1、什么是 LoRa技术？

LoRa全称是Long Range，既远距离的意思，由semtech公司研发并推广的一种低功耗局域网无线标准。目前，LoRa 主要在ISM频段运行，主要包括433、868、915 MHz等。

特点：

1、在相同的功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一；

2、在同样的功耗下比传统的无线通信射频通信距离扩大3-5倍。
优势：
1、通讯距离远，+22dBm功率放大器和超过-148dBm的高灵敏度使得LoRa可以在复杂的环境中通信；
2、抗通信干扰小，150–960MHz的频率范围加上5到12的扩频因子可以相互组合成互不干扰的多信道通信；
3、低功耗，小于120mA的发射电流和小于10mA的接收电流可以保证同样电池下待机更久。
劣势：
1、在高扩频因子下发射速率慢，例如扩频因子11带宽250k发射100字节大约需要1秒；
3、在高扩频因子下由于发射速率慢，所以发射时间长，耗能更多、占用信道时间长，增加冲突的可能性。

2、LoRa帧结构

LoRa帧分为两种，分别为固定长度和可变长度。区别在于固定长度的帧则不存在Header域。

3、LoRa常用公式

符号速率(发送信号为恒包络信号，每赫兹每秒发送一个码片)

Rs = BW / (2^SF) Rs：符号速率； BW：带宽；SF：扩频因子

传输时间

ToA = ( (2^SF) / BW ) * Nsymbol SF：扩频因子；BW：带宽；ToA：空中传输时间，单位为毫秒；Nsymbol：符号数

不同的调制参数，符号数计算的方式也不同。

4、LoRa几个重要技术参数

扩频因子

LoRa扩采用多个信息码片来代表有效负载信息的每个位。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号数量。负信噪比条件下信号也能正常接收，提高了的灵敏度、链路预算及覆盖范围。但是不同扩频因子之间为正交关系，因此发送端和接收端的扩频因子必须一致。

由上表可以看出当扩频因子为12时在-20dB还能收到数据包，说明扩频因子越大灵敏度越高，发送速度越慢。

编码率

LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错，但会产生传输开销。每次传输产生的数据开销如下：

由信号频谱图可以观察到一个信号所包含的频率成分。把一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。信号的频率变化范围越大，信号的带宽就越宽。

信号带宽

带宽就是单位时间内的最大数据流量,也可以说是单位时间内最大可能提供多少个二进制位传输。而1M带宽指的是1Mbps=1 megabits per second

增加信号带宽，可以提高有效数据速率缩短传输时间，但会牺牲灵敏度。当然，多数国家对允许占用带宽都设有一定的约束。FSK调制解调器描述的带宽是指单边带带宽，而LoRaTM调制解调器中描述的带宽则是指双边带带宽（或全信道带宽）。

LoRa调制解调器工作在中心频率的一个可编程的带宽中。

LoRa 带宽支持以下设置：

上表可以看出增加信号带宽，发送标称比特率越大，说明增加信号带宽可以有效提高数据速率以缩短传输时间，但会有弊端将会降低接收灵敏度，缩短传输距离。

LoRaTM调制解调器在下表中列出了在多数规范约束的带宽范围。

LoRaTM调制解调器采用扩频调制和前向纠错技术。与传统的FSK或OOK调制技术相比，这种技术不仅扩大了无线通讯链路的覆盖范围，而且还提高了链路的健壮性。设计师可以通过调整扩频因子和纠错率这两种设计变量，从而在带宽占用、数据速率、链路预算改善以及抗干扰性之间达到更好的平衡。

前导码：

前导码用于保持接收机与输入的数据流同步。默认情况下，数据包含有12个符号长度的前导码。前导长度是一个可以通过编程来设置的变量，所以前导码的长度可以扩展。可以将前导码寄存器长度设置在6到65536之间来改变发送前导码长度，实际发送前导码的长度范围为6+4至65535+4个符号。接收机会定期执行前导码检测。接收机的前导码长度应与发射机一致。如果前导码长度为未知或可能会发生变化，应将接收机的前导码长度设置为最大值。

可选报头：

根据所选择的操作模式，可以选用两种报头。在RegModemConfig1寄存器上，通过设定ImplicitHeaderModeOn位选择报头类型。

显式报头模式：

显式报头模式是默认的操作模式。在这种模式下，报头包含有效负载的相关信息，包括：

以字节数表示的有效负载长度；

前向纠错码率：

是否打开可选的16位负载CRC。

报头按照最大纠错码（4/8）发送。另外，报头还包含自己的CRC，使接收机可以丢弃无效的报头。

隐式报头模式：

在特定情况下，如果有效负载长度、编码率及CRC为固定或已知，则比较有效的做法是通过调用隐式报头模式来缩短发送时间。这种情况下，需要手动设置无线链路两端的有效负载长度、错误编码率及CRC。

注意：如果将扩频因子SF设定为6，则只能使用隐式报头模式。

5、LoRa几个技术用语

发射功率：

要提高通信距离常用的办法是提高发射功率，同时也带来更多的能耗。所以说发射功率和功耗之间是成正比关系。

发射频率radio frequency（RF）：

发射频率描述，不同频率下传输不能相互接收，可以称为不同信道。但是对于扩频技术来说增加了很多的可变参数，这些参数改变传输数据信道的不同

Lora的频率范围为137~525MHz。一般使用 433MHz和470MHz

调制带宽Band Width（BW）：

带宽就是单位时间内的最大数据流量,也可以说是单位时间内最大可能提供多少个二进制位传输。而1M带宽指的是1Mbps=1 megabits per second

举个例子，就是把很长的数字信号，比如1或者0，用扩频码1101把它扩频，就变成1101或0010，这样带宽就变大了。

扩频因子

LoRaTM扩频调制技术采用多个信息码片来代表有效负载信息的每个位。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号数量。 LoRaTM调制解调器中扩频因子的取值范围见下表。注意：因为不同扩频因子（SpreadingFactor）之间为正交关系，因此必须提前获知链路发送端和接收端的扩频因子。另外，还必须获知接收机输入端的信噪比。在负信噪比条件下信号也能正常接收，这改善了LoRa接收机的灵敏度、链路预算及覆盖范围。

编码率code rate（CR）：

前向纠错技术

信道编码之所以能够检出和校正接收比特流中的差错，是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特。

编码率

为进一步提高链路的鲁棒性， LoRaTM调制解调器采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错。使用这样的纠错编码之后，会产生传输开销。每次传输产生的数据开销见下表。

在存在干扰的情况下，前向纠错能有效提高链路的可靠性。由此，编码率（及抗干扰性能）可以随着信道条件的变化而变化——可以选择在报头中加入编码率以便接收端能够解析。

6、LoRa的应用

LoRa组网：

LoRaWAN采用星型无线拓扑：End Nodes（节点）、Gateway（网关）、Network Server（网络服务器）、Application Server（应用服务器）

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信。

LoRa 一般为星型网络连接，为了增加网络容量和改善通信质量，一般会把一个网关下属的节点分配为多个频率或多个扩频因子，sx126x 和 sx127x 同一时间只能监测一个信道，有网关专用芯片 sx1301，可以同时监控 8 个频率下的 6 个扩频因子，相当于同时监控 48 个信道，但是价格昂贵。

LoRa终端设备：

LoRa的终端节点可能是各种设备，比如水表气表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。这些节点通过LoRa无线通信首先与LoRa网关连接，再通过3G网络或者以太网络，连接到网络服务器中。网关与网络服务器之间通过TCP/IP协议通信。

LoRa网络将终端设备划分成A/B/C三类：

Class A：双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信，每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输时隙是基于其自身通信需求，其微调基于ALOHA协议。

Class A设备的功耗最低，基站下行通信只能在终端上行通信之后。

Class B：具有预设接收时隙的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。

Class B终端可以使基站知道终端正在接收数据。

Class C：具有最大接收窗口的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口，只在传输时关闭。

Class C设备拥有最长的接收窗口，也最耗电

LoRa应用场景：

远距离大数量：

密集建筑环境要覆盖多栋，或空旷环境下千米级的情况属于远距离，一个网关下属节点超过200属于大数量，如能耗集抄，智慧农业，调光路灯。这种条件下应尽量采用轮询的方式，码分多址和频分多址的方式来避免相互干扰，这是对信道利用率最高的方式，但实时性不高。

近距离大数量：

可视见或在普通建筑内同一层属于近距离，Semtech 针对室内应用场景也在 sx126x 中新增了扩频因子5和6，具有较高的通信速率，通信速率较高的话，监听避让和 RTS-CTS 机制也较为有效，数量大的情况结合合理的组网策略也可以满足应用要求。

远距离小数量：

一般有些工业场景如油田，电站会有这种场景，数据量不大，但是很分散，这种场景一般不考虑产品美观小巧，选用高增益天线，调整馈线阻抗匹配，高扩频因子低编码率来适应场景。

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