LoRa

1. LoRa 基础知识

1.1 什么是 LoRa

​ 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，特点是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，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。

1.2 LoRa 与其它无线技术对比

	LoRa	NB-IOT	Zigbee	WIFI	BLE
组网方式	基于 LoRa 网关	基于蜂窝网	基于 Zigbee 网关	基于无线路由器	基于 Mesh 网关
部署方式	节点 + 网关	节点	节点 + 网关	节点 + 路由器	节点
传输距离	远距离 城镇：2-5KM 郊区: up to 15KM	远距离 一般 10KM 以上	短距离 10-100M	短距离| 50M	短距离 10-100M
单网节点容量	约 6 万，实际受网关信道数量，节点发包频率，数据包大小约束，一般有 5000左右节点	约 20 万	理论 6 万，受实际网络限制，一般 200-500个	约 50个	理论 6 万个，一般有 2000 个左右
电池续航	理论约 10 年/AA电池	理论约 10 年/AA电池	理论约 2 年/AA电池	数小时	理论约 2 年/AA电池
成本	模块约 5$	模块约 5-10$	模块约 1-2$	模块约 7-8$	模块约 <1$
频段	Sub-GHz(433,490,780,915MHz …)	授权频段，运营商频段	ISM 2.4GHz	ISM 2.4GHz 和 5GHz (授权频段)	ISM 2.4GHz
传输速度	0.3-50kbps	理论 160k-250kbps,一般小于 100kbps	理论 250kbps,一般小于 100kbps	2.4G: 1-11M 5G: 1-500M	1M-2M
网络延时	依赖于频率，扩频因子，编码率等	6-10s	<1s	<1s	<1s
适合领域	LPWAN 智慧路灯 智慧建筑 智慧农业 …	LPWAN 智慧城市 智能抄表 …	智能家居 小范围传感器 室内覆盖	常用于室内场景	智能家居 智慧楼宇 室内覆盖

1.3 LoRa 的优势和劣势

• 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. 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。
  2. 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 带宽

增加信号带宽可以使用更高的数据速率，因此会减少传输时间，代价是降低了接收灵敏度。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：

5. LoRa 收发数据缓冲区 (双向 FIFO)

LoRa 内部的收发缓冲区大小为 256 字节，如果设备工作在半双工模式下，则可以收发独占 256 字节；如果工作在全双工模式，则收发共享 256 字节(一般做法是各自占 128 字节)。

6. SPI 时序图 (LoRa 端为 Slave, SPI_Mode=0x00)

7. 注意事项

7.1 活动信道检测 (CAD)

CAD 模式下接收机周期性检测信道中的前导码，如果发现前导码则唤醒进入接收模式，CAD 的周期应短于前导码发射时长，发送者前导码发送的越短接收机越要频繁的检测，要想降低检测频率则需要发送很长的前导码，需要根据应用场景权衡。

7.2 组网

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，一般会吧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。在智能家居场景下网关可以采用两个 sx126x 来替代，通过将数据帧根据上下行，根据功能和重要程度区分为多个信道，结合 RTS (request to send) -CTS (Clear to send) 机制可以避免拥塞，具体策略可以根据需求再详细定。

8. 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。

9. LoRa 常用缩写

缩写	全称	含义
ACR	Adjacent Channel Rejection	邻道拟制
β	Modulation Index	调制指数
BER	Bit Error Rate	误码率
BR	Bit Rate	比特率
BT	Bandwidth-Time bit period product	-
BW	BandWidth	带宽
CAD	Channel Activitiy Detection	信道活动检测
CPOL	Clock Polarity	时钟极性
CPHA	Clock Phase	时钟相位
CR	Coding Rate	编码率
CW	Continuous Wave	连续波
POR	Power On Reset	上电复位
DIO	Digital Input / Output	数字 IO
DSB	Double Side Band	双边带
FEC	Forward Error Correction	前向纠错
FSK	Frequency Shift Keying	频移键控
GFSK	Gaussian Frequency Shift Keying	高斯频移键控
GMSK	Gaussian Minimum Shift Keying	高斯最小移位键控
IF	Intermediate Frequencies	中频
DC-DC	Direct Current to Direct Current converter	直流-直流电压转换
LDO	Low-Dropout	低压差线稳压器
LDRO	Low Data Rate Optimization	低数据速率优化
LFSR	Linear-Feedback Shift Register	线性移位寄存器
LNA	Low-Noise Amplifier	低噪放
LO	Local Oscillator	本地震荡器
NRZ	Non-Return-to-Zero	不归零编码
OCP	Over Current Protection	过流保护
PA	Power Amplifier	功放
PER	Packet Error Rate	包错误率
RFO	Radio Frequency Output	射频输出
SF	Spreading Factor	扩频因子
SNR	Signal to Noise Ratio	信噪比
TCXO	Temperature-Compensated Crystal Oscillator	温度补偿晶体振荡器
XOSC	Crystal Oscillator	晶体振荡器
RSSI	Received Signal Strength Indicator	接收信号强度指示器
ADR	Adaptive Data Rate	自适应数据速率
AFA	Adaptive Frequency Agility	-
LBT	Listen Before Talk	对讲前监听
SSL	Secure Socket Layer	安全套接字层

附录(一)

1. LoRaWAN Specification : https:///resource-hub/lorawanr-specification-v103
2. 无委会规范 ：http://www.gov.cn/xinwen/2019-11/28/content_5456765.htm