一文读懂 LoRaWAN 协议，什么优势让它脱颖而出？

在当代物联网组网场景中，随着传感器网络规模的不断扩大与入网设备数量的持续增长，信道拥挤、信道干扰与信号失真等现象已愈发凸显，且同一场景下往往还存在着多种通信速率需求，传统通信技术已越来越难以支撑规模化的物联网组网需求，因此在综合考虑建设成本、运行功耗、传输距离与网络容量等因素下，LPWAN（低功耗广域网）技术应运而生。

LoRaWAN的通信协议栈

其中，LoRaWAN作为LPWAN 技术的典型代表，在物理层中采用了线性调频扩频调制技术 CSS（Chirp Spread Spectrum），用以进行可靠的低功耗无线通信，在众多物联网场景中展现出了巨大的应用潜力，是应对当前物联网规模化组网通信困境的有效解决方案之一。

LoRaWAN 协议，物联网无线通信的“潜力股”

关于LoRaWAN所采用的 CSS 技术，其原理为将数据信号在频域上进行扩展，可简单理解为将一个数据信号分为多个部分（信号扩展），而后将其分布在不同频率中进行传输。

CSS 技术不仅能有效提升信号的抗干扰能力，且即使在传输过程中有部分信号受到干扰，接收端也能通过其他部分的信号还原出完整的数据信号，具备在低信噪比环境中实现稳定通信的能力。

扩频因子简示图

LoRaWAN所传输的数据信号主要携带在不同的 chirp（线性调频）信号中，chirp信号指频率线性增加/降低的无线信号，而不同扩频因子（SF6~SF12）可表示不同chirp信号中可进行数据传输的比特量。

如上图所示，在带宽、频率、发射功率、编码率和传输数据量相同条件下，扩频因子越大，则其数据进行传输的时间越长，因此数据传输率越低，但扩频因子越大同时也意味着数据传输更可靠，数据传输距离更远，数据传输所需的信噪比更低。在相同带宽下，扩频因子SF6的数据率最高，扩频因子SF12 的数据率最低。

LoRaWAN还可调制信道带宽，通常而言，增大带宽可增加数据传输速率，但会牺牲部分接收灵敏度。目前LoRaWAN最低可支持调至7.8kHz，低于62.5kHz必须要使用TCXO以确保精度，在中国大陆，LoRaWAN常用的信道带宽为125KHz、250KHz和500KHz。

扩频因子12所对应的其他通信参数

值得一提的是，由于LoRa信号可在不同扩频因子中进行传输（SF6~SF12），且不同扩频因子还可以使用相同的信道(不同的扩频序列之间是正交的，因此频率可以复用)，因此LoRaWAN协议可灵活适应不同速率与不同传输距离的物联网组网需求。

从成本角度上看，由于 LoRa 技术的广泛应用，LoRaWAN 终端设备和LoRaWAN网关的价格已较为亲民。

同时，由于 LoRa 技术使用的是免费的非授权频段（ISM频段：433MHz、868MHz、915MHz 与2.4GHz），且其只需少量的网关就可实现较大范围的部署规模，网络建设成本较低。

而在维护方面，由于LoRa模块具有深度休眠和唤醒功能，可在不通信时进入休眠模式，因此其电池更换频率低，维护成本也相对较低。

LoRaWAN 协议，精准赋能物联网

凭借着远距离通信、低功耗、低成本与强抗干扰能力等显著优势，LoRa 技术已被广泛应用在工业自动化、智慧城市、智慧农业与智慧物流等多个领域中，为各行业的数字化与智能化发展提供了有力支持。

LoRaWAN 协议应用在工业领域中的优势 图源：LoRa联盟官网

LoRaWAN的网络架构采用星型拓扑结构，其中网关在终端设备与中央网络服务器之间进行消息中继。网关通过标准IP连接进行通信，其核心功能是将射频数据包与IP数据包进行双向转换。

凭借LoRa物理层的远距离传输特性，终端设备与网关之间仅需单跳链路即可实现通信。该系统支持双向数据传输，并具备组播寻址功能，这使得在固件无线升级（FOTA）等操作中能够实现高效的频谱利用率。

LoRaWAN 网络架构简示图 图源：LoRa联盟官网

此外，LoRaWAN协议中还定义了LoRaWAN终端设备的三种工作模式，它们分别是Class A、Class B与Class C，这三种工作模式基本覆盖了物联网所有的应用场景。

其中，Class A模式为双向异步通信，上行传输后开启2个短暂下行窗口接收响应，功耗最低。

Class B模式主要通过Beacon同步时间，额外开放预定义接收窗口，平衡通信延迟与功耗。Class C模式则持续监听下行链路，延迟最低但功耗最高，适用于紧急控制场景。

LoRaWAN 终端设备的三种工作模式

例如，RFM6601就是一款用于构建LoRa网络的低功耗LoRa模块，其采用了先进的数模混合设计，基于独创自适应速率算法，可高效连接物联网并延长LoRaWAN设备的使用寿命，并已通过FCC认证。

RFM6601具有低功耗，高灵敏度，远距离通信，高性价比等优点，同时能够提供丰富的外设功能，包括多个通用GPIO，32.768 KHz外部晶体振荡器，信道侦听，高精度RSSI，以及12位高速ADC及DAC等。

展望未来，随着物联网技术的不断进步，LoRa 技术也将会不断完善与创新，其数据通信速率、网络容量等性能指标有望得到进一步提升，以满足不断增长的物联网应用需求。我们相信，LoRa技术在未来将会继续推动工业系统的创新和发展，为用户提供更加智能、便捷、舒适的使用体验。