LoRa无线技术的优缺点解析

LoRa作为工业物联网的基础技术，其应用广泛，聚英电子也基于LoRa技术研发了多款设备，关于LoRa无线技术的优缺点，有一定认知。

　　一、LoRa定义

　　LoRa是一种基于扩频技术的长距离无线传输技术，实际上是众多LPWAN通信技术之一，首先由美国的Semtech采用和推广。该解决方案为用户提供了一种实现远距离、低功耗无线通信的简单手段。目前LoRa主要工作在ISM频段，主要包括433、868、915MHz等。

　　LoRa是用于建立长距离通信链路的物理层或无线调制。许多传统的无线系统使用频移键控(FSK)调制作为物理层，是一种非常有效调制，可实现低功耗。LoRa基于啁啾扩频调制，保持了与FSK调制相同的低功耗特性，但显著增加了通信距离。几十年来，线性扩频因其能够实现长通信距离和抗干扰能力而被用于军事和空间通信，但LoRa是第一个用于商业用途的低成本实施方案。

　　lora无线技术的优缺点中的优势在于其在技术方面的远程能力。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方公里。在给定位置，距离很大程度上取决于环境或障碍物，但LoRa和LoRaWAN的链路预算优于任何其他标准化通信技术。链路预算，通常以分贝(dB)表示，是在给定环境中确定距离的主要因素。

　　二、LoRa网络组成

　　LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或基站)、服务器和云端组成。应用程序数据可以双向传输。

　　LoRa联盟是由Semtech于2015年3月牵头的一个开放的非营利组织。其创始成员包括法国的Actility、中国的AUGTEK和荷兰皇家电信kpn。在不到一年的时间里，联盟发展了150多家成员公司，包括IBM、思科等重量级厂商。产业链的各个环节(终端硬件厂商、芯片厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)都有大量的企业，这项技术的开放、竞争与合作，充足性促进了LoRa的快速发展和生态繁荣。

　　三、Lora网络架构及原理

　　在网状网络中，各个终端节点转发来自其他节点的信息，以增加网络的通信距离和网络区域的大小。虽然这增加了范围，但它也增加了复杂性，降低了网络容量，并缩短了电池寿命，因为节点接收并转发来自其他节点的可能与它们无关的信息。在实现长距离连接时，长距离行星架构最适合保持电池寿命。

　　在LoRaWAN网络中，节点不与专用网关相关联。相反，一个节点传输的数据通常由多个网关接收。每个网关通过一些回程(蜂窝、以太网等)将从终端节点接收到的数据包转发到基于云的网络服务器。智能和复杂性置于服务器上，管理网络并过滤多余的接收数据，执行安全检查，通过最佳网关安排确认，并执行自适应数据速率等。

　　四、优缺点介绍

　　LoRaWAN是LoRa联盟发布的基于开源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本地、国家或全球网络通信协议。

　　LoRaWAN定义了网络的通信协议和系统架构，LoRa物理层实现了远距离通信链路。LoRaWAN自下而上设计，针对电池寿命、容量、距离和成本优化了LPWAN(低功耗广域网)。给出了不同地区的LoRaWAN规范概述，以及在LPWAN领域竞争的不同技术的高级比较。

　　五、LoRaWAN网络拓扑

　　LoRaWAN网络是一个典型的Mesh网络拓扑，在这种网络架构中，LoRa网关负责数据聚合，连接终端设备和后端云数据服务器。TCP/IP网络连接在网关和服务器之间。所有节点和网关都是双向通信的。考虑到电池供电的场合，终端节点一般处于休眠状态。当有数据要发送时唤醒，发送数据。

　　因此，使用LoRa技术，以较低的发射功率，获得更长的传输距离。这种低功耗广域技术正是大规模部署无线传感器网络所需要的。

　　六、lora无线技术优缺点

　　一般来说，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感器网络特性的三个主要参数。传输速率的选择会影响系统的传输距离和电池寿命;工作频段的选择应兼顾频段和系统的设计目标;在FSK系统中，网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统所需节点决定的。LoRa结合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，具有前所未有的性能。以前，只有高级工业无线电通信才会采用这些技术，但随着LoRa的引入，嵌入式无线通信的格局发生了巨大变化。

　　前向纠错编码技术在待传输的数据序列中加入了一些冗余信息，使得在数据传输过程中注入的错误符号在接收端得到及时纠正。这种技术减少了为重传创建“自我修复”数据包的需要，并且适用于由多径衰落引起的突发错误。一旦数据包被分组并注入前向纠错编码以提高可靠性，数据包就会被发送到数字扩频调制器。该调制器将数据包中的每个位馈送到“扩展器”中，该“扩展器”将每个位时间划分为多个码片。

　　即使噪音很大，LoRa也能从容应对LoRa调制解调器。配置后可划分范围为64-4096码片/bit，最大可使用4096码以码片/比特为单位的最高扩频因子。

　　通过使用高扩频因子，LoRa技术可以在很宽的无线电频谱范围内传输少量数据。实际上，通过频谱分析仪测量时，数据看起来像噪声，但不同的是，噪声是不相关的，而数据是相关的，在此基础上，实际上可以从噪声中提取数据。扩频因子越高，可以从噪声中提取的数据越多。在功能良好的GFSK接收器中，需要8dB的最小信噪比(SNR)才能可靠地解调信号。通过配置AngelBlocks，LoRa可以解调信噪比为-20dB的信号。GFSK方法与此类似，结果差距为28dB，对应的范围和距离要宽得多。在室外环境下，6dB的差异可以达到原来两倍的传输距离。

　　超强的链路预算，让信号飞得更远为了有效比较不同技术之间传输范围的性能，我们使用了一个量化指标，叫做“链路预算”。链路预算包括影响接收器信号强度的每个变量，在其简化方案中包括发射功率和接收器灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW(20dBm)，接收灵敏度为-129dBm，总链路预算为149dB。相比之下，灵敏度为-110dBm(这已经是优秀数据了)的GFSK无线技术需要5W的功率(37dBm)才能达到同样的链路预算值。在实践中，大多数GFSK无线技术的接收器灵敏度可以达到-103dBm。在这种情况下，发射器频率必须为46dBm或大约36W，才能实现类似于LoRa的链路预算。因此，使用LoRa技术，我们可以在低发射功率的情况下获得更宽的传输范围和距离，而这种低功率广域技术正是我们所需要的。

　　七、关于LPWAN

　　低功耗广域网(LPWAN)是物联网不可或缺的一部分。具有功耗低、覆盖广、穿透力强等特点。它适用于每隔几分钟发送和接收少量。数据的应用，如水运定位、路灯监控、车位监控等。LPWAN相关组织LoRa联盟目前在全球拥有145个成员，其繁茂的生态使设备能够遵循LoRaWAN协议具有很强的互操作性。

　　LoRaWAN标准的通信网关，可以接入5到10公里范围内的上万个无线传感器节点，效率远高于传统的点对点轮询通信方式，也可以大大减少节点通信。