什么是LoRa技術(shù)

LoRa是一種專用于遠距離低功耗的無線通信技術(shù),其調(diào)制方式相對于其他通信方式大大增加了通信距離，可廣泛應(yīng)用于各種場合的遠距離低速率物聯(lián)網(wǎng)無線通信領(lǐng)域。比如自動抄表、樓宇自動化設(shè)備、無線安防系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視與控制等。具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，可根據(jù)實際應(yīng)用情況對天線增益進行調(diào)節(jié)。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，連接終端設(shè)備和服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標準IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。

LoRa網(wǎng)關(guān)和模塊間以星形網(wǎng)方式組網(wǎng)，而LoRa模塊間理論上可以點對點輪詢的方式組網(wǎng)，但是點對點輪詢效率要遠遠低于星形網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)多通道并行接收,同時處理多路信號，這大大增加了網(wǎng)絡(luò)容量。采用Lora也可以實現(xiàn)測距和定位。LPWAN的電池使用壽命較長，對于那些需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)的傳感器和應(yīng)用而言是真正做到了低功耗。

根據(jù)FDMA（頻分復(fù)用）來劃分不同的頻段來建立不同的子網(wǎng)段。如：一個子網(wǎng)工作在469MHz，另一個子網(wǎng)工作在470MHz，這2個子網(wǎng)互不干擾�？赡軙�因為硬件電路或者是晶振的差別，信道頻率值會有一些偏差。單終端單次上傳的最大字節(jié)為256。終端節(jié)點個數(shù)幾百不等.一個網(wǎng)關(guān)能接多少個終端與數(shù)據(jù)發(fā)送周期和響應(yīng)速度要求有關(guān)。布置網(wǎng)關(guān)注意有些地方有信號死區(qū)，需要增加中繼器，確保網(wǎng)關(guān)和終端的空中速率和頻率一致，否則無法建立通信。帶寬越小，對晶振的要求越高。跳頻的話對于干擾有所改善，對通訊距離沒有影響。Lorawan網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議采用的是國際標準，也可采用自定義協(xié)議。

LoRa主要參數(shù)

總結(jié)如下：

工作電壓：1.8 - 3.6 V

工作頻段：137~175MHz,410~525MHz,860~1020MHz

調(diào)制方式：LORA\2-FSK\GFSK\OOK

發(fā)射功率：+20dBm–100mW

最大比特率：300kbps

通信協(xié)議：SPI

定位和測距

LoRa測量距離是根據(jù)傳輸信號的空中傳輸時間而不是接收信號強度RSSI值，定位則可根據(jù)多點（網(wǎng)關(guān)）對一點（終端）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m。

LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)位處LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的核心位置，是終端和服務(wù)器（Server）間的信息橋梁，是多信道的收發(fā)機。LoRa網(wǎng)關(guān)有時又被稱為LoRa基站或LoRa集中器，雖然定義不同，但其實是同一含義。

LoRa網(wǎng)關(guān)使用不同的擴頻因子，不同的擴頻因子兩兩正交因而理論上可以在同一信道中對多條不同擴頻因子的信號進行解調(diào)。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間通過標準IP進行連接，終端通過單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)進行通訊，所有的終端通訊都是雙向通訊，同時也支持軟件遠程升級等。以下幾個網(wǎng)關(guān)的幾個重要的特點：

（1）網(wǎng)關(guān)的分類：目前來說，定義不同，網(wǎng)關(guān)類型也不同。

例如，按照應(yīng)用場景不同可分為為室內(nèi)型網(wǎng)關(guān)和室外型網(wǎng)關(guān)；按照通訊方式不同可分為全雙工網(wǎng)關(guān)和半雙工網(wǎng)關(guān)；而按照設(shè)計標準不同可分為完全符合LoRaWAN協(xié)議網(wǎng)關(guān)和不完全符合LoRaWAN協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān)的容量：網(wǎng)關(guān)容量是指在一定時間內(nèi)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量的能力。理論上來說，單個SX1301芯片擁有8個信道，在完全符合LoRaWAN協(xié)議的情況下最多每天能接收1500萬個數(shù)據(jù)包。如果某應(yīng)用發(fā)包頻率為1包/小時，單個SX1301芯片構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)能接入62500個終端節(jié)點。當然，這只是一個理論值，網(wǎng)關(guān)接入終端數(shù)量最終還是與網(wǎng)關(guān)信道數(shù)量、終端發(fā)包頻率、發(fā)包字節(jié)數(shù)和擴頻因子息息相關(guān)。

（3）網(wǎng)關(guān)接入點決定因素：LoRa網(wǎng)關(guān)接入的節(jié)點數(shù)取決于LoRa網(wǎng)關(guān)所能提供的信道資源以及單個LoRa終端占用的信道資源。LoRa網(wǎng)關(guān)如果采用Semtech標準參考設(shè)計，網(wǎng)關(guān)采用SX1301芯片，那么信道數(shù)是固定的8個上行信道1個下行信道。物理信道數(shù)確定了， LoRa網(wǎng)關(guān)所能提供的信道資源也就確定了。（網(wǎng)關(guān)設(shè)計不同，信道數(shù)不同，AUGTEK網(wǎng)關(guān)能實現(xiàn)8個上行，4個下行。）單個LoRa終端占用的信道資源與終端占用信道的時間一致，也就與終端的發(fā)包頻率、發(fā)包字節(jié)數(shù)以及LoRa終端的擴頻因子息息相關(guān)。當LoRa終端的發(fā)包頻率和發(fā)包字節(jié)數(shù)上升，該終端占據(jù)信道收發(fā)的時間就會增加，就占用了更多的信道資源。而當LoRa終端采用更大的擴頻因子時，信號可以傳的更遠，但是代價是傳遞單位字節(jié)的信息會花費更多的時間。

除了網(wǎng)關(guān)外，我們也需要關(guān)注LoRa終端：LoRa終端是LoRa網(wǎng)絡(luò)的組成部分，一般由LoRa模塊和傳感器等器件組成。LoRa終端可使用電池供電，能夠遠程定位。每一個符合LoRaWAN協(xié)議的終端都能與符合LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)直接通訊，從而實現(xiàn)互聯(lián)互通。

LoRa的頻段選擇

按理論來說，可以使用150 MHz 到 1 GHz頻段中的任何頻率。但是Semtech的LoRa芯片并不是所有的sub-GHz的頻段都可以使用，在常用頻段（如433MHz，470MHz~510MHz，780MHz以及歐美常用的868MHz和915MHz都屬于常用頻段）以外的一些頻率并不能很好的支持。

目前在中國提供470-510MHz頻段網(wǎng)關(guān)。

LoRa：易于建設(shè)和部署的低功耗廣域物聯(lián)技術(shù)

LoRa的誕生比NB-IoT要早些，2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（Long Range，簡稱LoRa）的芯片。其接受靈敏度達到了驚人的-148dbm，與業(yè)界其他先進水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20db以上，這確保了網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。

它使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)，即保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，大大擴展了系統(tǒng)容量。

線性擴頻已在軍事和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，因為其可以實現(xiàn)長通信距離和干擾的魯棒性，而LoRa是第一個用于商業(yè)用途的低成本實現(xiàn)。隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。這一技術(shù)改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量、低成本的通訊系統(tǒng)。

LoRa主要在全球免費頻段運行（即非授權(quán)頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸，如圖2所示。

LoRa的優(yōu)勢

主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗。

高達157db的鏈路預(yù)算使其通信距離可達15公里（與環(huán)境有關(guān)）。其接收電流僅10mA，睡眠電流200nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

2、基于該技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大。

如圖2所示，網(wǎng)關(guān)是節(jié)點與IP網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁（通過2G/3G/4G或者Ethernet）。每個網(wǎng)關(guān)每天可以處理500萬次各節(jié)點之間的通信（假設(shè)每次發(fā)送10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率10%）。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率20dBm（100mW），那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達10公里。

3、基于終端和集中器/網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測距和定位。

LoRa對距離的測量是基于信號的空中傳輸時間而非傳統(tǒng)的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位則基于多點（網(wǎng)關(guān)）對一點（節(jié)點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m（假設(shè)10km的范圍）。

這些關(guān)鍵特征使得 LoRa技術(shù)非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等等應(yīng)用和領(lǐng)域。