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:

image-20210108125136170
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,

results matching ""

    No results matching ""