隨著當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在傳輸層需要用到的通信技術(shù)也是越來(lái)越多，因?yàn)?/span>一項(xiàng)技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的所有應(yīng)用。比如：WiFi和BLE應(yīng)用于個(gè)人設(shè)備通信。蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常適合于需要高數(shù)據(jù)吞吐量和有電源的應(yīng)用。而LPWAN具有較低功耗，很好的應(yīng)用于傳感器設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足不同的環(huán)境每小時(shí)幾次長(zhǎng)距離發(fā)送少量數(shù)據(jù)的需求。根據(jù)這些應(yīng)用，我們將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主要分為以下幾類(lèi)：

今天我們就來(lái)一起看看LoRa技術(shù)：

一、LoRa 定義

LoRa全稱(chēng)（Long Range Radio）最開(kāi)始是由Semtech公司定義的一種物理層調(diào)制方式，是基于非授權(quán)頻譜的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)（LPWAN）。Semtech控制著LoRa最主要的的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在最初階段，芯片幾乎是壟斷供應(yīng)，并成立了LoRa聯(lián)盟。隨著后來(lái)的發(fā)展，很多國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家也獲得了Semtech的LoRa IP授權(quán)或者晶圓授權(quán)，比如翱捷科技，華普微電子，升哲科技等等。隨著他們進(jìn)入LoRa芯片市場(chǎng)，推動(dòng)了中國(guó)LoRa芯片市場(chǎng)的多元化發(fā)展。同時(shí)也推動(dòng)了應(yīng)用的普及與發(fā)展。

二、LoRA技術(shù)

基本原理LoRa是一種基于 chirp spread spectrum (CSS) 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信方案，其工作原理是通過(guò)線(xiàn)性頻率調(diào)制（LFM）產(chǎn)生“啁啾”信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的載波頻率隨著時(shí)間線(xiàn)性變化。這種調(diào)制方式允許信號(hào)在強(qiáng)干擾環(huán)境下保持良好的穿透力與抗多徑衰落能力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

• 擴(kuò)頻調(diào)制：LoRa采用CSS技術(shù)，通過(guò)在頻域中循環(huán)平移chirp信號(hào)來(lái)編碼數(shù)據(jù)。這種調(diào)制方式允許信號(hào)在多個(gè)頻率上進(jìn)行傳輸，從而提高了抗干擾能力和通信距離。
• 前向糾錯(cuò)編碼：為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，LoRa使用前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)，確保即使在噪聲干擾較大的環(huán)境中也能正確解碼數(shù)據(jù)。
• 低功耗設(shè)計(jì)：LoRa技術(shù)特別注重低功耗，使得設(shè)備可以在電池供電的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。這使得LoRa非常適合需要長(zhǎng)期部署的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
• 自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ） ：如果接收到的數(shù)據(jù)包有誤，LoRa支持自動(dòng)重傳請(qǐng)求，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

三、LoRa 的關(guān)鍵參數(shù)-擴(kuò)頻因子

LoRa采用多個(gè)信息碼片來(lái)代表有效負(fù)載信息的每個(gè)位，擴(kuò)頻信息的發(fā)送速度稱(chēng)為符號(hào)速率（Rs），而碼片速率與標(biāo)稱(chēng)的Rs比值即為擴(kuò)頻因子（SF，SpreadingFactor），表示了每個(gè)信息位發(fā)送的符號(hào)數(shù)量。擴(kuò)頻因子的取值范圍通常為SF6到SF12，不同的SF值之間為正交關(guān)系，這意味著在接收端，只有當(dāng)接收機(jī)的擴(kuò)頻因子與發(fā)送機(jī)的擴(kuò)頻因子匹配時(shí)，信號(hào)才能被正確解調(diào)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保鏈路發(fā)送端和接收端的SF值一致。 此外，擴(kuò)頻因子還影響著LoRa信號(hào)的覆蓋范圍。在負(fù)信噪比條件下，擴(kuò)頻因子較大的信號(hào)仍能正常接收，這有助于改善LoRa接收機(jī)的靈敏度、鏈路預(yù)算和覆蓋范圍。如下圖所示：

四、LoRa 的關(guān)鍵參數(shù)-編碼率（CR）

編碼率表示數(shù)據(jù)流中有用部分的比例。LoRa支持的CR包括：CR1 (4/5), CR2 (4/6), CR3 (4/7) and CR4 (4/8)。在LoRa通信中，編碼率通過(guò)循環(huán)糾錯(cuò)編碼實(shí)現(xiàn)前向錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)。編碼率通常以k/n的形式表示，其中k為有用信息的位數(shù)，n為編碼器產(chǎn)生的總位數(shù)。n-k即為傳輸開(kāi)銷(xiāo)，用于攜帶冗余信息以糾正傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤。

選擇合適的編碼率可以在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，盡可能地減少傳輸開(kāi)銷(xiāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)信道條件、誤碼率等因素來(lái)選擇合適的編碼率。不同編碼率產(chǎn)生的數(shù)據(jù)開(kāi)銷(xiāo)如下：

五、LoRa 的關(guān)鍵參數(shù)-信號(hào)帶寬（BW）

信號(hào)帶寬決定了LoRa信號(hào)的頻率范圍。LoRa 支持的帶寬包括：7.8kHz, 10.4kHz, 15.6kHz, 20.8kHz, 31.2kHz, 41.7kHz, 62.5kHz, 125kHz, 250kHz, 500kHz。增加信號(hào)帶寬可以提高有效數(shù)據(jù)速率，從而縮短傳輸時(shí)間。然而，增加帶寬也會(huì)犧牲部分接收靈敏度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和場(chǎng)景來(lái)選擇合適的帶寬。

帶寬與傳輸時(shí)間，靈敏度的關(guān)系如下圖所示：

六、LoRaWAN

LoRaWAN 開(kāi)放規(guī)范是由非營(yíng)利性技術(shù)聯(lián)盟 LoRa Alliance® 管理的低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 標(biāo)準(zhǔn)。LoRaWA為網(wǎng)絡(luò)定義了通信協(xié)議和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，而LoRa物理層則支持遠(yuǎn)程通信鏈路。協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池壽命、網(wǎng)絡(luò)容量、服務(wù)質(zhì)量、安全性和網(wǎng)絡(luò)所服務(wù)的各種應(yīng)用程序方面的影響最大。

LoRaWAN 有三種終端類(lèi)型，分類(lèi)如下：

七、LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRa網(wǎng)絡(luò)通常由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集和傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)則作為節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和管理。整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示：

• 節(jié)點(diǎn)：也可以叫做終端，它們是網(wǎng)絡(luò)中的基本單元，負(fù)責(zé)收集和傳輸數(shù)據(jù)，比如各種LoRa傳感器.
• 網(wǎng)關(guān)：連接節(jié)點(diǎn)到公共網(wǎng)絡(luò)的橋梁，通過(guò)WiFi、3G/4G，以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)與外部通信。
• 服務(wù)器：接收從網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

八、LoRaWAN射頻與頻譜不同國(guó)家和地區(qū)對(duì)loRa的頻譜和信道，功率有不同要求，如下為部分地區(qū)的參數(shù)：

LoRa 應(yīng)用非常廣泛，工業(yè)控制，環(huán)境檢測(cè)，智慧城市等等各種控制傳感器應(yīng)用，之前很多關(guān)于LoRa 與NB-IOT技術(shù)的對(duì)比，其實(shí)兩者各有優(yōu)勢(shì)，但是NB-IOT受限于運(yùn)營(yíng)商的基站建設(shè)情況。同時(shí)在同一個(gè)區(qū)域，也存在并發(fā)問(wèn)題，實(shí)時(shí)性較高的場(chǎng)景不太適合，而LoRa工作在非授權(quán)頻段，企業(yè)可以獨(dú)立組網(wǎng)，可以在企業(yè)級(jí)LPWAN領(lǐng)域有較大發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：《LoRaWAN官方白書(shū)皮》