前言
在这之前，我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa，在这之后，我们或许可以将LoRa技术落地应用。
题目
- LoRa网关容量分析
- LoRa节点制约分析
- LoRa信号空中飞行分析
- LoRa传输距离分析
1. LoRa网关容量分析
首先，什么是LoRa网关？ 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多，它用来接收节点（终端）发射的数据，然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。
常用的LoRa网关芯片有：
Semtech 的第一代产品 SX1301和SX1308， 这两个芯片差别不大，软件层面可以通用，两者差别是：SX1301灵敏度、功耗和温度适应范围比SX1308要好。
Semtech 的第二代产品 SX1302， 这是第一代的升级产品，在第一代的基础上进行了很多改良，特别是功耗方面，SX1302的功耗不到SX1301的10%，这为太阳能供电提供了保证。由于改动较大，1302和1301的控制软件是不可以通用的。
1302突出点
(1) 1302的内部有一个SPI桥接功能，它的好处是：1. MCU可以通过这个功能连接到射频前端，直接实现控制管理；2.另外一个好处是LBT的监听实现比上一代简单很多。
(2) 1302扩宽了解调通道的处理能力，原先1301的每路解调通道同一时间只能支持一个解调器工作，而1302在同一时间里，支持两个解调器在同一条通道里工作，例如，通道同时有两路信号，信号的频率相同，SF不同，1301只能正确解调其中一路，另一路信号会被丢弃，而1302则可以同时将两路信号解调成功。
1.1 常见网关设计
以 Dragino 网关为例，Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片（SX1301)，两个射频前端芯片(SX1257)，可以同时监听8路+1路LoRa信号，接收灵敏度为 -140dBm，支持LoRaWAN协议标准。
大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号
因为，LoRa网关有8个LoRa信号接收信道，这信道好比马路上的车道，如果马路有八条车道，即可以同时实现八辆车并排通行，如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道，那么，八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的，LoRa网关也如是，它只能同时接八种不同类的信号（频率和SF不同），如果同一时间有大量节点发射数据，网关的信道被占满后，会放弃其他多余的信号。
LoRa信道冲突是很常见的，所以节点发射信号要有协议规定，例如信号占空比，每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间，否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式，例如添加节点芯片，实现LBT——listen-before-talk，LBT的作用是监控信道是否被占用，在某些国家（日、韩）是强制要求网关实现这个功能的，因为这些国家面积小，人口又比较多，通信频道容易拥塞，使用LBT能提高信道效率。
网关容量的计算比较复杂，如果终端按每3分钟发射一次数据，数据长度为50B去估算，网关接纳终端的数量是900个左右。
具体要计算网关接纳终端的容量，受很多因素制约，其中至关重要的是通道多址接入控制协议，多址接入协议分类有：
1.固定多址接入，典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2.随机多址接入，靠随机数控制，典型的协议有ALOHA, CSMA。
3.基于预约的多址接入，数据发射前先进行通道预约，原理和日常预约挂号差不多。
1.2 针对LoRa的特点，提高网关容量的方法有：
载波监听（CAD），LoRa的终端节点芯片都有CAD功能，只需要监听非常短的时间（两个码元的时间，大概1~5ms），就可以判断信息是否被占用。网关的LBT就是使用了CAD功能实现的。
CAD监听会有失效的情况，当终端在网关的两端，且距离较远时，一端的节点会出现无法监听到另一端节点的信道使用情况，正常来说，失效率小于3%。相同一个信道内，BW不变情况下，可以改变SF实现多路正交数据互不干扰传输，这样一个信道就可以容纳多个节点的信号，因为SF不同，信号空中飞行时间也不同，网关到达时间就不同，网关就有空余的能力处理信号，从而扩大了网关的容量。
LoRa芯片都具有同信道抑制功能（Co-channel Rejection)，当一个信道内同时进入多路数据时（BW和SF相同，发生碰撞），芯片具有正确解调其中一路的能力，没被解调的信号会消失。
LoRa私有协议的数据强度差距会比较明显，信道发生碰撞时，能正确解调出一路的概率大于60%；而LoRaWan协议中，由于使用了ADR，各路信号强度差距不大，信道发生碰撞时，正确解调出一路的概率约为40%。
1.3 LoRaWAN网络信道
LoRaWAN一般有8路信道，每路信道是相互独立的，我们只要分析其中一路信道，计算其容量，再乘以8就可以计算出网关的容量。
以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析，首先，需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具（计算公式）计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率，并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间，然后进行加权平均和数据处理。
处理方法如下：
(1) 将一段时间内，例如1周内，所有的LoRaWAN节点上行数据包采集下来，记录总的数据包个数 Nsf-total, 所有数据飞行时长加权统计 。
将所有节点看成相同节点，其平均飞行时间 及频次 为
(2) 信道容量推导
根据多址接入协议CSMA的标准推导，此时已知单信道信号发射频次（ ）和平均飞行时间（ ），物联网应用对延迟要求普遍不高，网络负载G(单位时间内发送的信号总数）设为平均飞行时间的3倍，假设为G=3， 则吞吐量S（单位时间内成功发送的信号总数）= 0.72（经验估算值），选择吞吐量的一半 S=0.36计算网关单信道容纳节点数量： , 这是网关单信道的容纳节点数公式，将上述公式乘以8就是8信道网关的节点容纳数。
经过一些应用统计，数据因应用相异，例如：智慧社区应用， 约等于 250ms， 每周1~2次，针对这样的应用，网关可以容纳 个节点数量。
很明显LoRa的网关容量是足够大的，物联网节点设备每天的发包率大多数都很低，一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万（粗略估算)条上行数据，计算公式： 。
如果考虑下行数据，上行的数据包总量会有所减少，大概会减少 20%~50%的上行数据容量。
如果使用Dragino的新款网关LIG16（SX1302方案），上述数据容量会明显增大，1302的信道的吞吐量要比1301大倍。
基本上，LoRaWAN网络的信道容量是足够的，网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。
2.LoRa节点制约分析
2.1 节点芯片介绍
LoRa节点芯片亦发展到了第二代，第一代为SX127X系列，第二代为SX126X系列，新产品性能必须要比旧产品性能好，SX126X对比旧版的优势有：
- 可以连续覆盖频率，范围为：150~960MHz
- 增加30%的工作距离
- 增加60%的输出功率
- 节省32%的发射电流
- 增加3倍休眠电流（这是缺点）
- 支持 SF5
- 降低开发难度
2.2 关键制约
- 保持足够的供电电压，输出功率是线性的
- 在功率发射时的热量会传导到外围晶振，，晶振振动频率随温度升高而降低。
2.3 发热解决方案
可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。
3. LoRa信号空中飞行分析
空中飞行时间可以通过公式计算得到：
是单个码元的时间， 是数据包码元总数。
数据包长度值最小是1B，最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是，每增加1B长度的数据，其空中飞行时间不会连续增加，而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。
这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理，而交织编码器有一定的容余空间。
例如在 SF = 7 的配置下，交织器的容量是 ，其中有 是有效载荷， 发送1B~3B的数据都是用5个码元，发送4B数据时，就要10个码元数，而10个码元可以容纳56b（7B）有效载荷。
4. LoRa传输距离分析
LoRa通过无线电波传输，无线电波从发射天线发出，沿不同途径和方式到达接收天线，传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。
电波的理想路径是在真空传输，没有阻挡，舒舒服服。
在实际的应用环境中存在各种障碍物，使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式，造成距离计算的多样性和复杂性。
- 电波在空气中直射传播，虽然没有障碍物，但由于辐射能量的扩散，会有一定程度衰减。
- 反射波传播时，会有能量被反射介质吸收，造成能量衰减。
- 绕射传播时，如果波长够长，电波可以绕过障碍物继续传播。
- 散射传播时，利用非均匀介质传播，距离相对较远，保密性也好。
- 穿透传播时，产生贯穿损耗，损耗大小与波的频率和被穿透物的材质、尺寸有关。
无线电波极限距离可以用公式表达为：
假设LoRa系统的节点发射天线高度为，网关接收天线高度为 ， 在不考虑链路损失的情况下，该系统最远通信距离为 14.3 km 。
链路预算和弗里斯传输公式
弗里斯传输方程是讨论，在自由空间的一个射频发射和接收系统中，发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。
当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，设发射天线辐射功率与接收天线的最佳接收功率的比值为， 得公式：
D=1时，无方向性发射天线的功率密度：
D=1时，无方向性接收天线的接收面积：
(为波长m）
该天线的接收功率为：
于是自由空间传播损耗为：
当电波频率提高一倍或距离增加一倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB 。
如果考虑天线增益影响，发射天线增益系数为， 接收天线为，可以导出公式：
这就是弗里斯传输公式，它还有很多变形，利用公式可计算收发设备间的最远工作距离。
电磁波传播过程中存在额外衰减，定义为衰减因子：
其中E为实际情况下接收点的场强；为自由空间传播的场强。
相应的衰减损耗为：
A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。
基本传输损耗：
式中， 为路径损耗；为自由空间传播损耗；为衰减损耗。
在路径传输损耗为客观存在的前提下，降低链路传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。
链路预算
链路预算用来估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。
一个系统中链路预算等于其发射机的最大输出功率与接收机最高灵敏度的差值，用dB表示。当系统的链路预算大于路径损耗时，可以实现通信。
接收信号强度（RSSI）常用 表示， 用来判断链接质量，其表达式为：
（RSSI 等于 发射功率减去损耗）
理论上两颗简单的SX1262芯片就可以实现地球和月球之间的无线通信。
实际应用可以通过增大发射功率或者改善天线架设环境等措施去增加无线传输距离。
总结
LoRa技术的性能大体讨论到这里，更高深的知识还待去学习更新。