LoRa技術是一種擴頻調(diào)制技術,也稱為 Chirp 調(diào)制(注:Chirp 這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點,對于信號處理來講也可稱作掃頻),這種調(diào)制技術是 Semtech 公司獨的IP(知識產(chǎn)權)。擴頻技術是一種用帶寬換取靈敏度的技術,Wi-Fi ZigBee 等技術都使了擴頻技術,但是LoRa 調(diào)制的特點是可以最大效率地提高靈敏度,以至于接近香農(nóng)定理的極限。尤其是在低速率通信系統(tǒng)中,打破了傳統(tǒng)的 FSK 窄帶系統(tǒng)的實施極限。

LoRa 調(diào)制可以在更寬泛的通信速率工作,甚至可以工作在幾十比每秒，而傳統(tǒng)的FSK 技術很難工作在超窄帶環(huán)境,無法實現(xiàn)超低速率工作。在相同的通信速率下,LoRa比 FSK 靈敏度好8~12dBm,這是由兩種技術的調(diào)制解調(diào)性決定的，LoRa調(diào)制的靈敏度已經(jīng)靠近了香農(nóng)定理的極限了?？梢哉fLoRa 生態(tài)最重要的是LoRa調(diào)制技術。由于LoRa調(diào)制技術在物理層有巨大的優(yōu)勢,才使 LoRa 可以在短短幾年時間內(nèi)成為全球LPWAN事實標準。

LoRa 技術有如下優(yōu)點

1、遠距離

LoRa的字面意思是遠距離(Long Rang),那么到底 LoRa能傳多遠?現(xiàn)在已經(jīng)有很多家衛(wèi)星公司把LoRa發(fā)射到了近地衛(wèi)星上，一般近地衛(wèi)星離地面600~1600km。2019年1月底的TTN(The Things Network)大會上,lacuna Space的CTO Thomas Telkamp帶來了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的分享和現(xiàn)場演示Using gateways on satellites to conneer your existing LoRaWAN devices anywhere in the world(使用衛(wèi)星基連接全球任意位置的LoRaWAN設備)。TTN與Lacuna在大會期間從Space Norway、Norwegian 航天中心那邊借來了Norsat-2衛(wèi)星。當這顆衛(wèi)星從會議室上空飛過時，衛(wèi)星會向地球發(fā)送LoRa消息。在會議大樓以及荷蘭臺夫特理工大學的屋頂上都使用Setech標準芯片搭建了接收節(jié)點，當衛(wèi)星經(jīng)過，會立刻傳回消息,再通過現(xiàn)場布置的一臺 60 年高齡的電報機打出消息。LoRa傳感器可以放置在地球的任意角落(室外無頂部遮擋)，都可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星上,并通過地面接收站,最終數(shù)據(jù)進人互聯(lián)網(wǎng)和服務器中。

這里需要強調(diào)的是，在LoRa 的衛(wèi)星應用中所有 LoRa 的硬件設備都使用 Semtech標準芯片搭建,與傳統(tǒng) LoRa 地面的應用中使用的芯片完全相同,且衛(wèi)星的天線和功率也都和普通的 LoRa 應用完全相同。LoRa 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)就是利用了 LoRa 生態(tài)中現(xiàn)有的大量低成本傳感終端設備,以及非授權頻段的廣泛使用,當然衛(wèi)星應用中最重要的還是 LoRa 那超遠的工作距離。鏈路預算中最重要的參數(shù)為接收靈敏度,LoRa 的最高靈敏度可達-149.dBm,而藍牙、ZigBee 等無線技術的靈敏度為-100dBm 左右。LoRa 靈敏度比它們好 50dB。也就是說,LoRa 可以解調(diào)的信號強度是藍牙、ZigBee 的十萬分之一。LoRa 的超高靈敏度來自調(diào)制本身,不依賴于窄帶(Sigfox 使用超窄帶技術)也不依賴于重傳(NB-IOT 使用重傳技術),也不依賴于編碼冗余。

2、抗干擾能力強

LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸,除了靈敏度優(yōu)勢外，還有一個非常重要的因素是超強的抗干擾能力。LoRa具有低于噪聲 20dB 依然可以通信的極限抗干擾技術，這是現(xiàn)有傳統(tǒng)通信傳技術都不具備的。

如圖所示,LoRa可以在噪聲之下20dB 正常解調(diào)信號，而FSK理論上需要上需要在噪聲8dB才能保證解調(diào)。當通信過程中遇到外界電磁信號干擾時,LoRa可以繼續(xù)穩(wěn)定通信,而傳統(tǒng)的無線技術則無法通信。所以在一些信道于擾比較嚴重的區(qū)域，客戶都會選擇LoRa技術作為穩(wěn)定通信的核心技術。

此外,LoRa針對更強的突發(fā)性的隨機干擾也有非常好的應對能力。如果面對突發(fā)長度小于二分之一LoRa 的符號長度或于擾占空比<50%的強干抗?jié)q,LoRa依然可以穩(wěn)定解調(diào),且保證其靈敏度惡化＜3dB。

LoRa 調(diào)制之所以有這么強的抗干擾能力，主要是因為 Chirp 調(diào)制在相千解調(diào)的時候可以把在噪聲之下有用的 LoRa 信號聚集在一起,而噪聲在相千解調(diào)后還是噪聲。

3、低功耗

LoRa 技術最主要的應用是物聯(lián)網(wǎng),而物聯(lián)網(wǎng)對于終端設備的使用壽命的要求非常高，在傳統(tǒng)的電池供電下,許多應用都有 5年其至 10年的工作壽命要求，電池的壽命直接影響用戶體驗，這就要求 LoRa 技術在應用時具有超低的功耗。超低功耗的實現(xiàn)主要由兩方面決定，一方面芯片的硬件要具備低功耗;另一方面應用協(xié)議也要具備低功耗。LoRa 調(diào)制具有不依賴于窄帶、重傳、編碼冗余的特點。因此,LoRa 調(diào)制是一種非常高效的調(diào)制方式,工作電流非常低,其靜態(tài)電1pA;接收電流不到 5mA;發(fā)射功率為17dBm時電流只有45mA。LoRaWAN 協(xié)議是 LoRa 全球推廣的標準協(xié)議,具有輕量級智能化的優(yōu)點。LoRaWAN節(jié)點與網(wǎng)關通信簡單,開銷少;網(wǎng)絡服務器可以根據(jù)信號質(zhì)量,動態(tài)調(diào)整節(jié)點速率和發(fā)射功率，以達到省電目的。圖所示為 LoRaWAN的一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送與 NB-IOT 的一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送對比示意圖。從圖中可以看出,LoRa 的數(shù)據(jù)包非常簡單,而 NB-IOT 由于其自身運營商特性以及從 LTE 的精簡協(xié)議的原因,需要發(fā)送和接收大量的握手數(shù)據(jù),即使在發(fā)射功率相同的情況下,由于通信時長的加長。NB-IoT的這個數(shù)據(jù)包的耗電量要到LoRa的 3倍。而事實上NB-IoT的發(fā)射功耗一般比LoRa 的發(fā)射功耗大3倍。

為達到省電的目的,業(yè)界廣泛應用周期偵聽(Wake on Radio，WOR)方式,芯片周期性地進人接收(RX)模式以偵聽有沒有喚醒信號（比如前導）其他時間處于休眠模式。LoRaWAN的Class B采用此種方式實觀低功耗和實時性兼得。

4、大容量

LoRa 具有工作距離遠覆蓋范圍大的特點，但是如果其容量小，覆蓋范圍大會成為劣勢。LoRa 容量的大小至關重要,可以通過 Wi-Fi 的容量來類比:如果用戶所處區(qū)Wi-Fi設備特別多,就會存在設備掉線或網(wǎng)絡不穩(wěn)定等問題。可以把 LoRa 看成一個“Wi-Fi”。同理 LoRa 也會遇到網(wǎng)絡容量的問題,下面對 LoRaWAN 協(xié)議網(wǎng)絡進行分析LoRaWAN 的網(wǎng)絡容量決定因素很多,主要與以下幾個參數(shù)相關:

① 節(jié)點的發(fā)包頻次；

② 數(shù)據(jù)包的長度；

③ 信號質(zhì)量及節(jié)點的速率；

④ 可用信道數(shù)量基站/網(wǎng)關的密度；

⑤ 信令開銷；

⑥ 重傳次數(shù)

LoRaWAN協(xié)議中具有根據(jù)終端節(jié)點狀況進行調(diào)節(jié)的能力，叫作自適應速度選Adaptive Data Rate,ADR),如圖所示,ADR 可以根據(jù)點與網(wǎng)關的距離和信號情況調(diào)整其通信速度及發(fā)射功率等參數(shù)、還可以調(diào)整節(jié)點的跳頻頻率實現(xiàn)更大的接人量和減少碰撞。當遇到極限精況可以直接擴展更多信道或采用多網(wǎng)關覆蓋解決。

LoRawAN協(xié)議的大容量是部署廣域網(wǎng)的構必要條件.廣域網(wǎng)為為去碎片化提供了有為支力支撐。網(wǎng)絡容量的計算和覆蓋的優(yōu)化非常重要。

5、按需部署，獨立組網(wǎng)

LoRa就是一個“長 Wi-Fi”技術,其部署特點與Wi-Fi非常相似。LoRa部署方便且可以獨立組網(wǎng),哪里有需要就在哪里建網(wǎng),類比于哪里需要Wi-Fi信號哪里就放置一個 Wi-Fi路由器一樣。

LoRa 的部署過程也很簡單,只要選擇一個網(wǎng)關部署位置,連接網(wǎng)線和電源線即可。在沒有網(wǎng)線連接的地方可以利用運營商的4G 網(wǎng)絡或者本地的 Wi-Fi無線網(wǎng)絡完成 LoRa網(wǎng)絡部署。在實際的物聯(lián)網(wǎng)應用中,有許多環(huán)境非常惡劣的場景,運營商的蜂窩網(wǎng)信號很難覆蓋或根本沒有信號。當這些場景有物聯(lián)網(wǎng)需求時,可以根據(jù)具體的需求進行 LoRa 網(wǎng)絡架設，如密集的居民樓、井蓋內(nèi)或復雜的地下管道。由于LoRa 的超遠距離,強抗干擾能力,網(wǎng)關部署簡單等特點,LoRa 的部署方式對比運營商的網(wǎng)絡部署要靈活得多,運營商的網(wǎng)絡如果做全覆蓋,由于覆蓋范圍小,成本高,在許多地方勢必會出現(xiàn)大量的浪費。

LoRa 網(wǎng)絡在按需部署的項目中，具有以下特點：

① 按需部署：根據(jù)應用需要,規(guī)劃和部署網(wǎng)絡: 根據(jù)現(xiàn)場壞統(tǒng),針對終端位置合理部署基站

② 靈活性和便利性：網(wǎng)絡的擴展十分簡單:根據(jù)節(jié)點規(guī)模的變化，隨時對覆蓋進行增強或擴展。

③ 滿足安全需求：技術上，公網(wǎng)和專網(wǎng)都完全可行；滿足數(shù)據(jù)私密性要求。

④ 節(jié)省成本：按需部署需要基站數(shù)量少；免于支付月租。

在實際應用中,客戶對于組網(wǎng)有大量的需求,LoRa 獨立組網(wǎng)有如下特點：

① 私人網(wǎng)絡部署：個人、企業(yè)或機構可部署私有網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或行業(yè)網(wǎng)，,與 Wi-Fi 部署場景基本一致。

② 方案價值高：大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用都是區(qū)城性的小規(guī)模局域網(wǎng)即可解決問題。區(qū)域性的局域網(wǎng)絡是公網(wǎng)有效且必要的補充。

③ 方案價值高：用戶的方案可覆蓋云、管、端整個鏈條；整體方案的價值遠遠大于終端和基礎設施的價值。

④ 廣域網(wǎng)和私網(wǎng)共同發(fā)展趨勢，解決碎片化；省去基礎設施的投資；解決了運營商運署和維護低效網(wǎng)絡的麻煩。

6、輕量級，低成本

一個項目能否成功，成本是非常關鍵的因素。再好的技術如果沒有合理的價格合適無法打開市場的。LoRa 技術是一個輕量級的技術,LoRaWAN 協(xié)議也是一個輕量級的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。LoRa 硬件在設計之初就充分考慮到了物聯(lián)網(wǎng)市場對成本的苛刻要求以及整體部署的要求?？偨YLoRa 的成本特點:

① 硬件簡單：模塊不需要TCXO、SAW 濾波器和外置(高線性度)PA；LoRaWAN輕量級協(xié)議,實現(xiàn)簡單,對資源要求低。

② 許可認證：沒有專利和人網(wǎng)許可等成本。

③ 部署實施簡單：基站輕量級,相當于路由器;無須直放站,部署十分簡單。

④ 低成本：LoRaWAN 模塊量產(chǎn)價格已經(jīng)達到 3 美元并逐漸接近 2G 模塊價格；網(wǎng)關根據(jù)工作溫度范圍和外殼防塵、防水、防雷等級別不同,價格從幾百到幾千元人幣,遠遠低于 NB-IoT、eMTC 等其他物聯(lián)網(wǎng)無線技術基站，且因為 LoRa 傳輸距離遠，需要基站數(shù)量少。

7、抗頻偏

① LoRa 抗多徑效應

LoRa 使用擴頻技術,提供了抗多徑和衰落的能力,使其非常適合在城市和郊區(qū)環(huán)境使用。

圖所示為實際測試案例。在野外山體滑坡監(jiān)控項目中,傳輸點之間存在非常多的無線可達路徑,圖中展示了三條主要路徑。其中衍射(繞射)距離為 5.5km,多次反射距離6.8km,直接反射距離為 9.5km。最大路徑與最短路徑相差4km。4km路徑差意味13.3微秒的時延。

處在A處的網(wǎng)關,收到的 LoRa 信號如圖所示,信號由于多徑疊加，波形嚴重失真。經(jīng)測試，在上述環(huán)境中LoRa依然可以保持穩(wěn)定傳輸，且丟包率＜1%。

在高樓林立的大城市中,多徑效應會更明顯,尤其在遠距離無線通信時更為明顯。擴頻技術是對抗多徑效應最有效的手段,LoRa 技術采用擴頻技術解決了此棘手問題。

② LoRa 抗多普勒效應

移動的物體會帶來多普勒頻移,而頻率的移動對無線接收機提出了很大的挑戰(zhàn)。尤其是我國的高鐵開通后,其 350km/h 的時速對于 900MHz 頻段信號帶來約300Hz 的中心頻率偏差。多普勒頻偏一直是移動無線通信系統(tǒng)中需要考慮的重要因素,對比常用的蜂窩網(wǎng)技術，GSM 制式標準允許的中心頻率偏差為±300Hz(高鐵 350km/h 下頻偏為士300Hz);WCDMA 制式標準允許的中心頻率偏差為±800Hz。

但是對于LoRa 接收機,多普勒頻移導致 LoRa 脈沖中的小頻移,在基帶信號的時間軸中引入相對可忽略的頻移。LoRa 有較好的抗多普勒特性,是高速移動狀態(tài)下穩(wěn)定通信的優(yōu)選物聯(lián)網(wǎng)技術。

LoRaWAN協(xié)議中,對終端設備的工作頻率偏移要求為小于 50X10-6,當工作主頻為490MHz時,協(xié)議允許的最大頻率偏移為 24.5kHz。對比常用的蜂窩網(wǎng)技術,有著巨大的優(yōu)勢。在高速移動物體中的應用完全不需要考慮這些問題。

③ LoRa的定位和測距

LoRa 的一個固有特性是能夠線性區(qū)分頻率和時間誤差。LoRa 是雷達應用的理想調(diào)制方式,因此非常適合于測距和實時定位服務等應用。LoRa 定位的特點是其他遠距離無線通信技術所不具備的。

參考文獻：《LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術》甘泉

審核編輯 黃宇