LoRa频率背后的技术是什么

LoRa 采用 CSS（线性调频扩频）调制，该调制采用扩频方法作为调制技术。所谓的线性调频脉冲以符号形式发送，其 LoRa 频率随时间不断增加或减少。然后，数据传输通过这些线性调频脉冲的顺序序列实现。

特殊属性

由于 LoRa 工作在 ISM 频段（433 MHz、868 MHz 和 915 MHz），因此辐射传输功率有限。为了获得比传统调制类型更大的无线电范围，例如为了实现 FSK（频移键控），LoRa 的接收器灵敏度得到了显著提高。LoRa 接收器仍然可以成功接收和解码低于噪声水平 20 dB 的有用 LoRa 信号，这会导致接收器灵敏度最大为 -149 dBm。与最大 FSK 灵敏度约 –125 dBm 至 -130 dBm 相比，LoRa 提供了显着的改进。使用 FSK 接收器，只有当有用信号约为 –XNUMX dBm 时，才能成功解码信号。

LoRa 即使在噪声水平低于 20 dB 时仍能成功接收有用信号，因此其抗无线电干扰能力显著优于 FSK。FSK 系统只有在干扰信号至少比有用信号弱 10 dB 时才能正常工作。在最佳情况下，即使干扰信号比有用信号强 20 dB，LoRa 系统仍能接收有用信号。

限制

从上图可以看出，LoRa 接收的信号比 FSK 接收的信号弱 30 dB 左右。然而，有两个限制条件在一定程度上抵消了这种巨大的差异。

• 首先，LoRa调制比FSK调制更宽带，这意味着LoRa接收器的噪声水平通常高于FSK接收器。具体来说，带宽加倍会使噪声水平增加3 dB。
• 其次，LoRa 在 ≤ 20 kbit / s 的极低数据速率下，只能接收低于噪声水平 0.5 dB 的有用信号。一旦数据速率增加，要么负信噪比进一步增加到零，要么带宽必须进一步增加，这反过来又会增加噪声水平。

LoRa与FSK的比较测量

要真正了解 LoRa 的性能，需要直接比较 LoRa 和 FSK。为此，我们将之前使用的标准 FSK 收发器（CC1020 和 CC1101）与 LoRa/FSK 收发器 SX1261 的数据进行了比较。

根据数据手册中的信息，LoRa 的最大灵敏度比最好的 FSK 收发器 (SX24) 至少高出 1261dB。与旧款 FSK 收发器（CC1020 和 CC1101）相比，其最大灵敏度甚至高出 31 或 33 dB。由于可以假设灵敏度每提高 10 dB，无线电范围就可以翻倍，因此 LoRa 的无线电范围应该是 FSK 的 4 到 8 倍。

然而，同样值得注意的是，LoRa 的最大灵敏度是在极低的数据速率（仅为 0.02 kbit/s）下实现的。为了对不同的收发器进行直接且有意义的比较，所有收发器的灵敏度均在相同的数据速率下确定。根据 Semtech 的制造商的说法，LoRa 必须在与 FSK 相同的数据速率下实现约 7 到 10 dB 的灵敏度提升。

我们自己的测量得出以下结果：

采用 LoRa 调制的 SX1261 收发器比采用 FSK 调制的收发器灵敏度高出 4 – 6 dB。相比之下，CC1020 的灵敏度高出 8 – 11 dB，而 CC1101 的灵敏度高出 13 – 17 dB。值得注意的是，选择的数据速率越低，LoRa 的灵敏度增益就越高。

另一个视角展现了 LoRa 的节能潜力。为了达到与 FSK 相同的灵敏度，LoRa 可以使用大约 4 倍的数据速率。因此，相同的无线电报长度缩短了 4 倍，能耗也降低了 4 倍。

总结

与所有无线电收发器一样，LoRa 的最大灵敏度（-149 dBm）仅在最低数据速率下实现。LoRa 的该数据速率仅为约 0.02 kbit/s，因此在许多应用中无法使用。然而，如果能够使用如此低的数据速率，理论上可以将无线电覆盖范围提高 4 倍，相比现代 FSK 收发器。

如果将 LoRa 数据速率提升至 1.2 kBit/s 至 10 kBit/s，LoRa 的灵敏度将比现代 FSK 收发器高出约 4-6 dB。与 CC1101 或 CC1020 等老款 FSK 收发器相比，LoRa 的无线电覆盖范围甚至可以翻倍甚至三倍。

在当前 FSK 灵敏度足够的应用中，有一个有趣的节能选项。如果使用 LoRa 实现相同的灵敏度，数据速率可以比 FSK 提高 4 倍，从而能耗也可以降低 4 倍。

对我们来说，LoRa技术代表着一种极具吸引力的替代方案，适用于数据传输速率高达10 kbit/s的应用，因为与旧款收发器相比，其无线电覆盖范围可以大幅提升。我们尤其感兴趣的是其能够连接到LoRaWAN网络，这意味着物联网应用几乎可以在任何地方连接到互联网。

借助我们的 LoRa 模块“TRX433-70”，我们已为未来创新的 LoRa 项目做好了准备。

使用 LoRa 进行无线电传输

电表读数、开关命令和其他信息可以通过多种方式从集中器模块传输到路由器，然后再传输回来。如果有线传输不可行或成本过高，可以使用 LoRa 无线电传输进行远程抄表。

LoRa无线电标准

LoRa 代表长距离，即高（无线电）覆盖范围，是 UMTS 或 LTE 等已知技术的替代无线电标准。在许多国家/地区，LoRa 已成为物联网 (IoT)、机器对机器 (M2M) 通信以及工业和智慧城市应用的通信标准基础。

与其他无线电技术一样，LoRa 无线电标准使用免授权 ISM 频段（工业、科学和医疗）中的免费 LoRa 频段。在欧洲，这些频段位于 433 和 868 MHz 之间。通过使用一种特殊的无线电程序，即所谓的频率扩展，该技术几乎不受干扰。发射器和接收器之间的范围在 2 至 15 公里之间，具体取决于环境和建筑面积。由于 -137 dBm 的高灵敏度，可以实现高建筑物穿透力。无线电信号可以深入建筑物内部和地下室。尤其是在露营地，大篷车和移动房屋的金属外壳通常会削弱 WLAN 的信号强度，而 LoRa 的无线电传输则更具优势。LoRa 的数据速率在 0.3 至 50 kbit/s 之间。

LoRa的应用

LoRa主要用于需要以非常节能的方式长距离传输少量数据的应用。这些数据通常是测量值、状态信号或操作值。

WLAN、LoRa 和移动无线电之间的区别

WLAN 和移动无线电的设计初衷是传输大量数据，相对较短的传输距离是可以接受的。而 LoRa 则针对长距离少量数据传输进行了优化。下表列出了不同无线电标准之间的一些差异。

LoRaWAN （长距离广域网）

低功耗广域网 (LPWAN) 是物联网 (IoT) 和机器对机器通信 (M2M) 的网络概念。LPWAN 的特点是覆盖范围可达 50 公里，且功耗极低。实现 LPWAN 的技术方案有多种。其中一种方案来自 ETSI：ETSI GS LTN，其他名称包括 LoRaWAN、Weightless 和 RPMA（即随机相位多址接入）。

为了避免自由空间衰减对可桥接距离造成太大影响，一些提到的LPWAN概念使用433 MHz和868 MHz的ISM频段。少数概念也使用2.4 GHz的ISM频段。

例如，就 SigFox 而言，LoRaWAN（长距离广域网）在欧洲使用 868 MHz（美国 915 MHz）的 ISM 频段。可桥接距离范围在城区超过 5 公里，在城外超过 15 公里。此外，还有 2.4 GHz LoRa 频段的无线电收发器，可桥接 10 公里的范围。LoRa 传输结合了线性调频扩频 (CSS) 和软件定义无线电 (SDR)。其关键优势在于，即使信号低于噪声水平 20 dB，也能被检测到。LoRaWAN 概念支持双向通信、移动性和基于位置的服务。

终端设备连接到基站，基站又通过 TCP/IP 和 SSL 协议从主干网接收加密的信息。
为了尽可能延长终端组件的电池寿命，所有数据速率和射频输出信号均由 LoRaWAN 网络管理，并通过自适应数据速率 (ADR) 控制终端组件。终端设备分为三类：A 类设备可以双向通信，并在上行链路中具有计划传输窗口；B 类设备在下行链路中也具有计划传输窗口；C 类设备的传输窗口持续开放。LoRaWAN 技术由 LoRa 联盟标准化。

LoRaWan – 无线网络框架

LoRaWan 是一种规范，描述了无线网络的框架。它适用于数据流量较小的网络，例如传感器网络。LoRaWan（长距离广域网络）是一种所谓的 LPWAN（低功耗广域网络）协议。本文介绍了 LoRaWan 使用的频率以及可用的终端设备类别。

LoRa 频率在世界各地有所不同。然而，在启动 LoRa 设备之前，有必要获取更多信息，以便设置正确的频率。下表显示了每个国家/地区或大洲的正确频率：

LoRaWan 也采用星型拓扑结构。网关将来自终端设备的消息转发到特定的接入服务器。网关通过标准互联网连接，通过标准服务器进行连接。

双向设备
End 处理三个主要双向类：

A级

上行数据始终源自终端设备。上行消息之后是两个用于下行消息的短接收窗口。这些下行消息也可以用于确认消息以及设备参数。由于终端与网关之间的通信始终仅来自终端，因此在详细的新设备参数和终端的执行之间可能需要等待一段时间。

在实际传输时间接触之间，A类设备可以将其LoRa模块完全置于节能模式。这将改变能源效率。

Class B

B类设备，以及其他与A类故障窗口相关的设备，将作为进一步的接收窗口。B类设备通过周期性发送的信标进行同步。这些信标用于通信，其他接收窗口则在其他时间打开。这样做的损失在于延迟可以提前确定，能耗损失则作为组件数。然而，对于电池供电的应用来说，能耗仍然足够低。

C类

C类协议显著降低了下行链路的延迟，因为只要终端设备本身不发送任何消息，其接收窗口就始终处于监听状态。因此，受信任的服务器可以启动下行传输。A类和C类之间的时间转换对于电池供电的合法合约（例如“无线固件更新”）尤为重要。