Lora物理层简介

LoraWAN是Semtech公司主导推进的低功耗广域网LPWAN技术。由于采用了基于CSS（ChirpSpread Spectrum）的无线调制/解调技术，接收灵敏度达到，在低于1GHz的ISM频段，其传输距离达到了十几公里，非常适合抄表等低速的无线应用。

 但LoraWAN的协议只规定了MAC层的规范。关于Lora物理层，只是简单规定了可以采用两种调制方式：FSK和Lora。为了最大限度地发挥发挥LoRaWAN的优势，需要采用Lora调制。但Lora调制技术是Semtech公司的专利技术，并没有公开。该专利技术由法国公司Cycleo开发，Cycleo公司在2012年被Semtech收购。主要相关的专利为EP2763321（欧洲、2013）US7791415（美国、2008）。本文主要介绍LoraWAN的物理层，其中也包括一些国外对LoraWAN进行逆向工程的结果。

 

Lora物理层概要

为了尽可能降低耗电，在终端设备侧（Class-A），通过在发送之后设置两个接受窗口的方式，避免了其他一些技术（如基于802.15.4的一些标准）定时开机执行接收动作的操作，从而达到更长的睡眠时间。其缺点是下行数据不能自由发送，必须在有上行数据时才有机会发送。

Lora利用小于1GHz的ISM频段，而这些频段，各个国家和地区往往有不同的规定，因此，在Lora协议中，专门有一个单独的文档《LoRaWANRegional Parameters》用于规定各种频段的物理层参数。

 Lora调制采用Chirp扩频技术。Chirp扩频源于雷达测距的应用，从上世纪九十年代开始探索Chirp扩频在通信中的应用。Chirp扩频通过在一个Symbol（符号）的时间周期内，让频率带宽范围内从低到高（UP）、或从高到低（DOWN）变化的方式来调制信号的方式来传输数据。Chirp扩频具有良好的抗多径、多普勒效应的优点，而得到了较多的关注。

 

Lora物理层帧结构

物理层帧格式如下：

 

前导码Preamble保护一个Syncword用于同步，其长度和SyncWord在RegionalParameter中定义。如US902-928，对LORA调制方式，syncword为0x34，Preamble长度为8个Symbol。

 Header部分可以隐含，有Implicitmode（隐含模式）和Explicitmode之分。如果SF=6，则采用Implicitmode，否则，采用Explicitmode。在Header中定义以下参数：

• payload长度（以byte为单位）
• FEC（Forward Error Correction）编码率（coderate）
• 可选16bits的Payload CRC是否采用。

 但在LORA协议中，规定Preamble长为8个Symbol，在下行包中不采用payloadCRC，但在上行包中采用。

 

下行数据传输窗口

在Class-A设备中，接收只能在发送之后的特定时间段内进行，该时间段为接收窗口。在每一个发送包之后，跟着两个接收窗口。其参数如下所示：

第一个接收窗口的参数：

• 打开时间：Uplink Modulation结束后RECEIVE_DELAY1秒之后
• 最小持续时间：保证下行Preamble的有效检出。
• 所用频率：上行频率的函数，由Regional Parameter决定
  如US902-928，则：RX1Channel Number = Transmit Channel Number Modulo 8
• 数据速率：上行速率的函数，由Regional Parameter决定
  如US902-928，由下表决定：
• 
  
  
  RX1DROffset有效取值范围为：[0,3]。

第二个接收窗口的参数：

• 打开时间：Uplink Modulation结束后RECEIVE_DELAY2秒之后
• 最小持续时间：保证下行Preamble的有效检出。
• 不打开条件：如在RX1中检出有效的发给本设备的Frame，且通过MIC检查。
• 所用频率：一个可配置的固定频率
  如US902-928中，缺省为923.3MHz
• 数据速率：一个可配置的固定速率
  如US902-928中，缺省为DR8

Lora调制

采用Lora调制时，只需要给物理层指定简单的几个参数：

• Data Rate：数据速率
• TX Power：Maximum Transmit Power
• ChMask&ChMaskCntl：定义可用的信道。
• NBTrans：the number of transmissions of eachuplink message, applied ONLY to “UNCONFIRMED” uplink frames. 但如果在相应的RX1或RX2收到下行包，则停止重发。

由于数据速率与带宽和扩频系数存在一对一的关系，因此也相当于指定了带宽和扩频系数。下表是EU867-870频段的数据速率与带宽和扩频系数的关系。

 

 

在Lora调制中，使用的基本参数如下：

• 频度宽度：BW
• 扩频因子：SF
• CodingRate：CR

 一个扩频符号（Symbol）周期Ts为：

因此符号速率为：

 

一个扩频符号（Symbol）编码的bit数与扩频因子相同，因此调制的bit速率为：

 

通过总结各路大拿分析的LORA的信号，可以得到以下一些有用信息：

1)        Preamble的构成为：PreambleLength寄存器指定个数Symbol的up-chirp，再加上两个up-chirp的syncword编码的Symbol，外加两个symbol长的down-chirp，最后是1/4个Symbol长的up-chirp。

2)        所有的数据都以一个Symbol长的up-chirp编码，在一个Symbol中通过起始频率的偏移来编码SF bit的数据。在一个Symbol中当频率达到频带的边界时，反转到另一侧。在一个Symbol的时间范围内，整个频带都覆盖一次。4bitsyncnword的编码如下图所示：

3)        一个Symbol的时间长度为 Ts。

 

但是对以下两个问题，还没有明确的答案：

1)        怎样保证不同Device在任意时间点发出的数据包完整可解？

2)        多Device同时发送时，怎样保证不冲突？