LoRa和LoRaWAN是两种用于物联网的低功耗广域网络技术。LoRa是一种物理层或无线电频率技术，使用扩频调制技术，使设备能够在远距离和低功耗条件下通信。LoRaWAN则是基于LoRa的网络协议层，定义了通信协议和系统架构，支持多个LoRa设备通过网关接入网络服务器，实现集中管理和数据传输。简单来说，LoRa是“硬件层”上的调制方式，而LoRaWAN是“软件层”上的网络通信协议，两者结合才能实现完整的物联网通信解决方案。LoRa和LoRaWAN的组合广泛应用于远程监控、智能抄表、环境监测等物联网应用中，具有覆盖广、功耗低、部署成本低等特点。
一、 LoRa和LoRaWAN功能、层次和应用场景上的区别。
1. 技术层次不同：
- LoRa 是一种物理层(PHY Layer)技术，主要关注无线信号的传输。它采用扩频调制技术(CSS，Chirp Spread Spectrum)，能够在远距离内传输低数据速率的数据。LoRa技术定义了无线信号如何在物理层传输，但不涉及数据如何组织、发送和接收。
- LoRaWAN 则是一种基于LoRa技术的网络协议，位于媒体访问控制(MAC层)。LoRaWAN定义了网络层面的通信规范和数据传输协议，包括数据传输、认证、数据安全、网络拓扑结构等。它通过应用服务器、网络服务器、网关等实现数据管理，适用于多节点网络。
2. 功能范围不同：
- LoRa 提供物理层和部分数据链路层功能，适用于节点间的点对点通信。
- LoRaWAN 则提供完整的网络架构和通信协议，包括设备管理、安全管理等，适用于构建大规模物联网网络。LoRaWAN通过星型拓扑结构部署，节点通过网关与互联网通信，并且支持自动数据速率调整(ADR)技术以降低数据冲突。
3. 应用场景不同：
- LoRa 适用于需要长距离通信和低功耗的物联网设备，如传感器和定位器等，通常工作在独立的电池上。它适合大规模设备部署且不需要同时通信的情况。
- LoRaWAN 则广泛应用于智能城市、工业监控、农业物联网等需要广域覆盖的场景。它特别适合需要远程监测和控制的应用场景，例如智能家居、智能农业等。
LoRa是一种物理层调制技术，主要用于实现远距离低功耗通信;而LoRaWAN则是在LoRa基础上发展起来的网络协议，用于构建复杂的物联网网络，提供从终端到云端的完整通信解决方案。
二、 LoRa和LoRaWAN在数据传输速率和覆盖范围有差异么?
LoRa和LoRaWAN在数据传输速率和覆盖范围上有显著差异，主要源于它们的不同设计目标和应用方式。
1. 数据传输速率
(1). LoRa：
传输速率相对较低，通常在 0.3 kbps 到 27 kbps 之间。
LoRa速率可以通过调整扩频因子(SF，Spreading Factor)来调节。扩频因子越高，传输速率越低，但信号抗干扰性和传输距离越远。
(2). LoRaWAN：
LoRaWAN的传输速率取决于LoRa物理层调制技术，同时协议层通过分配不同的扩频因子来平衡各节点的传输速率。
在实际应用中，速率通常为 几百bps到几kbps。对于需要更高速率的场景，LoRaWAN可能并不适用。
2. 覆盖范围
(1). LoRa：
LoRa的物理层调制技术，使得它在空旷的环境中可以达到 10到15公里的传输距离。
在城市等复杂环境中，覆盖范围会受到建筑物和其他障碍物的影响，通常在 2到5公里。
传输距离也与扩频因子和传输功率密切相关：扩频因子越高、功率越大，覆盖范围越广。
(2). LoRaWAN：
LoRaWAN作为网络协议，并不直接定义覆盖范围，但它通过协调多个LoRa网关来实现大面积覆盖。
在实际应用中，LoRaWAN网络的覆盖范围可以通过布置多个网关来扩展，理论上可以实现广域的物联网覆盖。
例如，在智慧城市应用中，可以通过分布多个网关覆盖整个城市，增强物联网设备的覆盖范围。
3. 总结
数据传输速率：LoRa的数据速率有限，但LoRaWAN协议利用LoRa的扩频因子调节速率，在牺牲传输速率的情况下，实现更好的抗干扰性和远距离传输。
覆盖范围：LoRa单节点在空旷环境下覆盖范围较远，LoRaWAN通过多网关架构扩展覆盖，适合需要广域覆盖的场景。
在设计物联网系统时，LoRa和LoRaWAN的传输速率和覆盖范围应根据具体应用需求进行优化，以确保网络效率和覆盖效果。
三、 LoRaWAN的安全机制如何确保数据传输的安全性?
LoRaWAN的安全机制主要依赖于以下技术，以确保数据传输的安全性：
- 加入程序：LoRaWAN网络的安全性首先通过加入程序来实现。在设备加入网络之前，必须进行双向身份验证，确保只有授权的设备才能连接到网络。这一过程使用了AppKey作为共享密钥，通过加入服务器和终端设备之间的交互完成。
- 消息认证和完整性保护：所有LoRaWAN MAC和应用消息都经过源认证、完整性保护和端到端加密处理。这意味着数据在传输过程中不仅被加密，还被验证其完整性，防止数据被篡改或重放。
- 加密算法：LoRaWAN安全设计采用了经过测试和标准化的AES(高级加密标准)加密算法。这些算法已被加密社区多年分析，并获得NIST批准，广泛应用于受限节点和网络中。具体来说，LoRaWAN使用AES加密原语结合CMAC(基于密码的消息认证码)进行完整性保护，以及CTR(计数器模式加密)进行加密。
- 端到端加密：LoRaWAN实现了从终端设备到应用程序服务器以及反之的端到端加密。这意味着所有通过LoRaWAN网络传输的数据都进行了加密，以防止未经授权的人员读取或修改数据。
- 帧计数器和消息完整性代码（MIC） ：每个有效负载通过AES-CTR加密，并使用128位应用会话密钥(AppSKey)。此外，每个帧携带帧计数器以防止数据包重放，以及32位消息完整性代码(MIC)，以防止数据包篡改。MIC使用AES-CMAC计算，使用128位网络会话密钥(NwkSKey)。
- 设备个性化和密钥管理：设备在生产过程中通过硬件安全模块(HSM)生成根密钥，并配备安全元素以实现与SIM卡相当的安全级别。这些密钥用于设备激活过程中的身份验证和数据加密。
- 非对称加密推荐实践：最新的LoRaWAN链路层规范版本1.1.1引入了非对称加密的推荐实践，进一步提高了安全性。使用两个根密钥将网络与应用程序分开，并衍生出更多的会话密钥以实现每个安全用途一个密钥。
LoRaWAN通过上述多种安全机制，确保了数据传输的安全性，包括身份验证、加密、完整性保护和端到端加密等措施。
四、 LoRa和LoRaWAN的成本效益对比?
在实际应用中，LoRa和LoRaWAN的成本效益具有显著差异，主要取决于应用场景和部署规模。
LoRa(Long Range)是一种长距离、低功耗的无线通信技术，适用于需要覆盖大面积的场景，如偏远和农村地区。LoRa设备的成本相对较低。LoRa技术的优势在于其长距离通信能力和低功耗特性，使其特别适合于需要广泛覆盖的物联网(IoT)应用。
LoRaWAN是基于LoRa技术构建的低功耗广域网(LPWAN)，它提供了更高效的网络管理和数据传输能力。LoRaWAN在设备寿命、数据自适应率、网络容量和成本方面表现优异。在低设备密度的场景下，LoRaWAN尤其具有成本效益，因为其设备价格较低且能够支持更多的设备连接到同一个网关。此外，LoRaWAN通过提高终端节点的灵敏度来增加覆盖范围，同时不会显著增加能耗。
然而，在高设备密度的城市环境中，NB-IoT和LTE-M等其他LPWAN技术可能更具成本效益。例如，在城市高设备密度区域，NB-IoT和LTE-M由于利用现有蜂窝网络基础设施，硬件和安装成本较低。而在较为空旷的乡村地区，TPUNB技术则因其低成本和高效率成为更经济的选择。
LoRa和LoRaWAN在不同场景下的成本效益各有优劣。LoRaWAN在低设备密度、需要广泛覆盖的农村和偏远地区表现出色，而NB-IoT和LTE-M则在高设备密度的城市环境中更具成本效益。
五、 LoRaWAN的自动数据速率调整(ADR)技术
LoRaWAN的自动数据速率调整(ADR)技术是一种动态管理终端节点数据速率和传输功率的方法，旨在优化网络性能，提高数据包投递率(PDR)，延长设备电池寿命，并最大化系统容量。ADR技术通过以下机制工作：
- 数据速率和传输功率管理：ADR机制允许网络服务器(NS)根据当前无线条件调整终端设备的数据速率和传输功率。当终端设备希望允许网络服务器管理其传输参数时，会在其上行通信数据包中设置上行ADR位。网络服务器使用LinkADRReq命令控制终端设备的数据速率和传输功率，终端设备通过LinkADRAns命令响应，表示接受或拒绝新设置。
- 确认系统：ADR算法包括一个确认系统，允许终端设备间歇性地验证NS是否接收到上行链路消息。如果终端设备未收到ACK消息，它将降低数据速率以尝试恢复连接。具体来说，当终端设备发送每个上行链路数据包时，ADR_ACK_CNT计数器增加1.当ADR_ACK_CNT等于ADR_ACK_LIMIT且无下行链路响应时，终端设备设置ADRACKReq位并等待网关的ACK，随后的ADR_ACK_DELAY上行链路数据包。如果没有ACK在ADR_ACK_DELAY上行链路数据包之前，终端设备将降低数据速率以尝试恢复网络连接。
- 动态调整：ADR方案通过动态调整数据速率和传输功率来延长电池寿命并最大化吞吐量。对于固定终端节点，网络服务器基于接收的上行链路数据包的历史记录管理ADR，称为“网络管理的ADR或静态ADR”。然而，对于移动终端节点，由于信道衰减，需要在终端节点端“盲地”执行ADR，称为“盲ADR”。
- 优化网络性能：ADR技术通过优化重传次数、数据速率和终端设备的传输功率来提高网络性能。如果启用了ADR，终端设备将被优化以使用最快的数据速率和最低的传输功率。此外，ADR算法还考虑了信噪比分布模式和参数估计，以优化决策。
- 延迟和收敛时间：ADR算法的延迟行为及其对大规模网络的影响也得到了研究。例如，从数据速率rx切换到更快数据速率dry所需的时间依赖于网络服务器端的算法和最近LoRaWAN网关的相对活动。通过仿真分析发现，所有设备达到稳定数据速率的时间受初始数据速率和网络中设备数量的影响。
- 改进方案：为了进一步提高ADR技术的性能，研究者提出了多种改进方案。例如，基于逻辑回归的ADR方案通过学习网络的拥塞水平并将其应用于数据速率控制，以提高数据速率控制的准确性和网络效率。此外，FLoRa框架通过动态管理链接参数，在保持低能耗的同时显著提高了数据速率。
LoRaWAN的ADR技术通过动态调整数据速率和传输功率，优化了网络性能，提高了数据包投递率，并延长了设备电池寿命。然而，ADR必须谨慎使用，因为SF的变化会影响碰撞概率，直接影响吞吐量。
六、 智能城市、工业监控等场景LoRaWAN与其他LPWAN技术的对比?
LoRaWAN与其他LPWAN技术(如NB-IoT)在智能城市和工业监控等应用场景中各有其优势和劣势。
1. LoRaWAN的优势：
- 覆盖范围广：LoRaWAN能够提供更远的覆盖范围，通常可达5公里，这使其非常适合需要在较大区域内部署传感器的智能城市应用。相比之下，NB-IoT虽然在信号较弱区域表现良好，但在覆盖范围上不如LoRaWAN。
- 低功耗和长电池寿命：LoRaWAN设计用于低功耗设备，支持长期电池供电，这对于需要长期运行且维护成本较低的物联网设备非常重要。
- 部署简易性和成本效益：LoRaWAN使用非授权频段，无需支付许可费用，降低了部署成本。此外，LoRaWAN支持本地私有网关设备，可以增强信号强度并扩展覆盖范围，这使得其部署更为灵活和经济。
- 开放架构和生态系统：LoRaWAN拥有庞大的开发者社区和开放的架构，提供了更多的设备和供应商选择，从而为全国项目提供冗余和供应安全保障。
- 适应性强：LoRaWAN支持自定义网关的部署，可以在不同的商业或国防用例中独立运行，这增加了其灵活性。
2. LoRaWAN的劣势：
- 数据速率和延迟：LoRaWAN的数据速率较低，且存在较高的延迟，这可能不适合需要实时数据的应用场景。例如，在需要快速响应的工业自动化中，LoRaWAN可能无法满足需求。
- 参数调整和网络管理复杂性：对于城市规模的部署，LoRaWAN需要仔细调整参数以达到满意性能。此外，多网关使用和频率通道选择也可能带来管理上的挑战。
- 移动性影响：LoRaWAN的性能受移动性影响较大，即使在非常低速的场景下也可能出现性能下降的问题。
3. NB-IoT的优势：
- 高数据速率和低延迟：NB-IoT支持高数据速率和低延迟，适用于需要实时数据传输的应用场景，如工业自动化和智慧城市中的实时监控。
- 信号穿透能力强：NB-IoT在信号较弱区域和地下位置表现出色，适合在城市密集区域或需要深入地下部署的场景中使用。
- 高QoS和可靠性：NB-IoT在服务质量(QoS)方面表现优异，能够提供更可靠的连接，这对于需要高可靠性的应用非常重要。
4. NB-IoT的劣势：
- 许可和运营成本高：NB-IoT依赖于授权频谱，需要支付许可费用，这增加了总拥有成本(TCO)。
- 部署难度大：NB-IoT的部署比LoRaWAN更困难，尤其是在需要大量地面天线位置的情况下。
LoRaWAN和NB-IoT各有其独特的优势和劣势。LoRaWAN更适合需要远距离通信、低功耗和低成本的智能城市和工业监控应用，而NB-IoT则更适合需要高数据速率、低延迟和高可靠性的实时数据应用。
| 项目 | LoRa | LoRaWAN |
|---|---|---|
| 层级 | 物理层（调制技术） | 网络层（协议标准） |
| 功能 | 实现数据的无线传输 | 定义设备间通信规则和网络管理 |
| 范围 | 仅定义调制方式 | 包含网络拓扑、数据管理、安全性等 |
| 应用 | 适合基本的远距离数据传输 | 适合复杂的物联网网络，需要数据管理与传输控制 |
