由认识到应用——物联网LoRa技术性能分析

Posted 2023-03-22

参考技术A

在这之前，我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa，在这之后，我们或许可以将LoRa技术落地应用。

首先，什么是LoRa网关？ 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多，它用来接收节点（终端）发射的数据，然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。

常用的LoRa网关芯片有：

以 Dragino 网关为例，Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片（SX1301)，两个射频前端芯片(SX1257)，可以同时监听8路+1路LoRa信号，接收灵敏度为 -140dBm，支持LoRaWAN协议标准。

大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号

因为，LoRa网关有8个LoRa信号接收信道，这信道好比马路上的车道，如果马路有八条车道，即可以同时实现八辆车并排通行，如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道，那么，八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的，LoRa网关也如是，它只能同时接八种不同类的信号（频率和SF不同），如果同一时间有大量节点发射数据，网关的信道被占满后，会放弃其他多余的信号。

LoRa信道冲突是很常见的，所以节点发射信号要有协议规定，例如信号占空比，每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间，否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式，例如添加节点芯片，实现LBT——listen-before-talk，LBT的作用是监控信道是否被占用，在某些国家（日、韩）是强制要求网关实现这个功能的，因为这些国家面积小，人口又比较多，通信频道容易拥塞，使用LBT能提高信道效率。

网关容量的计算比较复杂，如果终端按每3分钟发射一次数据，数据长度为50B去估算，网关接纳终端的数量是900个左右。

具体要计算网关接纳终端的容量，受很多因素制约，其中至关重要的是通道多址接入控制协议，多址接入协议分类有：
1.固定多址接入，典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2.随机多址接入，靠随机数控制，典型的协议有ALOHA, CSMA。
3.基于预约的多址接入，数据发射前先进行通道预约，原理和日常预约挂号差不多。

LoRaWAN一般有8路信道，每路信道是相互独立的，我们只要分析其中一路信道，计算其容量，再乘以8就可以计算出网关的容量。
以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析，首先，需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具（计算公式）计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率，并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间，然后进行加权平均和数据处理。

处理方法如下：

很明显LoRa的网关容量是足够大的，物联网节点设备每天的发包率大多数都很低，一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万（粗略估算 )条上行数据，计算公式： 。

如果考虑下行数据，上行的数据包总量会有所减少，大概会减少 20%~50%的上行数据容量。

如果使用Dragino的新款网关LIG16（SX1302方案），上述数据容量会明显增大，1302的信道的吞吐量要比1301大 倍。

基本上，LoRaWAN网络的信道容量是足够的，网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。

LoRa节点芯片亦发展到了第二代，第一代为SX127X系列，第二代为SX126X系列，新产品性能必须要比旧产品性能好，SX126X对比旧版的优势有：

可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。

空中飞行时间可以通过公式计算得到：

是单个码元的时间， 是数据包码元总数。

数据包长度值最小是1B，最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是，每增加1B长度的数据，其空中飞行时间不会连续增加，而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。

这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理，而交织编码器有一定的容余空间。

例如在 SF = 7 的配置下，交织器的容量是 ，其中有 是有效载荷， 发送1B~3B的数据都是用5个码元，发送4B数据时，就要10个码元数，而10个码元可以容纳56b（7B）有效载荷。

LoRa通过无线电波传输，无线电波从发射天线发出，沿不同途径和方式到达接收天线，传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。

电波的理想路径是在真空传输，没有阻挡，舒舒服服。
在实际的应用环境中存在各种障碍物，使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式，造成距离计算的多样性和复杂性。

无线电波极限距离可以用公式表达为：

弗里斯传输方程是讨论，在自由空间的一个射频发射和接收系统中，发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。

当发射天线与接收天线的方向系数 都为1时，设发射天线辐射功率 与接收天线的最佳接收功率 的比值为 ， 得公式：

D=1时，无方向性发射天线的功率密度：

D=1时，无方向性接收天线的接收面积：

该天线的接收功率为：

于是自由空间传播损耗为：

当电波频率提高一倍或距离增加一倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB 。
如果考虑天线增益影响，发射天线增益系数为 ， 接收天线为 ，可以导出公式：

这就是弗里斯传输公式 ，它还有很多变形，利用公式可计算收发设备间的最远工作距离 。
电磁波传播过程中存在额外衰减，定义为衰减因子：

相应的衰减损耗为：

A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。
基本传输损耗：

在路径传输损耗 为客观存在的前提下，降低链路传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。

链路预算用来估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。

一个系统中链路预算等于其发射机的最大输出功率与接收机最高灵敏度的差值，用dB表示。当系统的链路预算大于路径损耗时，可以实现通信。

接收信号强度（RSSI）常用 表示， 用来判断链接质量，其表达式为：

理论上两颗简单的SX1262芯片就可以实现地球和月球之间的无线通信。

实际应用可以通过增大发射功率或者改善天线架设环境等措施去增加无线传输距离。

LoRa技术的性能大体讨论到这里，更高深的知识还待去学习更新。

由陌生到认识——物联网LoRa技术入门简介

##概说
物联网大家也耳熟能详了，它将物与物、物与人组建成一个关系网，物可以知道其它物的状态，物还可以有自己的思想（MCU)，物可以联系人，人可以沟通物、操控物，这些都是物联网的功能。下面介绍一种物联网的组网技术，它的名字叫LoRa。

很早之前，LoRa相对我来说，是非常陌生的，经过各方面的介绍，我开始认识LoRa， 它是物联网新贵，在众多物联新星中脱颖而出，直到现在亮瞎大家的眼睛。

我认识LoRa是通过 [Dragino] (www.dragino.com) 的LoRa网关和LoRa节点 来认识的。

那么，什么是LoRa？

LoRa是一种无线技术，和wifi相似，对比wifi， LoRa技术的特点是低功耗和传输距离远。

无线技术是现今科技发展基石，使用这种技术都有共通之处，就是以光速的速度通过空气传播，非专业学徒很难理解，我只能把它和声音的传播联系在一起，远方传来的声音，传播的方式就是无线技术传输数据的方式，我们的耳朵可以将声音捕获并过滤出声音所表达的信息，无线技术也是靠类似于嘴巴和耳朵这类功能性器件来发送和接收信息。

好吧，抛开无线技术的原理吧！我也不认识！

使用LoRa技术的节点功耗有多低？ 它的静态电流小于1微安，接收电流不到5毫安，发射电流（最大功率发射）大概50毫安，计算一个节点每天发射10次（500毫安），接收10次（50毫安），一天才耗电550毫安，一个AA电池就可以应付十天半月，每天发射和接收数据10次，对大多数物联节点来说都是非常频繁的了，很多应用节点大部分时间都是静伏状态，这意味着，一节AA电池可以供养它一年两年。

LoRa的传输距离有多远？ wifi只能宅在一个百平方左右的房子里，出不了街，LoRa，它可以越过数栋高楼，飞到几公里外的公园小角，在空旷的地方，LoRa甚至可以到十公里这外的范围游荡，它比无处不在的移动电话基站的覆盖的范围都要广很多。

和LoRa相关的技术

值得关注的是：

• wifi设计了一个WifiHalow，是专门为物联网而设计的WIFI网络，目前还在发展阶段。

• UWB超宽带技术，它使用的频段是3.1~10.6GHz，相比于LoRa，它的特点是传输速率高，速率高达1Gb/s，但它的成本比较高和传输距离比较短（10米）。

其它相关的的技术：NB-IOT、BLE、NFC、ZigBee、RFID，目前来说不是我的关注点。

怎样才算认识LoRa呢?

最好的方法是将LoRa的产品买回来实践，我们可以买一个LoRa网关（网关相当于wifi的路由器）和若干个LoRa节点（1个节点），将网关和节点通电后，进行相关配置，就可以组建成一个LoRa网络。

认识LoRa就要认识它的配置参数

• SF: 扩频因子，这是LoRa的数据构成的方法，SF的取值范围是5到12，可以粗略理解为数据的膨胀率，数字越大数据就胀得越多，传输速率就越慢（因为传输的无用数据增多了，有用数据就传输得慢）。

• CR：编码速率，CR的参数范围是1到4，LoRa数据传输前进行编码，数据被分成若干组，每组只有4位（4b），然后根据CR参数填入CR位，如果CR是1，就在4b的基础增加1位校验，如果CR是2就增加2位，如此类推。

• BW: 带宽， 当前LoRa支持的带宽范围是 7.8~500kHz，带宽是数据传输的通道，带宽越大传输速率越快，就比如成水管，水管的管径越大，水流量就大，接满一桶水的速度自然就快很多。

• NF: 无线电噪声系数（dB），这是杂质，比如自来水，如果有杂质，就需要添加净水器过滤，过滤规格需要多高，就看杂质系数有多大。

• FREQ: 数据传输的中心频率，LoRa的使用的是Sub-1G ISM频段，FREQ可以设置的范围是150MHz~960MHz，具体设置视国家地区对频带的管制规定，当然还要看节点和网关的射频前端是否支持。

• PR: PreambleLength，前导码长度，设置范围是6~255个码元，前导码——顾名思义，是放在数据包前面的一组特定数据，用来使网关或节点识别是否是LoRa数据的一组标识，通信设备之间，前导码要相同一致才能相互交往。PR数值越大，相对接收机来说会更容易识别和初接收。

• NS： 数据处理的网络服务器，数据包从节点发来，被网关接收到，再被网关转发到网络服务器。我们使用设备的目的是获取物体的数据，LoRa是我们取得数据的通道。

不得不认识的LoRaWan

LoRaWan是应用LoRa技术传输的数据的封包方式，和TCP/IP协议有相似的地方，是LoRa应用的一种标准协议，它的作用是使数据形成统一的格式，并利用加密的技术保护通过LoRa传输的数据。

使用LoRaWan协议可以为节点分配唯一的DevAddr，在网络服务器上通过DevAddr就可以有效管理不同的节点。

LoRaWan对节点有入网的要求，需要在LoRaWan网络服务器为节点预先分配好密钥，当节点通电启动时，会向服务器发出入网请求，LoRaWan服务器收到请求后会下发给网关相关应答。

LoRaWan的激活（入网）

1. LoRaWan入网激活方法：
   • OTAA 空中激活，节点设备可以灵活部署，节点通过发送入网请求到服务器进行动态激活。
   • ABP 独立激活，节点设备在出厂时就已经绑定入网。
2. LoRaWan入网相关配置
   • DevEUI： 节点的ID， 节点的名称吧！ 标识唯一的节点。
   • AppEUI: 标识应用程序的提供者，在入网之前就已经存储在节点中。
   • AppKey： 应用程序提供者提供给节点的密钥，用来产生会话密钥NwkSkey和AppSkey，这两个密钥分别用来加密和校验网络层和应用层的数据。
   • Devaddr：入网后分配的节点地址

结尾

对LoRa还处于认识的阶段，不是很熟，有很多特性和相关知识并没有深入了解，期待与它相熟。