中发生正面冲突。LoRa与ZigBee对比有如下特点。
  • 工作频率:LoRa的Sub-1GHz工作频率具有传输衰减小,绕射能力强等优势。
  • 频段干扰:ZigBee工作在2.4GHz频段,Wi-Fi和蓝牙信号也处于同样的频段,频带占用和干扰问题严重。LoRa工作频段干扰较小,且具有噪声下解调的超强抗干扰能力。
  • 灵敏度:在智能家居等物联网应用中,ZigBee灵敏度比LoRa差20dB。
  • 覆盖范围:智能楼宇和智能家居应用中,ZigBee距离受限,尤其是国内水泥墙的环境中,需要多个网关完成覆盖。完成同样的区域覆盖(只考虑空间信号覆盖),需要ZigBee网关数量是LoRa网关的10倍以上。
  • 网络协议:ZigBee与网关绑定,导致安装(配对需要物理按键)和后期维护(网关故障与更换)成本都很高,灵活性不佳。相比之下LoRaWAN网络协议轻便很多。
  • 网络稳定性:ZigBee节点较多时需要Mesh,存在较大的不稳定性。LoRa同场景中使用单跳结构,稳定性很高。
  • 传输速率:ZigBee支持250kb/s固定速率,LoRaSub-1GHz芯片支持可变速率。LoRa在传输速率的选择上灵活度高,但ZigBee最高传输速率高于LoRa。
       LoRa刚刚进入短距离无线应用市场,有许多的挑战正等待着他。由于在常用的近距离局域网无线技术中,LoRa传输速率最低的且工作频率没有重叠,可以和其他技术有效地合作在一起,尤其是在智能家居领域,如亚马逊的智能音箱中就使用了LoRa技术作为物联网的无线连接技术。

LoRa应用市场分析

提到LoRa的市场,需要先分析LoRa适合的应用,只有在适合的应用中才能培育出高速成长的市场。

1.LoRa的市场应用特点

       LoRa技术具有远距离、抗干扰、低功耗、大容量、灵活部署、轻量级、低成本、抗频偏等多种优势,在实际应用中主要有如下三大类场景。
1)蜂窝信号弱或不可用场景
       农业和畜牧业中的位置跟踪和动植物健康状况监测:灌溉设备跟踪管理等项目由于此类应用的环境多为农村或偏僻地区,这里的蜂窝网络覆盖比较差,且要介入系统的物联网设备较多,最好的实现方式就是使用LoRa自建网络。
       采矿和石油作业:这个场景中有大量的物联网设备管理或数据采集工作,甚至是井下作业的需求。然而这些环境偏僻恶劣,基本没有蜂窝网覆盖,尤其是井下等一些有安全要求区域的网络覆盖,使用LoRa网络进行管理是最合适的。
       森林火灾监测:森林区域人烟稀少,且部署蜂窝网基站的成本偏高(需要光纤接入),而架设LoRa网络成本很低且覆盖范围广泛,成本低。
       环境监测:环境监测的监测点种类繁多,有的漂浮在江河中,有的在高山悬崖边,许多区域信号覆盖较差,而且这些环境监测的传感器具有一定的分布特性,使用LoRa网络会更加方便。
        智慧楼宇(锁具、烟感、水表、气表监测,门窗……):由于水表、气表类表计等许多都是放置在表井中或者厨房的橱柜内部,这些区域的蜂窝网信号很弱,而且这些楼宇设备比较密集,使用LoRa采集效率高且成本低。
2)功耗、距离要求严格的应用
       水、气表:水、气表一般的工作寿命都要8~10年,尤其是水表在整个生命周期中是无法更换电池的,这就需要超低的功耗,所以LoRa非常适合这样的应用场景。
       泊车传感器/锁具:泊车系统传感器的电池更换很困难,尤其路内停车的地磁传感器,埋入地下后更换电池成本很高,这就需要有非常好的功耗。现在市场上绝大多数的泊车传感器都是使用LoRa技术的。
       门禁、烟感、垃圾监测:这类应用传感器都要求轻量级且电池很小,然而需要工作2~3年不更换电池,再加上这类应用的工作距离也有一定的要求,LoRa技术就比较合适。
        资产追踪:对于一定区域内的资产管理,LoRa技术既能实现超低功耗的要求,又能实现超远距离的覆盖,对于厂区、园区的资产追踪是最好的选择。
       智能穿戴:智能穿戴对功耗要求严格,尤其一些针对户外的远距离应用,采用LoRa技术是最佳的选择。
3)私有/企业网络
       工业控制/生产线监测:一般的客户对于生产控制以及生产数据管理都是非常看重的,多数都会使用私有或企业物联网,而LoRa的灵活部署、超强的抗干扰特性(产线的射频干扰较大)对于智慧工业的应用是非常合适的。
        园区、物业管理:大量的住宅小区和商业地产,都对其内部管理以及设施服务进行升级,而且更希望是自己可以掌控的私有网络,当前国内前几名的房地产公司均在其物业采用了LoRa网络的覆盖,对其小区及商业地产进行精细化管理。

2.LoRa应用市场分类

      LoRa物联网应用种类繁多且碎片化,为了方便宣传和市场管理,
如图1-34所示,可以分成如下几大类。
  • 智慧表计:Metering。
  • 智慧物流:SupplyChain&Logistics。
  • 智慧医疗:Healthcare。
  • 智慧农业:Agriculture。
  • 智慧工业:IndustrialControl。
  • 智慧建筑智慧家庭:Home&Building。
  • 智慧社区智慧城市:Cities。
  • 智慧环境:Environment。
       LoRa的应用种类还在不断扩充,如手机应用、卫星应用、对讲机应用等层出不穷。相信随着这些应用的逐渐成熟,会有更多新的应用进入LoRa生态之中。

3.LoRa市场规模

       截至2020年1月初,据LoRa联盟官方数据,共有1.3亿个LoRa终端被使用,共有超过50万个LoRaWAN网关被部署。这些网关可以支持超过20亿个LoRa终端设备,LoRa网络覆盖了超过140个国家和地区。
LoRa应用市场分类
图1-34     LoRa应用市场分类
        图1-35所示为Semtech公司给出的近三年的LoRa发展图(Semtech的财年为1月结束,FY20代表2019年2月—2020年1月的数据)。
 LoRa全球发展数据
图1-35   LoRa全球发展数据
        从数据中可以看出,LoRa在全球的发展是非常迅速的,无论运营商网络数量还是LoRaWAN网关和LoRa节点等硬件设备的数量增速明显。如此高速的发展是因为LoRa技术和LoRa的生态得到了市场的认可,真正地解决了物联网的痛点。

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2022-12-20