LoRa 通信技术特点介绍
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。
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。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LPWAN事实标准。
LoRa 技术有如下优点
1、远距离
LoRa的字面意思是远距离(Long Rang),那么到底 LoRa能传多远?现在已经有很多家卫星公司把LoRa发射到了近地卫星上，一般近地卫星离地面600~1600km。2019年1月底的TTN(The Things Network)大会上,lacuna Space的CTO Thomas Telkamp带来了卫星物联网的分享和现场演示Using gateways on satellites to conneer your existing LoRaWAN devices anywhere in the world(使用卫星基连接全球任意位置的LoRaWAN设备)。TTN与Lacuna在大会期间从Space Norway、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Setech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。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,最终数据进人互联网和服务器中。
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。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.dBm,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。
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，这是现有传统通信传技术都不具备的。
如图所示,LoRa可以在噪声之下20dB 正常解调信号，而FSK理论上需要上需要在噪声8dB才能保证解调。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。所以在一些信道于扰比较严重的区域，客户都会选择LoRa技术作为稳定通信的核心技术。
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。如果面对突发长度小于二分之一LoRa 的符号长度或于扰占空比<50%的强干抗涨,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 调制在相千解调的时候可以把在噪声之下有用的 LoRa 信号聚集在一起,而噪声在相千解调后还是噪声。
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年其至 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1pA;接收电流不到 5mA;发射功率为17dBm时电流只有45mA。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,由于通信时长的加长。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(Wake on Radio，WOR)方式,芯片周期性地进人接收(RX)模式以侦听有没有唤醒信号（比如前导）其他时间处于休眠模式。LoRaWAN的Class B采用此种方式实观低功耗和实时性兼得。
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“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:
① 节点的发包频次；
② 数据包的长度；
③ 信号质量及节点的速率；
④ 可用信道数量基站/网关的密度；
⑤ 信令开销；
⑥ 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Adaptive Data Rate,ADR),如图所示,ADR 可以根据点与网关的距离和信号情况调整其通信速度及发射功率等参数、还可以调整节点的跳频频率实现更大的接人量和减少碰撞。当遇到极限精况可以直接扩展更多信道或采用多网关覆盖解决。
LoRawAN协议的大容量是部署广域网的构必要条件.广域网为为去碎片化提供了有为支力支撑。网络容量的计算和覆盖的优化非常重要。
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 网络在按需部署的项目中，具有以下特点：
① 按需部署：根据应用需要,规划和部署网络: 根据现场坏统,针对终端位置合理部署基站
② 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。
③ 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。
④ 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：
① 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，,与 Wi-Fi 部署场景基本一致。
② 方案价值高：大多数物联网应用都是区城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。
③ 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。
④ 广域网和私网共同发展趋势，解决碎片化；省去基础设施的投资；解决了运营商运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合适无法打开市场的。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整体部署的要求。总结LoRa 的成本特点:
① 硬件简单：模块不需要TCXO、SAW 滤波器和外置(高线性度)PA；LoRaWAN轻量级协议,实现简单,对资源要求低。
② 许可认证：没有专利和人网许可等成本。
③ 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。
④ 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
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使用。
图所示为实际测试案例。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13.3微秒的时延。
处在A处的网关,收到的 LoRa 信号如图所示,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%。
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。
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 下频偏为士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 50X10-6,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。
③ LoRa的定位和测距
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。
参考文献：《LoRa物联网通信技术》甘泉
审核编辑 黄宇
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