LoRa开发|LoRa无线传输技术介绍

LoRa无线传输技术介绍
1. 什么是LoRa
LoRa（Long Range，远距离）是一种调制技术，是低功耗广域网通信技术中的一种，它是Semtech公司专有的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。 LoRa调制是物理层（PHY），可为不同协议和不同网络架构所用

LoRa网关、LoRa集中器和LoRa节点的区别：

LoRa网关：将多个节点或集中器的LoRa数据转换为其他信号数据并进行收发的设备
LoRa集中器：将多个节点的数据收集，集中发给网关和下发网关数据的设备
LoRa节点：进行感应或控制的终端设备

LoRa扩频技术：通过注入一个更高频信号将基带信号扩展到更宽的频带，它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽

常用的无线通信调制方式有：模拟调制、数字调制、脉冲调制

扩频调制的示意图如下所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR(异或)运算，生成发送信号流，这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加(扩展了频谱)

下图中深蓝色是原始信号，紫红色是扩频后的信号；扩频后带宽增加（横坐标），幅度减小（纵坐标）

根据香农公式：C = B × log2(1 + S/N)

式中，C是信道容量，单位为比特每秒(bps)，它是在理论上可接受的误码率(BER)下所允许的最大数据速率；B是要求的信道带宽，单位是Hz；S/N是信号噪声功率比。C表示通信信道所允许的信息量，也表示了所希望得到的性能。

从上式可以看出，通过提高信号带宽（B）可以维持或提高通信的性能 （C），甚至信号的功率可以低于噪底（表现为抗干扰强、传输更远）

LoRa关键技术参数：

带宽（BandWidth）：每个信道的上限频率和下限频率之差。增加BW，可以提高有效数据速率以缩短传输时间，但是以牺牲部分接受灵敏度为代价
SNR（信噪比）：信号和噪声的比值，计量单位是dB，其计算方法是10lg(PS/PN)。由公式可知，SNR小于0时表示信号功率小于噪声功率，SNR大于0时表示信号功率大于噪声功率
扩频因子（SF）：扩频调制技术采用多个信息码片来代表有效负载信息的每个位。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号数量。Rs = BW/2SF
编码率（CR）：是数据流中有用部分的比例。如果编码率是k/n，则对每k位有用信息，编码器总共产生n位的数据，其中n-k是多余的。LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错
RSSI（接收信号强度指示）：接收灵敏度（单位dBm）。在纯净环境下，RSSI值与距离是一个非线性曲线的关系，所以路测时在一定距离内RSSI值有参考价值，过距离后基本没有参考价值
2. 什么是LoRaWAN
LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。它是一种媒体访问控制（MAC）层协议

LoRaWAN采用星型无线拓扑：终端节点、网关、LoRaWAN服务器、用户服务器

End Node: 终端节点一般是各类传感器，进行数据采集，开关控制等
Gateway: LoRa网关，对收集到的节点数据进行封装转发
NetworkServer: 主要负责上下行数据包的完整性校验
ApplicationServer: 主要负责OTAA设备的入网激活，应用数据的加解密

LoRaWAN通信机制

LoRaWAN标准由LoRa联盟来制定；LoRa联盟是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织，致力于推动低功率广域网 (LPWAN) 的标准化和 LoRaWAN® 开放标准的全球化。LoRa Alliance 的使命是通过确保所有 LoRaWAN 产品和技术的互操作性，来支持和促进 LoRaWAN 标准在全球范围内的应用，助力物联网 (IoT) 提供可持续发展的未来

3. LoRa与其他无线通信技术
LoRa与其他无线通信技术的对比如下表示：

为什么选择LoRa：

164dB链路预算、距离大于15km
快速、灵活的基础设施易于组网且投资成本小
LoRa节点模块，若仅用于通信，电池寿命可达10年
免牌照的频段，网关/路由器建设和运营，节点/终端成本低
一个典型的使用LoRa无线通信技术的智慧牧场项目系统设计如下图示：

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