1. LoRa 基础知识
1.1 什么是 LoRa
LoRa 全称是 Long Range,既远距离的意思,由 semtech 公司研发并推广的一种低功耗局域网无线标准,特点是在相同的功耗下比其它无线方式传播的距离更远,实现了低功耗和远距离的统一,在同样的功耗下比传统的无线通信射频通信距离扩大 3-5 倍。
1.2 LoRa 与其它无线技术对比
LoRa | NB-IOT | Zigbee | WIFI | BLE | |
---|---|---|---|---|---|
组网方式 | 基于 LoRa 网关 | 基于蜂窝网 | 基于 Zigbee 网关 | 基于无线路由器 | 基于 Mesh 网关 |
部署方式 | 节点 + 网关 | 节点 | 节点 + 网关 | 节点 + 路由器 | 节点 |
传输距离 | 远距离 城镇:2-5KM 郊区: up to 15KM |
远距离 一般 10KM 以上 |
短距离 10-100M |
短距离| 50M |
短距离 10-100M |
单网节点容量 | 约 6 万,实际受网关信道数量,节点发包频率,数据包大小约束,一般有 5000左右节点 | 约 20 万 | 理论 6 万,受实际网络限制,一般 200-500个 | 约 50个 | 理论 6 万个,一般有 2000 个左右 |
电池续航 | 理论约 10 年/AA电池 | 理论约 10 年/AA电池 | 理论约 2 年/AA电池 | 数小时 | 理论约 2 年/AA电池 |
成本 | 模块约 5$ | 模块约 5-10$ | 模块约 1-2$ | 模块约 7-8$ | 模块约 <1$ |
频段 | Sub-GHz(433,490,780,915MHz …) | 授权频段,运营商频段 | ISM 2.4GHz | ISM 2.4GHz 和 5GHz (授权频段) | ISM 2.4GHz |
传输速度 | 0.3-50kbps | 理论 160k-250kbps,一般小于 100kbps | 理论 250kbps,一般小于 100kbps | 2.4G: 1-11M 5G: 1-500M |
1M-2M |
网络延时 | 依赖于频率,扩频因子,编码率等 | 6-10s | <1s | <1s | <1s |
适合领域 | LPWAN 智慧路灯 智慧建筑 智慧农业 … |
LPWAN 智慧城市 智能抄表 … |
智能家居 小范围传感器 室内覆盖 |
常用于室内场景 | 智能家居 智慧楼宇 室内覆盖 |
1.3 LoRa 的优势和劣势
- 优势:
- 通讯距离远,+22dBm 功率放大器和超过-148dBm 的高灵敏度使得 LoRa 可以在复杂的环境中通信。
- 150–960MHz 的频率范围加上 5到 12 的扩频因子可以相互组合成互不干扰的多信道通信。
- 低功耗,小于 120mA 的发射电流和小于 10mA 的接收电流可以保证同样电池下待机更久。
- 劣势:
- 在高扩频因子下发射速率慢,例如扩频因子 11 带宽 250k 发射 100 字节大约需要 1 秒。
- 在高扩频因子下由于发射速率慢,所以发射时间长,耗能更多;占用信道时间长,增加冲突的可能性。
2. LoRa 帧结构
LoRa 帧分为两种,分别为固定长度和可变长度。区别在于固定长度的帧则不存在 Header 域。
3. LoRa 常用公式
-
符号速率 (发送信号为恒包络信号,每赫兹每秒发送一个码片)
Rs = BW / (2^SF) Rs:符号速率; BW:带宽;SF:扩频因子
-
传输时间
ToA = ( (2^SF) / BW ) * Nsymbol SF:扩频因子;BW:带宽;ToA:空中传输时间,单位为毫秒;Nsymbol:符号数
不同的调制参数,符号数计算的方式也不同。
4. LoRa 带宽
增加信号带宽可以使用更高的数据速率,因此会减少传输时间,代价是降低了接收灵敏度。LoRa 调制解调器工作在中心频率的一个可编程的带宽中。
LoRa 带宽支持以下设置:
5. LoRa 收发数据缓冲区 (双向 FIFO)
LoRa 内部的收发缓冲区大小为 256 字节,如果设备工作在半双工模式下,则可以收发独占 256 字节;如果工作在全双工模式,则收发共享 256 字节(一般做法是各自占 128 字节)。
6. SPI 时序图 (LoRa 端为 Slave, SPI_Mode=0x00)
7. 注意事项
7.1 活动信道检测 (CAD)
CAD 模式下接收机周期性检测信道中的前导码,如果发现前导码则唤醒进入接收模式,CAD 的周期应短于前导码发射时长,发送者前导码发送的越短接收机越要频繁的检测,要想降低检测频率则需要发送很长的前导码,需要根据应用场景权衡。
7.2 组网
LoRa 一般为星型网络连接,为了增加网络容量和改善通信质量,一般会吧一个网关下属的节点分配为多个频率或多个扩频因子,sx126x 和 sx127x 同一时间只能监测一个信道,有网关专用芯片 sx1301,可以同时监控 8 个频率下的 6 个扩频因子,相当于同时监控 48 个信道,但是价格昂贵。在智能家居场景下网关可以采用两个 sx126x 来替代,通过将数据帧根据上下行,根据功能和重要程度区分为多个信道,结合 RTS (request to send) -CTS (Clear to send) 机制可以避免拥塞,具体策略可以根据需求再详细定。
8. 应用场景
远距离大数量:
密集建筑环境要覆盖多栋,或空旷环境下千米级的情况属于远距离,一个网关下属节点超过200属于大数量,如能耗集抄,智慧农业,调光路灯。这种条件下应尽量采用轮询的方式,码分多址和频分多址的方式来避免相互干扰,这是对信道利用率最高的方式,但实时性不高。
近距离大数量:
可视见或在普通建筑内同一层属于近距离,Semtech 针对室内应用场景也在 sx126x 中新增了扩频因子5和6,具有较高的通信速率,通信速率较高的话,监听避让和 RTS-CTS 机制也较为有效,数量大的情况结合合理的组网策略也可以满足应用要求。
远距离小数量:
一般有些工业场景如油田,电站会有这种场景,数据量不大,但是很分散,这种场景一般不考虑产品美观小巧,选用高增益天线,调整馈线阻抗匹配,高扩频因子低编码率来适应场景。
9. LoRa 常用缩写
缩写 | 全称 | 含义 |
---|---|---|
ACR | Adjacent Channel Rejection | 邻道拟制 |
β | Modulation Index | 调制指数 |
BER | Bit Error Rate | 误码率 |
BR | Bit Rate | 比特率 |
BT | Bandwidth-Time bit period product | – |
BW | BandWidth | 带宽 |
CAD | Channel Activitiy Detection | 信道活动检测 |
CPOL | Clock Polarity | 时钟极性 |
CPHA | Clock Phase | 时钟相位 |
CR | Coding Rate | 编码率 |
CW | Continuous Wave | 连续波 |
POR | Power On Reset | 上电复位 |
DIO | Digital Input / Output | 数字 IO |
DSB | Double Side Band | 双边带 |
FEC | Forward Error Correction | 前向纠错 |
FSK | Frequency Shift Keying | 频移键控 |
GFSK | Gaussian Frequency Shift Keying | 高斯频移键控 |
GMSK | Gaussian Minimum Shift Keying | 高斯最小移位键控 |
IF | Intermediate Frequencies | 中频 |
DC-DC | Direct Current to Direct Current converter | 直流-直流电压转换 |
LDO | Low-Dropout | 低压差线稳压器 |
LDRO | Low Data Rate Optimization | 低数据速率优化 |
LFSR | Linear-Feedback Shift Register | 线性移位寄存器 |
LNA | Low-Noise Amplifier | 低噪放 |
LO | Local Oscillator | 本地震荡器 |
NRZ | Non-Return-to-Zero | 不归零编码 |
OCP | Over Current Protection | 过流保护 |
PA | Power Amplifier | 功放 |
PER | Packet Error Rate | 包错误率 |
RFO | Radio Frequency Output | 射频输出 |
SF | Spreading Factor | 扩频因子 |
SNR | Signal to Noise Ratio | 信噪比 |
TCXO | Temperature-Compensated Crystal Oscillator | 温度补偿晶体振荡器 |
XOSC | Crystal Oscillator | 晶体振荡器 |
RSSI | Received Signal Strength Indicator | 接收信号强度指示器 |
ADR | Adaptive Data Rate | 自适应数据速率 |
AFA | Adaptive Frequency Agility | – |
LBT | Listen Before Talk | 对讲前监听 |
SSL | Secure Socket Layer | 安全套接字层 |
附录(一)
- LoRaWAN Specification : https://lora-alliance.org/resource-hub/lorawanr-specification-v103
- 无委会规范 :http://www.gov.cn/xinwen/2019-11/28/content_5456765.htm
转自:
https://blog.csdn.net/u013517122/article/details/105162735