LoRa技術(shù)是一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),也稱為 Chirp 調(diào)制(注:Chirp 這個(gè)詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點(diǎn),對于信號處理來講也可稱作掃頻),這種調(diào)制技術(shù)是 Semtech 公司獨(dú)的IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))。擴(kuò)頻技術(shù)是一種用帶寬換取靈敏度的技術(shù),Wi-Fi ZigBee 等技術(shù)都使了擴(kuò)頻技術(shù),但是LoRa 調(diào)制的特點(diǎn)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(shí)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(shù)很難工作在超窄帶環(huán)境,無法實(shí)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(shù)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(shù)。由于LoRa調(diào)制技術(shù)在物理層有巨大的優(yōu)勢,才使 LoRa 可以在短短幾年時(shí)間內(nèi)成為全球LPWAN事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

LoRa 技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)

1、遠(yuǎn)距離

LoRa的字面意思是遠(yuǎn)距離(Long Rang),那么到底 LoRa能傳多遠(yuǎn)?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(huì)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(shè)備)。TTN與Lacuna在大會(huì)期間從Space Norway、Norwegian 航天中心那邊借來了Norsat-2衛(wèi)星。當(dāng)這顆衛(wèi)星從會(huì)議室上空飛過時(shí)，衛(wèi)星會(huì)向地球發(fā)送LoRa消息。在會(huì)議大樓以及荷蘭臺(tái)夫特理工大學(xué)的屋頂上都使用Setech標(biāo)準(zhǔn)芯片搭建了接收節(jié)點(diǎn)，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過，會(huì)立刻傳回消息,再通過現(xiàn)場布置的一臺(tái) 60 年高齡的電報(bào)機(jī)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(jìn)人互聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器中。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在LoRa 的衛(wèi)星應(yīng)用中所有 LoRa 的硬件設(shè)備都使用 Semtech標(biāo)準(zhǔn)芯片搭建,與傳統(tǒng) LoRa 地面的應(yīng)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(yīng)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(shè)備,以及非授權(quán)頻段的廣泛使用,當(dāng)然衛(wèi)星應(yīng)用中最重要的還是 LoRa 那超遠(yuǎn)的工作距離。鏈路預(yù)算中最重要的參數(shù)為接收靈敏度,LoRa 的最高靈敏度可達(dá)-149.dBm,而藍(lán)牙、ZigBee 等無線技術(shù)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(qiáng)度是藍(lán)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(shù))也不依賴于重傳(NB-IOT 使用重傳技術(shù)),也不依賴于編碼冗余。

2、抗干擾能力強(qiáng)

LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,除了靈敏度優(yōu)勢外，還有一個(gè)非常重要的因素是超強(qiáng)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(shù)，這是現(xiàn)有傳統(tǒng)通信傳技術(shù)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(dāng)通信過程中遇到外界電磁信號干擾時(shí),LoRa可以繼續(xù)穩(wěn)定通信,而傳統(tǒng)的無線技術(shù)則無法通信。所以在一些信道于擾比較嚴(yán)重的區(qū)域，客戶都會(huì)選擇LoRa技術(shù)作為穩(wěn)定通信的核心技術(shù)。

此外,LoRa針對更強(qiáng)的突發(fā)性的隨機(jī)干擾也有非常好的應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)的抗干擾能力，主要是因?yàn)?Chirp 調(diào)制在相千解調(diào)的時(shí)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(shù)最主要的應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng),而物聯(lián)網(wǎng)對于終端設(shè)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(yīng)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(yàn)，這就要求 LoRa 技術(shù)在應(yīng)用時(shí)具有超低的功耗。超低功耗的實(shí)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(yīng)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(diǎn)。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(shí)電流只有45mA。LoRaWAN 協(xié)議是 LoRa 全球推廣的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,具有輕量級智能化的優(yōu)點(diǎn)。LoRaWAN節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信簡單,開銷少;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以根據(jù)信號質(zhì)量,動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)速率和發(fā)射功率，以達(dá)到省電目的。圖所示為 LoRaWAN的一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與 NB-IOT 的一個(gè)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(yùn)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?jǐn)?shù)據(jù),即使在發(fā)射功率相同的情況下,由于通信時(shí)長的加長。NB-IoT的這個(gè)數(shù)據(jù)包的耗電量要到LoRa的 3倍。而事實(shí)上NB-IoT的發(fā)射功耗一般比LoRa 的發(fā)射功耗大3倍。

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

4、大容量

LoRa 具有工作距離遠(yuǎn)覆蓋范圍大的特點(diǎn)，但是如果其容量小，覆蓋范圍大會(huì)成為劣勢。LoRa 容量的大小至關(guān)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(shè)備特別多,就會(huì)存在設(shè)備掉線或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題。可以把 LoRa 看成一個(gè)“Wi-Fi”。同理 LoRa 也會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)容量的問題,下面對 LoRaWAN 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析LoRaWAN 的網(wǎng)絡(luò)容量決定因素很多,主要與以下幾個(gè)參數(shù)相關(guān):

① 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的速率；

④ 可用信道數(shù)量基站/網(wǎng)關(guān)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(diǎn)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力，叫作自適應(yīng)速度選Adaptive Data Rate,ADR),如圖所示,ADR 可以根據(jù)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)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(diǎn)的跳頻頻率實(shí)現(xiàn)更大的接人量和減少碰撞。當(dāng)遇到極限精況可以直接擴(kuò)展更多信道或采用多網(wǎng)關(guān)覆蓋解決。

LoRawAN協(xié)議的大容量是部署廣域網(wǎng)的構(gòu)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(luò)容量的計(jì)算和覆蓋的優(yōu)化非常重要。

5、按需部署，獨(dú)立組網(wǎng)

LoRa就是一個(gè)“長 Wi-Fi”技術(shù),其部署特點(diǎn)與Wi-Fi非常相似。LoRa部署方便且可以獨(dú)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(gè) Wi-Fi路由器一樣。

LoRa 的部署過程也很簡單,只要選擇一個(gè)網(wǎng)關(guān)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(yùn)營商的4G 網(wǎng)絡(luò)或者本地的 Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)完成 LoRa網(wǎng)絡(luò)部署。在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,有許多環(huán)境非常惡劣的場景,運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)信號很難覆蓋或根本沒有信號。當(dāng)這些場景有物聯(lián)網(wǎng)需求時(shí),可以根據(jù)具體的需求進(jìn)行 LoRa 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)，如密集的居民樓、井蓋內(nèi)或復(fù)雜的地下管道。由于LoRa 的超遠(yuǎn)距離,強(qiáng)抗干擾能力,網(wǎng)關(guān)部署簡單等特點(diǎn),LoRa 的部署方式對比運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署要靈活得多,運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)如果做全覆蓋,由于覆蓋范圍小,成本高,在許多地方勢必會(huì)出現(xiàn)大量的浪費(fèi)。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)在按需部署的項(xiàng)目中，具有以下特點(diǎn)：

① 按需部署：根據(jù)應(yīng)用需要,規(guī)劃和部署網(wǎng)絡(luò): 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(luò)的擴(kuò)展十分簡單:根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的變化，隨時(shí)對覆蓋進(jìn)行增強(qiáng)或擴(kuò)展。

③ 滿足安全需求：技術(shù)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(shí)際應(yīng)用中,客戶對于組網(wǎng)有大量的需求,LoRa 獨(dú)立組網(wǎng)有如下特點(diǎn)：

① 私人網(wǎng)絡(luò)部署：個(gè)人、企業(yè)或機(jī)構(gòu)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(jià)值高：大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(luò)是公網(wǎng)有效且必要的補(bǔ)充。

③ 方案價(jià)值高：用戶的方案可覆蓋云、管、端整個(gè)鏈條；整體方案的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于終端和基礎(chǔ)設(shè)施的價(jià)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(chǔ)設(shè)施的投資；解決了運(yùn)營商運(yùn)署和維護(hù)低效網(wǎng)絡(luò)的麻煩。

6、輕量級，低成本

一個(gè)項(xiàng)目能否成功，成本是非常關(guān)鍵的因素。再好的技術(shù)如果沒有合理的價(jià)格合適無法打開市場的。LoRa 技術(shù)是一個(gè)輕量級的技術(shù),LoRaWAN 協(xié)議也是一個(gè)輕量級的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。LoRa 硬件在設(shè)計(jì)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Y(jié)LoRa 的成本特點(diǎn):

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(shí)現(xiàn)簡單,對資源要求低。

② 許可認(rèn)證：沒有專利和人網(wǎng)許可等成本。

③ 部署實(shí)施簡單：基站輕量級,相當(dāng)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(jià)格已經(jīng)達(dá)到 3 美元并逐漸接近 2G 模塊價(jià)格；網(wǎng)關(guān)根據(jù)工作溫度范圍和外殼防塵、防水、防雷等級別不同,價(jià)格從幾百到幾千元人幣,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 NB-IoT、eMTC 等其他物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)基站，且因?yàn)?LoRa 傳輸距離遠(yuǎn)，需要基站數(shù)量少。

7、抗頻偏

① LoRa 抗多徑效應(yīng)

LoRa 使用擴(kuò)頻技術(shù),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(shí)際測試案例。在野外山體滑坡監(jiān)控項(xiàng)目中,傳輸點(diǎn)之間存在非常多的無線可達(dá)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(shí)延。

處在A處的網(wǎng)關(guān),收到的 LoRa 信號如圖所示,信號由于多徑疊加，波形嚴(yán)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(yīng)會(huì)更明顯,尤其在遠(yuǎn)距離無線通信時(shí)更為明顯。擴(kuò)頻技術(shù)是對抗多徑效應(yīng)最有效的手段,LoRa 技術(shù)采用擴(kuò)頻技術(shù)解決了此棘手問題。

② LoRa 抗多普勒效應(yīng)

移動(dòng)的物體會(huì)帶來多普勒頻移,而頻率的移動(dòng)對無線接收機(jī)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(shí)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(dòng)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(shù)，GSM 制式標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)允許的中心頻率偏差為±800Hz。

但是對于LoRa 接收機(jī),多普勒頻移導(dǎo)致 LoRa 脈沖中的小頻移,在基帶信號的時(shí)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(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定通信的優(yōu)選物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

LoRaWAN協(xié)議中,對終端設(shè)備的工作頻率偏移要求為小于 50X10-6,當(dāng)工作主頻為490MHz時(shí),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(shù),有著巨大的優(yōu)勢。在高速移動(dòng)物體中的應(yīng)用完全不需要考慮這些問題。

③ LoRa的定位和測距

LoRa 的一個(gè)固有特性是能夠線性區(qū)分頻率和時(shí)間誤差。LoRa 是雷達(dá)應(yīng)用的理想調(diào)制方式,因此非常適合于測距和實(shí)時(shí)定位服務(wù)等應(yīng)用。LoRa 定位的特點(diǎn)是其他遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)所不具備的。

參考文獻(xiàn)：《LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》甘泉

審核編輯 黃宇