LoRa_簡介

1. LoRa 基礎知識

1.1 什麼是 LoRa

​ LoRa 全稱是 Long Range，既遠距離的意思，由 semtech 公司研發並推廣的一種低功耗局域網無線標準，特點是在相同的功耗下比其它無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，在同樣的功耗下比傳統的無線通信射頻通信距離擴大 3-5 倍。

1.2 LoRa 與其它無線技術對比

	LoRa	NB-IOT	Zigbee	WIFI	BLE
組網方式	基於 LoRa 網關	基於蜂窩網	基於 Zigbee 網關	基於無線路由器	基於 Mesh 網關
部署方式	節點 + 網關	節點	節點 + 網關	節點 + 路由器	節點
傳輸距離	遠距離 城鎮：2-5KM 郊區: up to 15KM	遠距離 一般 10KM 以上	短距離 10-100M	短距離| 50M	短距離 10-100M
單網節點容量	約 6 萬，實際受網關信道數量，節點發包頻率，數據包大小約束，一般有 5000左右節點	約 20 萬	理論 6 萬，受實際網絡限制，一般 200-500個	約 50個	理論 6 萬個，一般有 2000 個左右
電池續航	理論約 10 年/AA電池	理論約 10 年/AA電池	理論約 2 年/AA電池	數小時	理論約 2 年/AA電池
成本	模塊約 5$	模塊約 5-10$	模塊約 1-2$	模塊約 7-8$	模塊約 <1$
頻段	Sub-GHz(433,490,780,915MHz …)	授權頻段，運營商頻段	ISM 2.4GHz	ISM 2.4GHz 和 5GHz (授權頻段)	ISM 2.4GHz
傳輸速度	0.3-50kbps	理論 160k-250kbps,一般小於 100kbps	理論 250kbps,一般小於 100kbps	2.4G: 1-11M 5G: 1-500M	1M-2M
網絡延時	依賴於頻率，擴頻因子，編碼率等	6-10s	<1s	<1s	<1s
適合領域	LPWAN 智慧路燈 智慧建築 智慧農業 …	LPWAN 智慧城市 智能抄表 …	智能家居 小範圍傳感器 室內覆蓋	常用於室內場景	智能家居 智慧樓宇 室內覆蓋

1.3 LoRa 的優勢和劣勢

• 優勢：
  1. 通訊距離遠，+22dBm 功率放大器和超過-148dBm 的高靈敏度使得 LoRa 可以在複雜的環境中通信。
  2. 150–960MHz 的頻率範圍加上 5到 12 的擴頻因子可以相互組合成互不干擾的多信道通信。
  3. 低功耗，小於 120mA 的發射電流和小於 10mA 的接收電流可以保證同樣電池下待機更久。
• 劣勢：
  1. 在高擴頻因子下發射速率慢，例如擴頻因子 11 帶寬 250k 發射 100 字節大約需要 1 秒。
  2. 在高擴頻因子下由於發射速率慢，所以發射時間長，耗能更多；佔用信道時間長，增加衝突的可能性。

2. LoRa 幀結構

LoRa 幀分爲兩種，分別爲固定長度和可變長度。區別在於固定長度的幀則不存在 Header 域。

3. LoRa 常用公式

• 符號速率 (發送信號爲恆包絡信號，每赫茲每秒發送一個碼片)

  Rs = BW / (2^SF) Rs：符號速率； BW：帶寬；SF：擴頻因子

• 傳輸時間

  ToA = ( (2^SF) / BW ) * Nsymbol SF：擴頻因子；BW：帶寬；ToA：空中傳輸時間，單位爲毫秒；Nsymbol：符號數

  不同的調製參數，符號數計算的方式也不同。

4. LoRa 帶寬

增加信號帶寬可以使用更高的數據速率，因此會減少傳輸時間，代價是降低了接收靈敏度。LoRa 調制解調器工作在中心頻率的一個可編程的帶寬中。

LoRa 帶寬支持以下設置：

5. LoRa 收發數據緩衝區 (雙向 FIFO)

LoRa 內部的收發緩衝區大小爲 256 字節，如果設備工作在半雙工模式下，則可以收發獨佔 256 字節；如果工作在全雙工模式，則收發共享 256 字節(一般做法是各自佔 128 字節)。

6. SPI 時序圖 (LoRa 端爲 Slave, SPI_Mode=0x00)

7. 注意事項

7.1 活動信道檢測 (CAD)

CAD 模式下接收機週期性檢測信道中的前導碼，如果發現前導碼則喚醒進入接收模式，CAD 的週期應短於前導碼發射時長，發送者前導碼發送的越短接收機越要頻繁的檢測，要想降低檢測頻率則需要發送很長的前導碼，需要根據應用場景權衡。

7.2 組網

LoRa 一般爲星型網絡連接，爲了增加網絡容量和改善通信質量，一般會吧一個網關下屬的節點分配爲多個頻率或多個擴頻因子，sx126x 和 sx127x 同一時間只能監測一個信道，有網關專用芯片 sx1301，可以同時監控 8 個頻率下的 6 個擴頻因子，相當於同時監控 48 個信道，但是價格昂貴。在智能家居場景下網關可以採用兩個 sx126x 來替代，通過將數據幀根據上下行，根據功能和重要程度區分爲多個信道，結合 RTS (request to send) -CTS (Clear to send) 機制可以避免擁塞，具體策略可以根據需求再詳細定。

8. 應用場景

遠距離大數量：
密集建築環境要覆蓋多棟，或空曠環境下千米級的情況屬於遠距離，一個網關下屬節點超過200屬於大數量，如能耗集抄，智慧農業，調光路燈。這種條件下應儘量採用輪詢的方式，碼分多址和頻分多址的方式來避免相互干擾，這是對信道利用率最高的方式，但實時性不高。

近距離大數量：
可視見或在普通建築內同一層屬於近距離，Semtech 針對室內應用場景也在 sx126x 中新增了擴頻因子5和6，具有較高的通信速率，通信速率較高的話，監聽避讓和 RTS-CTS 機制也較爲有效，數量大的情況結合合理的組網策略也可以滿足應用要求。

遠距離小數量：
一般有些工業場景如油田，電站會有這種場景，數據量不大，但是很分散，這種場景一般不考慮產品美觀小巧，選用高增益天線，調整饋線阻抗匹配，高擴頻因子低編碼率來適應場景。

9. LoRa 常用縮寫

縮寫	全稱	含義
ACR	Adjacent Channel Rejection	鄰道擬製
β	Modulation Index	調製指數
BER	Bit Error Rate	誤碼率
BR	Bit Rate	比特率
BT	Bandwidth-Time bit period product	-
BW	BandWidth	帶寬
CAD	Channel Activitiy Detection	信道活動檢測
CPOL	Clock Polarity	時鐘極性
CPHA	Clock Phase	時鐘相位
CR	Coding Rate	編碼率
CW	Continuous Wave	連續波
POR	Power On Reset	上電覆位
DIO	Digital Input / Output	數字 IO
DSB	Double Side Band	雙邊帶
FEC	Forward Error Correction	前向糾錯
FSK	Frequency Shift Keying	頻移鍵控
GFSK	Gaussian Frequency Shift Keying	高斯頻移鍵控
GMSK	Gaussian Minimum Shift Keying	高斯最小移位鍵控
IF	Intermediate Frequencies	中頻
DC-DC	Direct Current to Direct Current converter	直流-直流電壓轉換
LDO	Low-Dropout	低壓差線穩壓器
LDRO	Low Data Rate Optimization	低數據速率優化
LFSR	Linear-Feedback Shift Register	線性移位寄存器
LNA	Low-Noise Amplifier	低噪放
LO	Local Oscillator	本地震盪器
NRZ	Non-Return-to-Zero	不歸零編碼
OCP	Over Current Protection	過流保護
PA	Power Amplifier	功放
PER	Packet Error Rate	包錯誤率
RFO	Radio Frequency Output	射頻輸出
SF	Spreading Factor	擴頻因子
SNR	Signal to Noise Ratio	信噪比
TCXO	Temperature-Compensated Crystal Oscillator	溫度補償晶體振盪器
XOSC	Crystal Oscillator	晶體振盪器
RSSI	Received Signal Strength Indicator	接收信號強度指示器
ADR	Adaptive Data Rate	自適應數據速率
AFA	Adaptive Frequency Agility	-
LBT	Listen Before Talk	對講前監聽
SSL	Secure Socket Layer	安全套接字層

附錄(一)

1. LoRaWAN Specification : https://lora-alliance.org/resource-hub/lorawanr-specification-v103
2. 無委會規範 ：http://www.gov.cn/xinwen/2019-11/28/content_5456765.htm