LoRaWan学习笔记1

Posted 2020-11-01 xfvipp

参考文章：

http://www.21ic.com/evm/evaluate/MCU/201705/722184_2.htm

如何评价lora这项物联网传输技术

一个lorawan开发套件

升特公司官网

无线通讯LoRa---SX1278芯片开发笔记

1276中文手册待下载

LoRa开发1：LoRa设计10问

sx1301芯片介绍

开发套件

2013年8月，美国Semtech（升特）公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术的芯片，就是我们的LoRa芯片。

2015年，Semtech牵头成立了;国际LoRa联盟（LoRa Alliance）

2016年1月，在国际LoRa 联盟支持下，中兴联合近二十家合作厂商共同发起建立“中国LoRa应用联盟（CLAA）”。旨在推动LoRa产业链在中国的应用和发展，尤其是通过全国性云化核心网和共享接入的方式，能逐步形成一张全国性的可运营虚拟LoRa网络。

 

LoRa是Long Range的缩写，属于无线通信技术中的一种，典型特点是距离远、功耗低。速率相对较低，可视为网络通信中的物理层实现，LoRa对应的产品就是收发器(tranciever)芯片，例如semtech的SX1272/SX1276，主要处理二进制数据流。

LoRaWAN是在LoRa物理层传输技术基础之上的以MAC层为主的一套协议标准，对应OSI七层模型中的数据链路层(MAC层)，LoRaWAN消除了具体硬件的不兼容性，同时还实现了多信道接入、频率切换、自适应速率、信道管理、定时收发，节点接入认证与数据加密、漫游等特性。

一般市面上常见的LoRa模块，通常实现的就是物理层的通信，要实现LoRaWAN功能，需要使用软件来实现LoRaWAN协议，要实现网络通信功能，还需要一个网关。

 

开发套件一般包括：

1个lora网关（网关芯片），2个lora终端节点（射频芯片）

网关需要有网关模块的linux驱动源码，usb链接树莓片，树莓派是网关的主控板，用于控制网关模块

终端节点需要有sdk源码包供二次开发

LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种，是Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，是Semtech 射频部分产生的一种独特的调制格式。 

LoRa射频部分的核心芯片是SX1276和SX1278。这类芯片集成规模小、效率高，为LoRa无线模块带来高接收灵敏度。

网关芯片则采用的是集成度更高、信道数更多的SX1301。用SX1301作为核心开发出的LoRa网关，可以与许许多多的LoRa模块构成多节点的复杂的物联网自组网。

 

LoRa工作在1GHz以下的非授权频段（中国主要使用470-518MHz）

 

什么是LoRa终端或节点？ 

答：LoRa终端是LoRa网络的组成部分，一般由LoRa模块和传感器等器件组成。LoRa终端可使用电池供电，能够远程定位。每一个符合LoRaWAN协议的终端都能与符合LoRaWAN的网关直接通讯，从而实现互联互通。

什么是LoRa网关？

答：LoRa网关位处LoRa星形网络的核心位置，是终端和服务器（Server）间的信息桥梁，是多信道的收发机。LoRa网关有时又被称为LoRa基站或LoRa集中器，虽然定义不同，但其实是同一含义。

 

LoRa网关使用不同的扩频因子，不同的扩频因子两两正交因而理论上可以在同一信道中对多条不同扩频因子的信号进行解调。网关与网络服务器间通过标准IP进行连接，终端通过单跳与一个或多个网关进行通讯，所有的终端通讯都是双向通讯，同时也支持软件远程升级等。 

 

目前来说，定义不同，网关类型也不同。例如，按照应用场景不同可分为为室内型网关和室外型网关；按照通讯方式不同可分为全双工网关和半双工网关；而按照设计标准不同可分为完全符合LoRaWAN协议网关和不完全符合LoRaWAN协议网关。我们新一代网关为室外型，全双工，并且完全符合LoRaWAN协议。完全符合LoRaWAN协议的LoRa网关及LoRa终端能够实现互联互通，这具有很大意义！

 

sx1301核心网关模块提供什么硬件接口？

答：模块带有USB和SPI接口用于和HOST主机的通信，USB和SPI两者二选一。

sx1301核心网关模块可以和单片机通信么？比如STM32。

答：目前不支持直接和普通单片机通信，只能配合linux嵌入式开发平台使用。

网关和终端的通讯距离是是多少？

答：无遮挡5~8公里，市区情况下2~3公里。

LoRAwan网关，理论上可以支持到多少个终端模块？

 答：lorawan网关支持设备数量跟设备发包频次、数据包大小、平台处理能力等密切相关要综合考虑 ，理论支持10万。

网关的数据通信量

LoRa网关的容量有多大？单个网关能连多少个终端？

答：网关容量是指在一定时间内网关接收数据包数量的能力。理论上来说，单个SX1301芯片拥有8个信道，在完全符合LoRaWAN协议的情况下最多每天能接收1500万个数据包。如果某应用发包频率为1包/小时，单个SX1301芯片构成的网关能接入62500个终端节点。当然，这只是一个理论值，网关接入终端数量最终还是与网关信道数量、终端发包频率、发包字节数和扩频因子息息相关。

  LoRa网关接入的节点数目取决于哪些因素？

答：LoRa网关接入的节点数取决于LoRa网关所能提供的信道资源以及单个LoRa终端占用的信道资源。LoRa网关如果采用Semtech标准参考设计，网关采用SX1301芯片，那么信道数是固定的8个上行信道1个下行信道。物理信道数确定了， LoRa网关所能提供的信道资源也就确定了。

单个LoRa终端占用的信道资源与终端占用信道的时间一致，也就与终端的发包频率、发包字节数以及LoRa终端的扩频因子息息相关。当LoRa终端的发包频率和发包字节数上升，该终端占据信道收发的时间就会增加，就占用了更多的信道资源。而当LoRa终端采用更大的扩频因子时，信号可以传的更远，但是代价是传递单位字节的信息会花费更多的时间。 

 

 网关模块是否支持连接其他网络服务器？

答：开发套件的网关是连接我们的网络服务器，如果连接至其他的网络服务器，需要在网关上安装与要连接的网络服务器对应的SDK，该工作由客户自己或网络服务器厂家完成。

 

开发套件支持的lorawan协议版本是？

答：lorawan1.0.1

 开发套件实现了classA、classB、classC吗？

答：目前实现了classA和classC

网关源码 是官方github上开源的吗？

 答：网关是基于官方github上源码优化的，解决了多个官方BUG并进行了多处优化。

套件里树莓派是拿来做什么的？

 答：树莓派是网关的主控板，基于linux系统的，用于控制SX1301网关模块。

 采用LoRa技术，我可以使用哪些ISM频段？

按理论来说，你可以使用150 MHz 到 1 GHz频段中的任何频率。但是Semtech的LoRa芯片并不是所有的sub-GHz的频段都可以使用，在常用频段（如433MHz，470MHz~510MHz，780MHz以及欧美常用的868MHz和915MHz都属于常用频段）以外的一些频率并不能很好的支持。目前在中国提供433MHz,470-510MHz频段网关。

 LoRa网关使用免费频段，会不会容易受到频率干扰？

答：抗干扰能力取决于LoRa技术本身的特性和网关的设计。LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度（RSSI）和超强信噪比（SNR）。以我们的LoRa网关与LoRa模块为例，其接收灵敏度达到惊人的-142dBm，而超强的信噪比可以让网关和终端工作在噪声门限以下20dB。此外，网关使用跳频技术，通过伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱，防止定频干扰。

 LoRa的数据传输速率是多少？

答：LoRaWAN协议定义了一系列的数据传输速率，不同的芯片可供选择的速率范围不同，例如SX1272支持0.3-38.4kbps，SX1276支持0.018-38.4kbps的速率范围。目前我们能实现0.3-37.5kbps的传输速率。

使用LoRa设备发送或接收的数据长度有限制吗？

有限制，理论来说SX127x系列芯片有256 Bytes的FIFO，发射或接收256 Bytes都行得通。 但是，并不是在任何传输速率下LoRa模块的负载长度都能为256 Bytes。在传输速率较低的情况下，一次传输256 Bytes需要花费的时间极长（可能需要花费几秒甚至更长），这不利于抗干扰和交互，因此在技术处理上一般建议用户将一条长数据分割成数条小数据来进行传输。

什么是速率自适应（ADR）？

答：速率自适应（Adaptive Date Rate, ADR）是调整数据传输速率来保证可靠数据传输、优化网络性能、扩充网络容量的一种技术。当节点靠近网关时，数据传输速率可以更快、发射功率也更低。而在链路预算边缘处的节点，其数据传输速率更慢，发射功率更高。ADR方法能适应不同的网络构造，支持不同的路径损耗，可以最大化终端的电池使用寿命和整体的网络容量，LoRa网络能够从整体上管理每个终端的数据传输速率和扩频因子。

就LoRa设备而言，其天线所能实现的发射功率是多少？

答：从芯片管脚输出的功率为+ 20 dbm，经过天线匹配/滤波损失一定功率，最终能输出的功率为+ 19 dbm + （-） 0.5 db。不同地区对最大输出功率有不同的规定， LoRaWAN协议定义了不同地区在最大化链路预算的情况下的不同输出功率。

目前升特公司提供的产品如下：

LoRa网关：

SX1301：户外用网关

SX1308：室内用网关

LoRa终端（收发器）：

SX1255，SX1257，SX1258

SX1261，SX1262，SX1268

SX1272，SX1273，SX1276，SX1277，SX1278，SX1289

1问：LoRa是什么？

答：LoRa是Long Range（长距离）的简称，是一种长距离、低功耗无线通信技术。2009年法国公司Cycleo设计出一种优异的扩频通信算法，后来，该公司被美国semtech公司收购，后者于2013年推出LoRa芯片。目前，semtech公司是LoRa芯片唯一供应商。

 

2问：LoRaWAN是什么？

答：LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa广域网）的简称，是基于LoRa技术的一种通信协议。它主要包括三个层次的通信实体：LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器。

LoRaWAN是一个较庞大的体系结构，支持CLASS A / B / C三种终端，使用LoRa MAC协议为网关和终端提供防冲突通信和同步机制，有4种服务器角色，分别担任：网络连接、应用管理、接入控制和用户数据。它的层次关系如下：

 

3问：LoRa有什么优点？

 

答：最大的优点是长距离传输，采用扩频增益，它的传输距离约FSK的3倍；其次是低功耗，尽管它通信距离空旷能达到5km，仍保持良好的节能特性；再次，它工作在免费ISM频段，这为普通民众使用该无线网络打开了一道便捷之门，极大降低网络铺设成本。

 

 

 

4问：LoRa有哪些缺点？

 

答：第一个缺点，传输速率低，因为扩频调制后的通信带宽窄，一般只适合传感器网络；第二个缺点，硬件价格高，推出市场的时间不长，没有大规模应用，成本没有被摊薄；第三个缺点，LoRaWAN核心技术（通信协议和算法）需要缴纳会费才能获取，这提高了研发成本和难度。

 

 

 

5问：LoRa与常见无线技术的区别？

 

答：确实，我们身边的无线技术已经很多了：3G/4G、WiFi、蓝牙和ZigBee，为什么还需要LoRa这种无线技术呢？其实，每种无线技术都只能适应特定通信场景，需要配合使用才能构建高效率、低成本的网络。

 

打个比方，现代化的军事组织，单兵武器都是配合使用，才能达到最佳火力配制。

 

无线技术	类比武器	距离	速率	能耗	铺设成本	通信成本	适应场合
LoRa	狙击步枪	超长	慢	低	中	免费	户外传感器
3G/4G	突击步枪	长	较快	高	极高	流量费	通话与上网
WiFi	冲锋枪	短	快	极高	低	免费	家庭网络
蓝牙	战术刀	极短	中	低	低	免费	手机配件
ZigBee	手枪	较短	较慢	低	较低	免费	室内设备

 

 

 

6问：LoRa的竞争对手有哪些？

 

答：在LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗广域网）有代表性的3种技术是：LoRa、Sigfox和LTE-M（包括NB-IoT）。它们技术参数对比如下：

 

参数	LoRa	Sigfox	LTE-M
频段	ISM免费频段	ISM免费频段	电信授权频段
通信速率	300~37.5kbps	100或500bps	20kbps
发射功耗	低	低	高
接收功耗	低（10~12mA）	低（10~13mA）	中（20～30mA）
全双向	是	否	是
抗干扰	优（扩频调制）	差（窄带BPSK）	中
扩展性	优	差	未知
支持定位	支持	不支持	不支持
节点可移动	支持	不支持	不支持
节点可漫游	支持	支持	支持
部署进度	芯片已经上市， 网关低成本	网关复杂 成本高	芯片未上市， 标准建设中

 

 

 

7问：LoRa为什么能传输得更远？

 

答：无线通信的距离受很多因素的影响，包括：衰减、损耗、噪声、大气吸收、多径和折射。长期以来，要延长通信距离，最直接的手段是增大发射功率，即提高E_b/N₀（每位信号能量与每赫兹噪声功率密度的比值），这种方式不能满足低功耗的要求。

 

后来人们发现，扩频技术可以得到如下收益：从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性；得到信噪比的增益。换句话说，使用扩频通信抗干扰性更强，通信距离更远，LoRa的长距离源自此处。

 

LoRa扩频调制的示意图如下所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加（扩展了频谱）。

8问：SX1276/8和SX1301是什么？

答：SX1276/8是semtech公司推出的LoRa终端芯片，单信道，前者面向欧美市场（支持862～1020MHz），后者面向中国市场（不支持支持862～1020MHz）。从硬件设计，到软件驱动，都开源设计，用户可以免费下载。

SX1301是semtech公司推出的LoRa网关芯片，8个LoRa信道，1个FSK信道，可以看成是FPGA+8路LoRa调制解调器。该芯片是semtech的核心利益块，从数据手册，到硬件参数，到软件驱动，到协议算法，都不公开；仅当用户缴纳付费，成为LoRa Alliance的会员，才能获得相关资料和技术。

SX1301的体系结构如下图所示，有2个前端芯片SX1255/7处理信号，推荐GPS提供精确时钟，通过SPI与MCU连接。

9问：LoRa网关一定是LoRaWAN+SX1301吗？

答：从广义上讲，网关是连接2个不同网络的设备。如果一个设备，它能将LoRa无线网络和Internet连接起来，它就是一个LoRa网关。

根据应用场合不同，LoRa网关至少可以分为：便携式，轻量级，区域级，电信级；前2者，容纳的LoRa节点较少，通信带宽较低，LoRa网关可以使用SX1276/8；后2者需要SX1301，甚至多片SX1301。

如果网关和终端都使用一家公司的，私有协议可以工作；当然，要连接不同厂家的LoRa设备，甚至国际化，那就需要遵循LoRaWAN协议。

 

10问：LoRa前景如何？

答：要预判一个年青（才3年）的物联网技术前景是很难的，除了技术外，有商业模式，有政治因素（保证基础数据安全和带动本国就业等）。我们试着把LoRa在国际和国内的竞争对手比较下，可能聪明的您就能看到它的前景。

表1 国际

项目	LoRa	Sigfox	LTE-M
商业模式	Semtech提供技术 其他公司组成物联网	法国Sigfox公司成为 全球物联网运营商	改进现有LTE技术 为运营商谋取更多利益
部署成本	低	较高	高
资金来源	出售芯片和收取会费	风险投资	运营商投资
财务风险	低，有持续收入	极高，资金链断裂致命	较低，现有业务支撑

表2 国内

项目	LoRa	NB-IoT
运营者	Semtech提供技术 其他公司组成物联网	华为公司提供技术 运营商组成物联网
终端成本	小于5美金	5～10美金
网关成本	塔式基站约1000美金； 工业基站约500美金；	升级LTE基站不少于15000美金
频段与质量	免费频段，网络质量稍差	授权频段，网络质量好
能耗	低，特别适合电池供电	较低，同步与蜂窝调制有额外能耗
部署时间表	13年发布芯片 整个产业链相对较为成熟	17年上半年发布模块 产业链受频段、运营商等限制
技术优势	低功耗，低成本，高度灵活	较高传输速率和频繁通信
适合场景	自主区域网络 智慧农业、智能建筑、物流追踪，设备监测等	政府公共事业 智能电表、零售终端、自动化制造