LoRa技术

LoRa简介

无线技术可组成局域网，例如熟悉的WiFi，蓝牙、Zigbee等，也可组成广域网的无线技术主要有4G/5g等。它们优缺点也很明显，功耗高或传输距离短，当采用低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）技术之后，最大程度在低能耗下进行长距离的通讯。

LoRa 为 Long Range 的缩写，是LPWAN通信技术之一，是美国Semtech专有的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。这一技术为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，不需申请许可的次GHz射频频段，使用1 GHz以下的频带提供低功率和远程无线通信，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz及923 MHz。

LoRa网络构成

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。LoRa使用星型结构来实现长距离连接稳定性并确保节点电池寿命。

LoRaWAN协议

LoRaWAN是LoRa联盟推出的一个基于开源MAC层协议的低功耗广域网通信协议。主要为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络通信协议。

LoRaWAN为LPWAN网络定义了通信协议和系统架构，LoRa物理层负责长距离通信。通信协议和网络体系结构对节点电池寿命，网络功能，服务质量，安全性和应用程序多样性具有重大影响。

LoRaWAN网络拓扑

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。通过调整扩展因子，编码率和带宽，它支持多数据速率。

LoRa和LoRaWAN

LoRaWAN是在LoRa物理层传输技术基础之上的以MAC层为主的一套协议标准。LoRa是基于CSS(ChirpSpread Spectrum)的物理层，LoRaWAN是基于LoRa的数据链路层，它在网关和终端设备之间提供星形拓扑网络。

LoRa调制解调技术

LoRa 调制解调技术（下面简称 LoRa）采用专有的调制和解调程序，将扩频调制与循环纠错编码技术结合起来，与传统的调制技术（FSK 或 OOK）相比，这种技术扩大了无线通讯链路的覆盖范围，提高了链路的鲁棒性。

扩频因子：

LoRa 扩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。负信噪比条件下信号也能正常接收，提高了的灵敏度、链路预算及覆盖范围。但是不同扩频因子之间为正交关系，因此发送端和接收端的扩频因子必须一致。

扩频因子（RegModulationCfg）	码片/符号	LoRa解调器信噪比
6	64	-5dB
7	128	-7.5dB
8	256	-10dB
9	512	-12.5dB
10	1024	-15dB
11	2048	-17.5dB
12	4096	-20dB

由上表可以看出当扩频因子为 12 时在-20dB 还能收到数据包，说明扩频因子越大灵敏度越高，发送速度越慢。

编码率：

LoRa 采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错，但会产生传输开销。每次传输产生的数据开销如下：

编码率（RegTxCfg1)	循环编码率	开销比率
1	4/5	1.25
2	4/6	1.5
3	4/7	1.75
4	4/8	2

编码率越大前向纠错越强，链路抗干扰性越强，但是传输开销将会加大，进而加大传输时间。

信号带宽：

由信号频谱图可以观察到一个信号所包含的频率成分。把一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。信号的频率变化范围越大，信号的带宽就越宽。

带宽（kHz）	扩频因子	编码率	标称比特率（bps）
7.8	12	4/5	18
10.4	12	4/5	24
15.6	12	4/5	37
20.8	12	4/5	49
31.2	12	4/5	73
41.7	12	4/5	98
62.5	12	4/5	146
125	12	4/5	293
250	12	4/5	586
500	12	4/5	1172

表可以看出增加信号带宽，发送标称比特率越大，说明增加信号带宽可以有效提高数据速率以缩短传输时间，但会有弊端将会降低接收灵敏度，缩短传输距离。

LoRa物理层帧结构

LoRa Packet 格式：

图 1.4.6.1 – image-20210108125136170

preamble 前导码

用于数据流同步。Preamble长度为8个Symbol。

Header 报头

可设置报头类型：显示报头、隐式报头

根据所选择的操作模式，可以选用两种报头。在 RegModemConfig1 寄存器上，通过设定ImplicitHeaderModeOn 位选择报头类型。

显式报头模式：显式报头模式是默认的操作模式。在这种模式下，报头包含有效负载的相关信息，包括：
1. 以字节数表示的有效负载长度；
2. 前向纠错码率；
3. 是否打开可选的 16 位负载 CRC。
  报头按照最大纠错码（4/8）发送。另外，报头还包含自己的 CRC，使接收机可以丢弃无效的报头。
隐式报头模式：

在特定情况下，如果有效负载长度、编码率及 CRC 为固定或已知，则比较有效的做法是通过调用隐式报头模式来缩短发送时间。这种情况下，需要手动设置无线链路两端的有效负载长度、错误编码率及 CRC。注意：如果将扩频因子 SF 设定为 6，则只能使用隐式报头模式，