LoRa頻率背後的技術是什麼

LoRa 採用 CSS（線性調頻擴頻）調製，該調變採用擴頻方法作為調變技術。所謂的線性調頻脈衝以符號形式發送，其 LoRa 頻率隨時間增加或減少。然後，資料傳輸透過這些線性調頻脈衝的順序序列實現。

特殊屬性

由於 LoRa 工作在 ISM 頻段（433 MHz、868 MHz 和 915 MHz），因此輻射傳輸功率有限。為了獲得比傳統調變類型更大的無線電範圍，例如為了實現 FSK（頻移鍵控），LoRa 的接收器靈敏度得到了顯著提高。 LoRa 接收器仍然可以成功接收和解碼低於噪音水平 20 dB 的有用 LoRa 訊號，這會導致接收器靈敏度最大為 -149 dBm。與最大 FSK 靈敏度約 –125 dBm 至 -130 dBm 相比，LoRa 提供了顯著的改善。使用 FSK 接收器，只有當有用訊號約為 –XNUMX dBm 時，才能成功解碼訊號。

LoRa 即使在雜訊水準低於 20 dB 時仍能成功接收有用訊號，因此其抗無線電幹擾能力顯著優於 FSK。 FSK 系統只有在幹擾訊號至少比有用訊號弱 10 dB 時才能正常運作。在最佳情況下，即使乾擾訊號比有用訊號強 20 dB，LoRa 系統仍能接收有用訊號。

限制

從上圖可以看出，LoRa 接收的訊號比 FSK 接收的訊號弱 30 dB 左右。然而，有兩個限制條件在一定程度上抵消了這種巨大的差異。

• 首先，LoRa調變比FSK調變更寬頻，這意味著LoRa接收器的雜訊等級通常高於FSK接收器。具體來說，頻寬加倍會使雜訊水準增加3 dB。
• 其次，LoRa 在 ≤ 20 kbit / s 的極低資料速率下，只能接收低於雜訊水準 0.5 dB 的有用訊號。一旦資料速率增加，要麼負信噪比進一步增加到零，要麼頻寬必須進一步增加，這反過來又會增加雜訊水準。

LoRa與FSK的比較測量

要真正了解 LoRa 的性能，需要直接比較 LoRa 和 FSK。為此，我們將先前使用的標準 FSK 收發器（CC1020 和 CC1101）與 LoRa/FSK 收發器 SX1261 的數據進行了比較。

根據數據手冊中的信息，LoRa 的最大靈敏度比最好的 FSK 收發器 (SX24) 高出至少 1261dB。與舊款 FSK 收發器（CC1020 和 CC1101）相比，其最大靈敏度甚至高出 31 或 33 dB。由於可以假設靈敏度每提高 10 dB，無線電範圍就可以翻倍，因此 LoRa 的無線電範圍應該是 FSK 的 4 到 8 倍。

然而，同樣值得注意的是，LoRa 的最大靈敏度是在極低的數據速率（僅為 0.02 kbit/s）下實現的。為了對不同的收發器進行直接且有意義的比較，所有收發器的靈敏度均在相同的數據速率下確定。根據 Semtech 的製造商的說法，LoRa 必須在與 FSK 相同的數據速率下實現約 7 到 10 dB 的靈敏度提升。

我們自己的測量得出以下結果：

採用 LoRa 調變的 SX1261 收發器比採用 FSK 調變的收發器靈敏度高出 4 – 6 dB。相比之下，CC1020 的靈敏度高出 8 – 11 dB，而 CC1101 的靈敏度則高出 13 – 17 dB。值得注意的是，選擇的數據速率越低，LoRa 的靈敏度增益就越高。

另一個視角展現了 LoRa 的節能潛力。為了達到與 FSK 相同的靈敏度，LoRa 可以使用大約 4 倍的資料速率。因此，相同的無線電報長度縮短了 4 倍，能耗也降低了 4 倍。

總結：

與所有無線電收發器一樣，LoRa 的最大靈敏度（-149 dBm）僅在最低資料速率下實現。 LoRa 的該資料速率僅為約 0.02 kbit/s，因此在許多應用中無法使用。然而，如果能夠使用如此低的數據速率，理論上可以將無線電覆蓋範圍提高 4 倍，相比現代 FSK 收發器。

如果將 LoRa 資料速率提升至 1.2 kBit/s 至 10 kBit/s，LoRa 的靈敏度將比現代 FSK 收發器高出約 4-6 dB。與 CC1101 或 CC1020 等舊款 FSK 收發器相比，LoRa 的無線電覆蓋範圍甚至可以增加兩倍甚至三倍。

在目前 FSK 靈敏度足夠的應用中，有一個有趣的節能選項。如果使用 LoRa 來達到相同的靈敏度，資料速率可以比 FSK 提高 4 倍，從而能耗也可以降低 4 倍。

對我們來說，LoRa技術代表著一種極具吸引力的替代方案，適用於資料傳輸速率高達10 kbit/s的應用，因為與舊款收發器相比，其無線電覆蓋範圍可以大幅提升。我們尤其感興趣的是其能夠連接到LoRaWAN網絡，這意味著物聯網應用幾乎可以在任何地方連接到互聯網。

借助我們的 LoRa 模組“TRX433-70”，我們已為未來創新的 LoRa 專案做好了準備。

使用 LoRa 進行無線電傳輸

電錶讀數、開關命令和其他資訊可以透過多種方式從集中器模組傳輸到路由器，然後再傳輸回來。如果有線傳輸不可行或成本過高，可以使用 LoRa 無線電傳輸進行遠端抄表。

LoRa無線電標準

LoRa 代表長距離，即高（無線電）覆蓋範圍，是 UMTS 或 LTE 等已知技術的替代無線電標準。在許多國家/地區，LoRa 已成為物聯網 (IoT)、機器對機器 (M2M) 通訊以及工業和智慧城市應用的通訊標準基礎。

與其他無線電技術一樣，LoRa 無線電標準使用免授權 ISM 頻段（工業、科學和醫療）中的免費 LoRa 頻段。在歐洲，這些頻段位於 433 和 868 MHz 之間。透過使用一種特殊的無線電程序，即所謂的頻率擴展，該技術幾乎不受干擾。發射器和接收器之間的範圍在 2 至 15 公里之間，取決於環境和建築面積。由於 -137 dBm 的高靈敏度，可以實現高建築物穿透力。無線電訊號可以深入建築物內部和地下室。尤其是在露營地，露營車和移動房屋的金屬外殼通常會削弱 WLAN 的訊號強度，而 LoRa 的無線電傳輸則更具優勢。 LoRa 的資料速率在 0.3 至 50 kbit/s 之間。

LoRa的應用

LoRa主要用於需要以非常節能的方式長距離傳輸少量資料的應用。這些數據通常是測量值、狀態訊號或操作值。

WLAN、LoRa 和行動無線電之間的區別

WLAN 和行動無線電的設計初衷是傳輸大量數據，相對較短的傳輸距離是可以接受的。而 LoRa 則針對長距離少量資料傳輸進行了最佳化。下表列出了不同無線電標準之間的一些差異。

廣域網 （長距離廣域網路）

低功耗廣域網路 (LPWAN) 是物聯網 (IoT) 和機器對機器通訊 (M2M) 的網路概念。 LPWAN 的特點是覆蓋範圍可達 50 公里，且功耗極低。實現 LPWAN 的技術方案有多種。其中一個方案來自 ETSI：ETSI GS LTN，其他名稱包括 LoRaWAN、Weightless 和 RPMA（即隨機相位多址存取）。

為了避免自由空間衰減對可橋接距離造成太大影響，一些提到的LPWAN概念使用433 MHz和868 MHz的ISM頻段。少數概念也使用2.4 GHz的ISM頻段。

例如，就 SigFox 而言，LoRaWAN（長距離廣域網路）在歐洲使用 868 MHz（美國 915 MHz）的 ISM 頻段。可橋接距離範圍在城區超過 5 公里，城外超過 15 公里。此外，還有 2.4 GHz LoRa 頻段的無線電收發器，可橋接 10 公里的範圍。 LoRa 傳輸結合了線性調頻擴頻 (CSS) 和軟體定義無線電 (SDR)。其關鍵優勢在於，即使訊號低於噪音水準 20 dB，也能被偵測到。 LoRaWAN 概念支援雙向通訊、移動性和基於位置的服務。

終端設備連接到基地台，而基地台又透過 TCP/IP 和 SSL 協定從主幹網路接收加密的訊息。
為了盡可能延長終端組件的電池壽命，所有資料速率和射頻輸出訊號均由 LoRaWAN 網路管理，並透過自適應資料速率 (ADR) 控制終端組件。終端設備分為三類：A 類設備可以雙向通信，並在上行鏈路中具有計劃傳輸窗口；B 類設備在下行鏈路中也具有計劃傳輸窗口；C 類設備的傳輸窗口持續開放。 LoRaWAN 技術由 LoRa 聯盟標準化。

LoRaWan – 無線網路框架

LoRaWan 是一種規範，描述了無線網路的框架。它適用於數據流量較小的網絡，例如感測器網路。 LoRaWan（長距離廣域網路）是一種所謂的 LPWAN（低功耗廣域網路）協定。本文介紹了 LoRaWan 使用的頻率以及可用的終端設備類別。

LoRa 頻率在世界各地有所不同。然而，在啟動 LoRa 設備之前，有必要獲取更多信息，以便設定正確的頻率。下表顯示了每個國家或大洲的正確頻率：

LoRaWan 也採用星型拓樸結構。網關將來自終端設備的訊息轉送到特定的接取伺服器。網關透過標準互聯網連接，透過標準伺服器進行連接。

雙向設備
End 處理三個主要雙向類別：

A類

上行資料始終源自終端設備。上行訊息之後是兩個用於下行訊息的短接收視窗。這些下行訊息也可以用於確認訊息以及設備參數。由於終端與網關之間的通訊始終僅來自終端，因此在詳細的新設備參數和終端的執行之間可能需要等待一段時間。

在實際傳輸時間接觸之間，A類設備可以將其LoRa模組完全置於節能模式。這將改變能源效率。

B類

B類設備，以及其他與A類故障視窗相關的設備，將作為進一步的接收視窗。 B類設備透過週期性發送的信標進行同步。這些信標用於通信，其他接收窗口則在其他時間打開。這樣做的損失在於延遲可以提前確定，而能耗損失則作為組件數。然而，對於電池供電的應用來說，能耗仍然足夠低。

C類

C類協定顯著降低了下行鏈路的延遲，因為只要終端設備本身不發送任何訊息，其接收視窗就始終處於監聽狀態。因此，受信任的伺服器可以啟動下行傳輸。 A類和C類之間的時間轉換對於電池供電的合法合約（例如「無線韌體更新」）尤其重要。