认识LPWAN技术之LoRa

认识LPWAN技术

第一期：LoRa

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network(简称LPWAN)，即低功耗广域网络，主要用于设备之间的通讯，这种通讯技术具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点，比较适合大规模的物联网应用部署。具体包含NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC四种，其中NB-IoT、LoRa近年来广受追捧。

本期我们就来认识应用较多的技术——LoRa。（下期将介绍NB-IoT）

LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，其实也是诸多LPWAN通信技术中的一种， 最早由美国Semtech公司采用和推广。这一方案为用户提供了一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。目前，LoRa 主要在ISM频段运行，主要包括433、868、915 MHz等。作为低功耗广域网通信技术的一种，在同一功耗下LoRa无线传输技术有着通信射频距离更强、传输距离更远的优势，通信距离是传统无线技术的3-5倍。

Semtech公司基于LoRa技术开发出一整套LoRa通信芯片解决方案，包括用于网关和终端上不同款的LoRa芯片。为了促进其他公司共同参与到LoRa生态中，2015年3月，Semtech联合Actility、Cisco和IBM等多家厂商共同发起创立了LoRa联盟，并推出不断迭代的LoRaWAN规范，催生出一个由全球数近千家厂商支持的广域组网标准体系，从而形成广泛的产业生态。

LoRa联盟

具有代表性的扩频方式主要有两种：直接序列扩频与跳频扩频。LoRa技术就是一种基于直序扩频的调制方式。直接序列扩频（DSSS）简称直扩方式（DS方式），是目前应用较广的一种扩频方式。

LoRa基本技术指标：

传输距离：城镇可达2~5km，郊区可达15km。

工作频率：ISM频段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。

标准：IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。

基于扩频技术，CSS的一个变种，具有前向纠错（Forward Error Correction, FEC）能力，属于Semtech公司私有专利技术。

容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

电池寿命：长达10年。

安全：AES128加密。

传输速率：18b/s~ 62.5kb/s。

LoRa具有以下优势特点：

01低功耗

LoRa的应用一般都是物联网设备，通常都是使用电池供电，并且使用时间也是几年以上，这就要求LoRa要具有极低的功耗。LoRa低功耗的实现主要由两方面决定：一方面是芯片需要具有低功耗；另一方面是软件通信协议也需要具有低功耗。

首先在硬件上LoRa的功耗很低，如SX126X系列热启动休眠Sleep模式电流仅为1.2uA，125kHz下接收电流为4.6mA，17dBm功率发送电流只有58mA。

其次在软件通信协议方面，LoRa并没有像其他无线技术那样有着复杂的通信协议，数据包十分的简单，无需发送大量的握手数据。为了达到省电的目的，业界广泛应用周期侦听（Wake on Radio，WOR）方式，如图所示：

芯片周期性地进入接收（RX）模式以侦听有没有唤醒前导码，其他时间处于休眠（Sleep）模式。WOR接收电流如下图所示，其大部分时间处于休眠模式，只有少部分时间被唤醒处于接收模式，所以其整体功耗很低。如亿佰特的E22、E32模块都具有WOR功能，能很好的做到低功耗需求。

02远距离

在无线通信中，衡量通信距离的标准是链路预算，链路预算等于发射功率减去灵敏度。灵敏度是负数，灵敏度越高负得越多，所以提高链路预算的方法是增大发射功率和提高灵敏度。但是发射功率在各个国家和地区都有着严格要求，所以提高通信距离的方法只有提高灵敏度了。而LoRa在BW=125kHz，SF=7的时候灵敏度就已经达到了-123dBm；在BW=7.81kHz，SF=12的时候灵敏度到了-149.1dBm。而蓝牙的灵敏度在-90dbm左右，ZigBee在-85dBm左右，所以LoRa的传输距离相比其他无线通信技术要远很多。但LoRa是使用带宽换取灵敏度，会导致发送速率很慢，所以LoRa适用于长距离、低速率、小数据量的应用。

03抗干扰

LoRa能够实现远距离传输，除了灵敏度优势外，还有一个非常重要的因素是超强的抗干扰能力。

在低于噪声20dB下LoRa依然可以通信，这是现有传统通信技术都不具备的。如下图：

LoRa可以在噪声之下20dB正常解调信号，而 FSK理论上需要在噪声之上8dB才能保证解调。当通信过程中遇到外界电磁信号干扰时，LoRa 可以继续稳定通信，而传统的无线技术则无法通信。所以在一些信道干扰比较严重的区域，客户都会选择LoRa技术作为稳定通信的核心技术。 LoRa调制之所以有这么强的抗干扰能力，主要是因为Chirp调试在相干解调的时候可以把在噪声之下有用的LoRa信号聚集在一起，而噪声在相干解调后还是噪声。

2022年，全球已部署超650万个基于LoRa的网关，超2.8亿个基于LoRa的终端节点，LoRaWAN公共网络运营商达170余家且还在持续增加。据ABI Research预计，到2026年，LoRa将占据全球非蜂窝低功耗广域网连接超过50%的份额。国内LoRa产业链企业数量已达3000多家，且还在快速增长。中国市场是LoRa全球生态建设中极为重要的部分。

审核编辑：汤梓红