最大化 LoRa 长距离，您应该知道的完整秘籍

Truth will make people free.（真理必叫人们得以自由）-- 【约翰福音】 8:31—36

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网关和节点调整最大功率（分别 27dBm 和 22dBm），最大灵敏度（SF12），网关架设在空旷的高处（比如：铁塔，电杆，楼顶等），节点使用优质天线（全铜，半波，全向，适配设备）。

1 长距离，LoRa 独霸江湖的利器

自 2013 年 semtech 推出 LoRa，它就倍受物联网行业的关注。

今天，无线通信技术多不胜数，只有在某方面做到第一的技术，方能生存！

如果问一个基础的问题—LoRa 最大的优势是什么？

答案是“长距离”。

LoRa 的“接收灵敏度”在目前民用无线通信技术中排第一，以常用的 125kHz/SF12为例，它可以达到 -142.5dBm。

相比 NB-IoT（-130dBm）和 LTE（-110dBm），我们将知道 LoRa（-142.5dBm）的优势所在。

在理想条件（即：发射功率，天线增益和环境因素）下，LoRa 的通信距离是NB-IoT 的 4 倍；是 LTE 的 42 倍。

为什么在实际应用中 LoRa 并没有想象的那么远呢？因为环境是一个极大的因素，它制约着通信距离。

接下来，我们一起列出影响无线通信距离的因素，这样，才能构建“长距离”的基础认知。

2 白话“长距离”，让每个人都看懂

无线通信是一门抽象的科学，要深入地说清原理，那不是一篇文章能完成的，或许，需要 3~5 本经典教材。

随着物联网的快速发展，更多“非通信专业”的人士需要了解“长距离”之类的通信知识，有便捷的办法吗？

所幸的是，我们有优秀的思维工具--“类比”（analogy），通过把不太理解的东西和较为理解、且十分类似的东西做比较，从而对这些不太理解的东西产生更深刻的理解。这种使用类比的方法也叫做“建模”（modeling）。

这里，我们用“说话”来类比“无线通信。这样，即使“零基础”的人士也能理解影响“长距离”的因素。

说话，人类大约 10 万年前就掌握了该技能。通过声波，说者能向听者表达自己的想法。

无线通信，人类在 100 多年前掌握该技术。通过电磁波，发射器能向接收器传输数据。

这 2 者有很多相似的地方，影响它们传播距离的因素大致分为：自身因素和环境因素，如下表所示。

	无线通信	人类说话
自身因素	提高发射功率	提高嗓音
	提高接收灵敏度	提高听力
	提高发射天线增益	使用扩音器
	提高接收天线增益	戴上助听器
环境因素	空旷 vs 障碍物	操场 vs 隔墙
	发送与接收天线高度	山顶 vs 平地
	电磁干扰	阅读室 vs 酒吧
	天气影响	晴天 vs 下雨
	移动环境	座谈 vs 骑聊

3 科技原理，能提高的手段原来如此

接下来，我们基于“通信原理”来分析“长距离”的因素，重点是 LoRa 如何做到出类拔萃。尽管这会引入一点儿公式，幸运的是，只要具备“高中数学”的基础就可以理解。

特别强调，此处的公式推导都是基于理想环境：在可视距离内，无电磁干扰。

（专业术语称为：自由空间损耗，free space loss）

在理想环境中，无线通信满足如下 (1) 公式：

(1)式中 Pt ---- 发射器的发射功率。

Pr ---- 接收器的灵敏度。

Gt ---- 发射天线增益。

Gr ---- 接收天线增益。

f ---- 载波频率。

d ---- 收、发天线间距离。

c ---- 光速（3 x 108m/s）。

Lc ---- 基站发射天线的馈线插损。

L0 ---- 因环境带来的空中传播损耗。

其中，p 和 c 都是常数，因此，公式 (1) 很容易转换成如下公式 (2)：

我们的目标是 d（距离），为此，继续将公式 (2) 转换成公式 (3)：

3.1 LoRa 长距离的秘诀—提高接收灵敏度

从公式 (3) 可知，提高接收灵敏度（即，减小 Pr 的代数值）可以有效增加通信距离，LoRa 基于此原理。

LoRa扩频调制的示意图如上所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这样，提高了接收灵敏度。

以 LoRaWAN 为例（BW=125kHz，FEC=4/5），提高 SF 带来的增益如下表。

SF	Processing Gain=10log(Chip rate/Data rate)	Gain Diff	Sensitivity
7	12.62	2.34	-130.0
8	15.05	2.43	-132.5
9	17.55	2.50	-135.0
10	20.10	2.55	-137.5
11	22.70	2.60	-140.0
12	25.33	2.63	-142.5

实例：SF12 的灵敏度 -142.5dBm，相比 SF7 的灵敏度 -130.0dBm，提高了 12.5dB，通信距离将延长到原来的 4.2 倍。

3.2 提高发射功率

从公式 (3) 可知，提高发射功率（即，增大 Pt 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 网关的发射功率从 20dBm 提高到 26dBm，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

同样，将 LoRaWAN 模块的发射功率从 14dBm 提高到 20dBm，增加 6dB，通信距离也将延长到原来的 2 倍。

3.3提高发射天线增益

从公式 (3) 可知，提高发射天线增益（即，增大 Gt 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 网关的发射天线增益从 3dBi 提高到 9dBi，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

当然，9dBi 的全向天线需要考虑：成本，尺寸，政策法规等因素。

3.4提高接收天线增益

从公式 (3) 可知，提高接收天线增益（即，增大 Gr 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 模块的接收天线增益从 1.5dBi 提高到 7.5dBi，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

当然，7.5dBi 的全向天线需要考虑：成本，尺寸，政策法规等因素。

3.5降低基站馈线插损

从公式 (3) 可知，降低基站馈线插损（即，减小 Lc 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

射频印制板和馈线均严格按照 50 欧姆进行阻抗匹配（减少信号反射造成的损耗），选用优质射频连接头，接口进行防水处理，尽可能缩短馈线的长度，选用损耗更低的馈线材料。这些措施都可以有效降低 LoRaWAN 网关的馈线插损。

3.6 降低空中传播损耗

从公式 (3) 可知，降低空中传播损耗（即，减小 L0 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

抢占“制高点”是有效的措施，即，将 LoRaWAN 网关尽可能架设在楼顶或铁塔上，天线要与地面垂直，周围无遮挡为最佳。

保证视距通信是有效措施，即，调整 LoRaWAN 模块天线位置，尽可以减少它与网关之间的障碍物。

3.7 降低载波频率

从公式 (3) 可知，降低载波频率（即，减小 f 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

欧洲 LoRaWAN 中心频点为 868MHz，中国 LoRaWAN 中心频点为 490MHz，根据公式(3)计算可得，中国490的通信距离是欧洲868的 177%

当然，只有拥有国家划分频段的组织可以使用该办法。

4 环境因素，不可控的制约者

同样是 LoRa 通信，在欧美达到 10-15km，而在中国仅 1-3km。

看完上图就明白原因了：欧美居民区，房屋低矮稀疏，传播损耗小；中国居民区，高层建筑多而密集，传播损耗大。二者的差异达到 20dB，这在通信距离上将相差 10 倍。

那么，我们该如何实际部署 LoRaWAN 呢？

因为环境对通信距离影响太大，可靠的办法是“拉距测试”，在信号盲区增加网关。

请参考：《免手持仪，零成本拉距测试 LoRa 信号质量》

https://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/84234196

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