LoRa技術是一種擴頻調制技術,也稱為 Chirp 調制(注:Chirp 這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點,對于信號處理來講也可稱作掃頻),這種調制技術是 Semtech 公司獨的IP(知識產權)。擴頻技術是一種用帶寬換取靈敏度的技術,Wi-Fi ZigBee 等技術都使了擴頻技術,但是LoRa 調制的特點是可以最大效率地提高靈敏度,以至于接近香農定理的極限。尤其是在低速率通信系統中,打破了傳統的 FSK 窄帶系統的實施極限。

LoRa 調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，而傳統的FSK 技術很難工作在超窄帶環境,無法實現超低速率工作。在相同的通信速率下,LoRa比 FSK 靈敏度好8~12dBm,這是由兩種技術的調制解調性決定的，LoRa調制的靈敏度已經靠近了香農定理的極限了。可以說LoRa 生態最重要的是LoRa調制技術。由于LoRa調制技術在物理層有巨大的優勢,才使 LoRa 可以在短短幾年時間內成為全球LPWAN事實標準。

LoRa 技術有如下優點

1、遠距離

LoRa的字面意思是遠距離(Long Rang),那么到底 LoRa能傳多遠?現在已經有很多家衛星公司把LoRa發射到了近地衛星上，一般近地衛星離地面600~1600km。2019年1月底的TTN(The Things Network)大會上,lacuna Space的CTO Thomas Telkamp帶來了衛星物聯網的分享和現場演示Using gateways on satellites to conneer your existing LoRaWAN devices anywhere in the world(使用衛星基連接全球任意位置的LoRaWAN設備)。TTN與Lacuna在大會期間從Space Norway、Norwegian 航天中心那邊借來了Norsat-2衛星。當這顆衛星從會議室上空飛過時，衛星會向地球發送LoRa消息。在會議大樓以及荷蘭臺夫特理工大學的屋頂上都使用Setech標準芯片搭建了接收節點，當衛星經過，會立刻傳回消息,再通過現場布置的一臺 60 年高齡的電報機打出消息。LoRa傳感器可以放置在地球的任意角落(室外無頂部遮擋)，都可以將數據傳輸到衛星上,并通過地面接收站,最終數據進人互聯網和服務器中。

這里需要強調的是，在LoRa 的衛星應用中所有 LoRa 的硬件設備都使用 Semtech標準芯片搭建,與傳統 LoRa 地面的應用中使用的芯片完全相同,且衛星的天線和功率也都和普通的 LoRa 應用完全相同。LoRa 衛星物聯網就是利用了 LoRa 生態中現有的大量低成本傳感終端設備,以及非授權頻段的廣泛使用,當然衛星應用中最重要的還是 LoRa 那超遠的工作距離。鏈路預算中最重要的參數為接收靈敏度,LoRa 的最高靈敏度可達-149.dBm,而藍牙、ZigBee 等無線技術的靈敏度為-100dBm 左右。LoRa 靈敏度比它們好 50dB。也就是說,LoRa 可以解調的信號強度是藍牙、ZigBee 的十萬分之一。LoRa 的超高靈敏度來自調制本身,不依賴于窄帶(Sigfox 使用超窄帶技術)也不依賴于重傳(NB-IOT 使用重傳技術),也不依賴于編碼冗余。

2、抗干擾能力強

LoRa能夠實現遠距離傳輸,除了靈敏度優勢外，還有一個非常重要的因素是超強的抗干擾能力。LoRa具有低于噪聲 20dB 依然可以通信的極限抗干擾技術，這是現有傳統通信傳技術都不具備的。

如圖所示,LoRa可以在噪聲之下20dB 正常解調信號，而FSK理論上需要上需要在噪聲8dB才能保證解調。當通信過程中遇到外界電磁信號干擾時,LoRa可以繼續穩定通信,而傳統的無線技術則無法通信。所以在一些信道于擾比較嚴重的區域，客戶都會選擇LoRa技術作為穩定通信的核心技術。

此外,LoRa針對更強的突發性的隨機干擾也有非常好的應對能力。如果面對突發長度小于二分之一LoRa 的符號長度或于擾占空比<50%的強干抗漲,LoRa依然可以穩定解調,且保證其靈敏度惡化＜3dB。

LoRa 調制之所以有這么強的抗干擾能力，主要是因為 Chirp 調制在相千解調的時候可以把在噪聲之下有用的 LoRa 信號聚集在一起,而噪聲在相千解調后還是噪聲。

3、低功耗

LoRa 技術最主要的應用是物聯網,而物聯網對于終端設備的使用壽命的要求非常高，在傳統的電池供電下,許多應用都有 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，這就要求 LoRa 技術在應用時具有超低的功耗。超低功耗的實現主要由兩方面決定，一方面芯片的硬件要具備低功耗;另一方面應用協議也要具備低功耗。LoRa 調制具有不依賴于窄帶、重傳、編碼冗余的特點。因此,LoRa 調制是一種非常高效的調制方式,工作電流非常低,其靜態電1pA;接收電流不到 5mA;發射功率為17dBm時電流只有45mA。LoRaWAN 協議是 LoRa 全球推廣的標準協議,具有輕量級智能化的優點。LoRaWAN節點與網關通信簡單,開銷少;網絡服務器可以根據信號質量,動態調整節點速率和發射功率，以達到省電目的。圖所示為 LoRaWAN的一個數據包的發送與 NB-IOT 的一個數據包的發送對比示意圖。從圖中可以看出,LoRa 的數據包非常簡單,而 NB-IOT 由于其自身運營商特性以及從 LTE 的精簡協議的原因,需要發送和接收大量的握手數據,即使在發射功率相同的情況下,由于通信時長的加長。NB-IoT的這個數據包的耗電量要到LoRa的 3倍。而事實上NB-IoT的發射功耗一般比LoRa 的發射功耗大3倍。

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

4、大容量

LoRa 具有工作距離遠覆蓋范圍大的特點，但是如果其容量小，覆蓋范圍大會成為劣勢。LoRa 容量的大小至關重要,可以通過 Wi-Fi 的容量來類比:如果用戶所處區Wi-Fi設備特別多,就會存在設備掉線或網絡不穩定等問題。可以把 LoRa 看成一個“Wi-Fi”。同理 LoRa 也會遇到網絡容量的問題,下面對 LoRaWAN 協議網絡進行分析LoRaWAN 的網絡容量決定因素很多,主要與以下幾個參數相關:

① 節點的發包頻次；

② 數據包的長度；

③ 信號質量及節點的速率；

④ 可用信道數量基站/網關的密度；

⑤ 信令開銷；

⑥ 重傳次數

LoRaWAN協議中具有根據終端節點狀況進行調節的能力，叫作自適應速度選Adaptive Data Rate,ADR),如圖所示,ADR 可以根據點與網關的距離和信號情況調整其通信速度及發射功率等參數、還可以調整節點的跳頻頻率實現更大的接人量和減少碰撞。當遇到極限精況可以直接擴展更多信道或采用多網關覆蓋解決。

LoRawAN協議的大容量是部署廣域網的構必要條件.廣域網為為去碎片化提供了有為支力支撐。網絡容量的計算和覆蓋的優化非常重要。

5、按需部署，獨立組網

LoRa就是一個“長 Wi-Fi”技術,其部署特點與Wi-Fi非常相似。LoRa部署方便且可以獨立組網,哪里有需要就在哪里建網,類比于哪里需要Wi-Fi信號哪里就放置一個 Wi-Fi路由器一樣。

LoRa 的部署過程也很簡單,只要選擇一個網關部署位置,連接網線和電源線即可。在沒有網線連接的地方可以利用運營商的4G 網絡或者本地的 Wi-Fi無線網絡完成 LoRa網絡部署。在實際的物聯網應用中,有許多環境非常惡劣的場景,運營商的蜂窩網信號很難覆蓋或根本沒有信號。當這些場景有物聯網需求時,可以根據具體的需求進行 LoRa 網絡架設，如密集的居民樓、井蓋內或復雜的地下管道。由于LoRa 的超遠距離,強抗干擾能力,網關部署簡單等特點,LoRa 的部署方式對比運營商的網絡部署要靈活得多,運營商的網絡如果做全覆蓋,由于覆蓋范圍小,成本高,在許多地方勢必會出現大量的浪費。

LoRa 網絡在按需部署的項目中，具有以下特點：

① 按需部署：根據應用需要,規劃和部署網絡: 根據現場壞統,針對終端位置合理部署基站

② 靈活性和便利性：網絡的擴展十分簡單:根據節點規模的變化，隨時對覆蓋進行增強或擴展。

③ 滿足安全需求：技術上，公網和專網都完全可行；滿足數據私密性要求。

④ 節省成本：按需部署需要基站數量少；免于支付月租。

在實際應用中,客戶對于組網有大量的需求,LoRa 獨立組網有如下特點：

① 私人網絡部署：個人、企業或機構可部署私有網、企業網或行業網，,與 Wi-Fi 部署場景基本一致。

② 方案價值高：大多數物聯網應用都是區城性的小規模局域網即可解決問題。區域性的局域網絡是公網有效且必要的補充。

③ 方案價值高：用戶的方案可覆蓋云、管、端整個鏈條；整體方案的價值遠遠大于終端和基礎設施的價值。

④ 廣域網和私網共同發展趨勢，解決碎片化；省去基礎設施的投資；解決了運營商運署和維護低效網絡的麻煩。

6、輕量級，低成本

一個項目能否成功，成本是非常關鍵的因素。再好的技術如果沒有合理的價格合適無法打開市場的。LoRa 技術是一個輕量級的技術,LoRaWAN 協議也是一個輕量級的物聯網通信協議。LoRa 硬件在設計之初就充分考慮到了物聯網市場對成本的苛刻要求以及整體部署的要求。總結LoRa 的成本特點:

① 硬件簡單：模塊不需要TCXO、SAW 濾波器和外置(高線性度)PA；LoRaWAN輕量級協議,實現簡單,對資源要求低。

② 許可認證：沒有專利和人網許可等成本。

③ 部署實施簡單：基站輕量級,相當于路由器;無須直放站,部署十分簡單。

④ 低成本：LoRaWAN 模塊量產價格已經達到 3 美元并逐漸接近 2G 模塊價格；網關根據工作溫度范圍和外殼防塵、防水、防雷等級別不同,價格從幾百到幾千元人幣,遠遠低于 NB-IoT、eMTC 等其他物聯網無線技術基站，且因為 LoRa 傳輸距離遠，需要基站數量少。

7、抗頻偏

① LoRa 抗多徑效應

LoRa 使用擴頻技術,提供了抗多徑和衰落的能力,使其非常適合在城市和郊區環境使用。

圖所示為實際測試案例。在野外山體滑坡監控項目中,傳輸點之間存在非常多的無線可達路徑,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微秒的時延。

處在A處的網關,收到的 LoRa 信號如圖所示,信號由于多徑疊加，波形嚴重失真。經測試，在上述環境中LoRa依然可以保持穩定傳輸，且丟包率＜1%。

在高樓林立的大城市中,多徑效應會更明顯,尤其在遠距離無線通信時更為明顯。擴頻技術是對抗多徑效應最有效的手段,LoRa 技術采用擴頻技術解決了此棘手問題。

② LoRa 抗多普勒效應

移動的物體會帶來多普勒頻移,而頻率的移動對無線接收機提出了很大的挑戰。尤其是我國的高鐵開通后,其 350km/h 的時速對于 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無線通信系統中需要考慮的重要因素,對比常用的蜂窩網技術，GSM 制式標準允許的中心頻率偏差為±300Hz(高鐵 350km/h 下頻偏為士300Hz);WCDMA 制式標準允許的中心頻率偏差為±800Hz。

但是對于LoRa 接收機,多普勒頻移導致 LoRa 脈沖中的小頻移,在基帶信號的時間軸中引入相對可忽略的頻移。LoRa 有較好的抗多普勒特性,是高速移動狀態下穩定通信的優選物聯網技術。

LoRaWAN協議中,對終端設備的工作頻率偏移要求為小于 50X10-6,當工作主頻為490MHz時,協議允許的最大頻率偏移為 24.5kHz。對比常用的蜂窩網技術,有著巨大的優勢。在高速移動物體中的應用完全不需要考慮這些問題。

③ LoRa的定位和測距

LoRa 的一個固有特性是能夠線性區分頻率和時間誤差。LoRa 是雷達應用的理想調制方式,因此非常適合于測距和實時定位服務等應用。LoRa 定位的特點是其他遠距離無線通信技術所不具備的。

參考文獻：《LoRa物聯網通信技術》甘泉

審核編輯 黃宇