Lora無線技術原理及優缺點

一、 LoRa 無線技術簡介

LoRa是一種基於擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，其實也是是諸多LPWAN通信技術中的一種， 最早由美國Semtech公司採用和推廣。這一方案為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、低功耗無線通信手段。目前，LoRa 主要在ISM頻段運行，主要包括433、868、915 MHz等。

LoRa是物理層或無線調製用於建立長距離通信鏈路。許多傳統的無線系統使用頻移鍵控（FSK）調製作為物理層，因為它是一種實現低功耗的非常有效的調 制。LoRa是基於線性調頻擴頻調製，它保持了像FSK調製相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。線性擴頻已在軍事和空間通信領域使用了數十年， 由於其可以實現長通信距離和幹擾的魯棒性，但是LoRa是第一個用於商業用途的低 成本實現。

LoRa的優勢在於技術方面的長距離能力。單個網關或基站可以覆蓋整個城市或數百平方公裡範圍。在一個給定的位置，距離在很大程度上取決於環境或障礙 物，但LoRa和LoRaWAN?有一個鏈路預算優於其他任何標準化的通信技術。鏈路預算，通常用分貝（dB為單位）表示，是在給定的環境中決定距離的 主要因素。

二、LoRa無線技術網絡構成

LoRa網絡主要由終端（可內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、Server和雲四部分組成。應用數據可雙向傳輸。

LoRa聯盟LoRa聯盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業。不到一年時間，聯盟已經發展成員公司150餘家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產商。產業鏈（終端硬體產商、晶片產商、模塊網關產商、軟體廠商、系統集成商、網絡運營商）中的每一環均有大量的企業，這種技術的開放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發展與生態繁盛。

三、Lora網絡架構及原理

在網狀網絡中，個別終端節點轉發其他節點的信息，以增加網絡的通信距離和網絡區域規模大小。雖然這增加了範圍，但也增加了複雜性，降低了網絡容量，並降低 了電池壽命，因節點接受和轉發來自其他節點的可能與其不相關的信息。當實現長距離連接時，長距離星型架構最有意義的是保護了電池壽命。

在LoRaWAN?網絡中，節點與專用網關不相關聯。相反，一個節點傳輸的數據通常是由多個網關收到。每個網關將從終端節點接所接受到的數據包通過一些回 程 (蜂窩、 乙太網等)轉發到基於雲計算的網絡伺服器。智能化和複雜性放到了伺服器上，伺服器管理網絡和過濾冗餘的接受到的數據，執行安全檢查，通過最優的網關進行調 度確認，並執行自適應數據速率等。

四、LoRaWAN 協議介紹

LoRaWAN是 LoRa聯盟發布的一個基於開源MAC層協議的低功耗廣域網通信協議。主要為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡通信協議。

LoRaWAN?定義了網絡的通訊協議和系統架構，而LoRa物理層能夠使長距離通訊鏈路成為可能。 LoRaWAN自下而上設計，為電池壽命、容量、距離和成本而優化了LPWAN（低功耗廣域網）。對於不同地區給出了一個LoRaWAN?規範概要，以 及在LPWAN空間競爭的不同技術的高級比較。

五、LoRaWAN網絡拓撲

LoRaWAN 網絡是一個典型的Mesh網絡拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關負責數據匯總，連接終端設備和後端雲端數據伺服器。網關與伺服器間TCP/IP網 絡進行連接。所有的節點與網關間均是雙向通信，考慮到電池供電的場合，終端節點一般是休眠，當有數據要發送時，喚醒，然後進行數據發送。

因此，使用LoRa技術，我們能夠以低發射功率獲得更遠的傳輸距離。這種低功耗廣域技術正是大規模部署無線傳感器網絡所必須的。

六、LoRa技術優缺點

一般說來，傳輸速率、工作頻段和網絡拓撲結構是影響傳感網絡特性的三個主要參數。傳輸速率的選擇將影響系統的傳輸距離和電池壽命；工作頻段的選擇要折中考慮頻段和系統的設計目標；而在FSK系統中，網絡拓撲結構的選擇是由傳輸距離要求和系統需要的節點數目來決定的。 LoRa融合了數字擴頻、數位訊號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。

前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗餘信息，這樣，數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建「自修復」數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數據包將被送到數字擴頻調製器中。這一調製器將分組數據包中每一比特饋入一個「展擴器」中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。

即使噪聲很大，LoRa也能從容應對LoRa數據機經配置後，可劃分的範圍為64-4096碼片/比特，最高可使用4096碼片/比特中的最高擴頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的範圍為10-12碼片/比特。

通過使用高擴頻因子，LoRa技術可將小容量數據通過大範圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測量時，這些數據看上去像噪音，但區別在於噪音是不相關的，而數據具有相關性，基於此，數據實際上可以從噪音中被提取出來。擴頻因子越高，越多數據可從噪音中提取出來。在一個運轉良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調信號，採用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結果差距為28dB，這相當於範圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB的差距就可以實現2倍於原來的傳輸距離。

超強的鏈路預算，讓信號飛的更遠為了有效地對比不同技術之間傳輸範圍的表現，我們使用一個叫做「鏈路預算」的定量指標。鏈路預算包括影響接收端信號強度的每一變量，在其簡化體系中包括發射功率加上接收端靈敏度。AngelBlocks的發射功率為100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數據）的GFSK無線技術，需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發射端發射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。因此，使用LoRa技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸範圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。

七、關於LPWAN

低功耗廣域網絡（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物聯網中不可或缺的一部分，具有功耗低、覆蓋範圍廣、穿透性強的特點，適用於每隔幾分鐘發送和接收少量數據的應用情況，如水運定位、路燈監測、停車位監測等等。LPWAN相關組織LoRa聯盟目前在全球已有145位成員，其繁茂的生態系統讓遵循LoRaWAN協議的設備具有很強的互操作性。一個完全符合LoRaWAN標準的通訊網關可以接入5到10公裡內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高於傳統的點對點輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節點通訊功耗。