LoRa的远距离通信采用的方法

LoRaWAN 是由 LoRa 联盟推出的一个低功耗广域网规范，这一技术可以为电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络。LoRaWAN 瞄准了 物联网中的一些核心需求，如安全地双向通讯、移动化和本地服务。该技术无需本地复杂配置，即可以让智能设备实现无缝互操作性，给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。

 

LoRaWAN 网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa 网关是一个透明的中继，连接前端终端设备和后端中央服务器。网关与服务器通过标准 IP 连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。

 

 

终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的，数据速率选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术，不同数据传输速率通信不会互相干扰，且会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN 网络数据传输速率范围为 0.3 kbps 至 50 kbps，为了最大化终端设备电池寿命和整个网络容量，LoRaWAN 网络服务器通过一种速率自适应（ADR）方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出。

 

 

扩频通信概念

扩频通信(SSC)，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

 

增加信号带宽可以降低对 信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

   

扩频技术即是将信息信号的带宽扩展很多倍进行通信的技术。传输信号带宽远大于信息信号的带宽。例如，传输一个 64Kbps 的数据流，其基带带宽只有 64KHz 左右，但用扩频技术传送时，它所占据的信道带宽可以被扩展到 5MHz，10MHz，甚至更大。与此同时，发射到空间的无线电功率谱（单位带宽内具有的功率），也将大大的降低。

　　

这样一来，是否频率资源会更紧张， 答案是否定的。1990 年以来，扩频通信的理论和实践都已证明，众多用户共享这同一带宽，它所容纳的用户数，不但比传统的频分多址方式（FDMA）多，也比近十年来广泛使用的时分多址方式（TDMA）要多。 

 

为何使用扩频技术

一、扩大带宽、减少干扰

当扩频因子为 1 时，数据 1 就用“1”来表示，扩频因子为 4 时，可能用“1011”来表示 1，这样传输的时候可以降低 误码率也就是信噪比，但是却减少了可以传输的实际数据，所以，扩频因子越大，传输的数据数率就越小。

 

 

扩频前后，时域仿真对比。

 

二、根据对速率的不同要求分配不同数量的码道，提高利用率

扩频因子还有另一个用途，那就是正交码（OVSF: Orthogonal Variable Spreading Factor ，正交可变扩频因子），通过 OVSF 可以获得正交的扩频码，扩频因子为 4 时有 4 个正交的扩频码，正交的扩频码可以让同时传输的无线信号互不干扰，也就是说，扩频因子为 4 时，可以同时传输 4 个人的信息。

　　

语音和数据业务传输的数率要求不一样，所以他们扩频因子不一样。

 

扩频因子 Spreading Factor (SF)

　　

扩频因子用途(信道化码：OVSF codes)

　　

上行：在同一 UE 进行多码道传输时，区分不同的物理信道；

　　

下行：区分同一小区下的不同物理信道；

 

 

例如：

采用 LoRa 扩频传输技术 433MHz 模块 APC340，传输距离与穿透能力相比于传统 FSK, GFSK 等有 0.5-0.8 倍的提升，每种可选速率选用不同的扩频因子，扩频因子降 1，速率降低约一半，带宽增加一倍，速率相应增加约一倍，但扩频因子、速率、占用带宽并非完全线性比例关系：

可选速率 / 扩频因子 / 占用带宽：0.81K/10/125K, 1.46K/9/125K, 2.6K/8/125K, 4.56K/7/125K, 9.11K/7/250K, 18.23K/7/500K

 

 

扩频通信的优点

1. 发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰。 

2. 保密性高，被截获的可能性极低。

3. 抗干扰能力强，对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力。

4. 具有极好的抗多径衰落性能。　

 

扩频通信原理

常规的数字数据通信原理是使用与数据速率相适应的尽可能小的带宽。这是因为带宽数是有限的，而且有很多的用户要分享。 

　　

扩频通信的原理是尽可能使用最大带宽数, 同样的能量在一个大的带宽上传播。 

 

这里扩频带宽的很小部分与常规无线信号相干扰， 但常规无线信号不影响扩频信号，这是因为两者相比常规信号带宽很窄。 

 

扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征:

 

1 是一种数字传输方式；

 

2 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；

 

3 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。

 

根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：

 

C = W×Log2(1+S/N)

 

式中：C-- 信息的传输速率 S-- 有用信号功率 W-- 频带宽度 N-- 噪声功率

 

由式中可以看出：

 

为了提高信息的传输速率 C，可以从两种途径实现，既加大带宽 W 或提高信噪比 S/N。换句话说，当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 W 和信噪比 S/N 是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 

 

扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽 W 与信息带宽△F 之比称为处理增益 GP，即：

 

 

它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与 GP 有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

 

系统的抗干扰容限 MJ 定义如下：

　　

式中：（S/N）。= 输出端的信噪比，

 

 

LS = 系统损耗

　　

由此可见，抗干扰容限 MJ 与扩频处理增益 GP 成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。

　

频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统 PN 码码长应不低于 12 位，一般取 32 位，军用系统可达千位。

 

 

目前常见的码型有以下三种：

1、M 序列，即最长线性伪随机系列；

2、GOLD 序列；

3、WALSH 函数正交码。

 

当选取上述任意一个序列后，如 M 序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息"1" 和"0"。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号( 即原始信息)实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。微波无线扩频通信的原理见图 1：

 

图 1：扩频通信原理

 

由图可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。

 

所谓直接序列扩频（DS-Direct Scquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见图 2 和图 3 所示：

 

 

图 2：信息的频谱扩展过程

 

 

图 3：扩频信号的解扩过程

 

在图上我们可以看出：

 

在发端，信息码经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的 PN 码解调以后，信息码被恢复；

 

信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与 PN 码进行了二次"模二相加"的过程。

在以下的图 4 中我们还可以用能量面积图示概念看出：

 

待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；

 

扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；

 

相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。 

 

 

传输速率和距离

传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是 FSK 或者 GFSK。要进一步减小 FSK 系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。虽未经检验过但可以预见，这很容易就会产生比接收机带宽更宽的频率偏差。低成本的晶体一般只有 20ppm 的精度，这将限制使用载波频率为 868MHz 或 915MHz 系统的最大数据传输速率在 20kbps，灵敏度在 -112dBm。使用温补晶振可以获得更高的灵敏度，但是温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。

 

扩频调制方式在其他领域应用了很多年，之前未使用于低成本的传感网络方案。在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统 FSK 调制方式高 8-10dB 的灵敏度。升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为 LoRa 的扩频调制方式和传统的 GFSK 调制方式。图中展示了在 GFSK 调制和 LoRa 扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

 

 

在 GFSK 调制和 LoRa 扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

 

有些扩频调制方式对晶体引起的频率偏差更不敏感，这类接收机在 125kHz 的带宽下使用低成本的 20ppm 的晶体时获得接近 -140dBm 的灵敏度。与 FSK 系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了 30dB，理论上相当于增加了 5 倍的传输距离。通过降低速率获得最大传输距离和要求最长的电池寿命之间是相互冲突的。数据速率决定了空中传输时间，越高的传输速率，系统发射或接收将花费越少的时间。100kbps 的系统大约只需要 50kbps 的系统的传输时间的一半。更快的速率可以使更多的节点在无竞争冲突下在同一区域共存，但这将降低接收灵敏度和传输距离。每一种接收机都会提供多种工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各节点收发占空比将决定哪些模式会对功耗产生最大的影响。例如，如果一个节点频繁地处于接收状态，那接收电流就非常重要。同理，如果一个节点每天只发射一次，那睡眠电流就是最重要的因素。

 

LoRa 应用场景 1：电力信息化

 

 

电网监控信息化：新的能源、环境和管理的促进，以及新的消费类需求等都意味着电网必须实现数字化、基于标准、自动化和可互操作的基础设施。电网的现代化取决于确保在电力的生成、传输、分配和消耗过程中的端到端连通性、可靠性和安全性。

 

塔式太阳能热发电站：

 

 

该太阳能电站项目建设安装了过万片的反射镜面，所有镜面由电控系统控制转动，每个镜面集成两个电机实现水平和垂直的转动，确保反射的日光集中到塔上，电机采用步进电机伺服控制法，镜面上安装一小块光伏板，产生电能给电控板供电，镜面的实时角度数据通过无线通信与控制中心连接下达。

 

LoRa 应用场景 2：农业信息化

 

 

 

 

农村信息化是通讯技术和计算机技术在农村生产、生活和社会管理中实现普遍应用和推广的过程。农村信息化是社会信息化的一部分，它首先是一种社会经济形态，是农村经济发展到某一特定过程的概念描述。它不仅包括农业信息技术，还应包括微电子技术、通信技术、光电技术等在农村生产、生活、管理等方面普遍而系统应用的过程。农村信息化包括了传统农业发展到现代农业进而向信息农业演进的过程，又包含在原始社会发展到资本社会进而向信息社会发展的过程中。

 

LoRaWAN 实现农业传感器互连，无通信资费，多节点，低功耗，低成本，传输距离远等特点。

 

LoRa 应用场景 3：工业信息化

 

 

（1）实时监控储罐内 LNG 存储情况（液位、压力、温度），及时发现液体分层、翻滚、升温、泄露及混凝土筒壁裂缝、沉降等危险状况；

（2）定期分析管道的压力流量变化趋势，建立全运营期的数字化、信息化档案，科学、合理地协助管道的管理和养护；

（3）及时把握管道、储液罐结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性；

（4）为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有管道、储液罐的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济；

（5）验证管道、储液罐设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高管道铺设、储液罐设计水平和安全可靠度，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景

 

LoRa 应用场景 4：环境监测

 

 

温度、湿度、风速

 

水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位

 

温度、湿度、风速

 

水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位

 

以上这些场景，充分发挥了 LoRa 的特点：

 

低功耗、远距离、多节点、低成本

 

 

 

 

组网的便捷性是用户最大的需求

在互联网时代，联网的设备主要是手机、平板、电脑等设备，人均设备数量较少，每人仅需对几个设备做配置即可。但是未来物联网设备连接的数量会远远大于互联网的联机设备数量，人均设备数量大大增加，每人可能需要对超过 10 个设备的连接进行配置，配置工作量大大增加。这时用户一定会选择最便捷配置的连接方式，当然设备若可自动组网、自行连接，无需用户配置是最好的。

　　

从国内物联网的发展历程来看，其实是用户配置的便捷性帮助企业选择了网络连接方式。比如智能家居领域，目前智能单品最普及的通讯方式是 WIFI 协议(智能家居整体解决方案还是以有线协议为主)。为什么 WIFI 协议能够暂时领先于其他协议?究其原因主要有两个：一个是路由器普及率较高，用户无需再组网即可使用;另一个现在 WIFI 协议的配置相对简单。

　　　

所以说设备组网、配置的便捷性对物联网的普及影响巨大，从用户角度出发，能否实现便捷组网也是决定未来物联网通讯协议的关键。

　　

设备能耗也是用户一大痛点

未来物联网的连接设备数量巨大，由于环境影响，很多设备是不方便通过有线连接的，也就是说没有有线电源供给，只能使用电池供电。但对于使用电池的设备，若频繁地更换电池会增加用户很多工作量。

　　

在智能家居领域，由于 WIFI 配置的便捷性，智能单品使用 WIFI 通讯协议的产品比例最大，不过 WIFI 通讯的高功耗也是无可置疑的。因此，目前很多做 WIFI 通讯方案的企业都想办法解决功耗的问题。

　　

举例来说，深圳银河风云网络系统股份有限公司曾推出一款产品空调伴侣悟空 i8，是京东众筹第 5 个超过千万的产品，并且是第一个单品价格不足 100 元但众筹过千万的产品。该产品使用的是银河风云自己的 WIFi 模块。而银河风云为了降低 WIFI 模块的功耗，在模块的设计上花了很大的精力：通过快速连接的功能实现功耗降低，即保证设备在 1 秒钟可以快速建立 WIFI 连接，银河风云产品之间通讯使用功耗非常低的通讯方式，当无数据传输时，WIFI 模块处于休眠状态，但一旦需要连接网络时，即可快速通过 WIFI 模块建立连接，只要连接时间低于用户忍受范围，用户觉察不出这些差异，但却能帮助用户降低 WIFI 功耗。

　　

银河风云为什么要花这么大精力，增加这么复杂的功能?其核心是功耗高是用户的一大痛点，而银河风云期望帮助用户降低功耗来解决这一痛点。

　　

还有一个案例，汉威电子的远程抄表解决方案在行业内应用非常广泛，核心竞争力在与其远程抄表的功耗低。在无电源的环境下，其远程抄表产品使用电池可以使用一年以上。

　　

其实汉威解决方案也是使用 3G 网络通讯，但一般企业使用 3G 网络，都解决不了一块电池使用一年的难题。为什么汉威电子可以实现?道理很简单，因为远程抄表无需实时连接，其数据传输频率非常低，而保持 3G 实时通讯会浪费很多能源。汉威的设计是每天抄表的时候建立连接，传输数据，之后就把通讯功能停掉，这样大大降低了功耗。

　　

无论银河风云、还是汉威电子，他们的解决方案都是在不适合于物联网的网络环境下，花了很大精力解决了低功耗的问题。对于那些仅需小数据量传输、低功耗但长距离传输的联网设备，若有针对性的网络标准或协议，则企业就无需花太多精力解决功耗问题。

　　

用户需求传导：组网方便且功耗低的网络将是物联网通讯最佳选择

目前，通信领域最为炙手可热的是 4G 网络的商用和 5G 的研发，在追求高宽带、大容量网络的同时，也有一些企业从用户需求传导中看到适用于物联网的网络标准和协议的需求，进行卓有成效的研发。在已成熟的专用于物联网的网络标准中，LoRa 是一个典型的代表。笔者最近拜访了一家 LoRa 模块企业，从中学习了 LoRa 的一些特点，发现 LoRa 能够非常有效地解决了物联网设备组网便捷性和功耗的痛点，且能够实现远距离传输。

　　

LoRa 采用星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟的最简单的网络结构。基于 LoRa 的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形;对于远距离的结点，可使用网关设备进行中继组网连接。LoRa 网络供应商既可以搭建覆盖范围较广的广域网基础设施，也可以通过简单的网关设备搭建局域网，只要物联网设备中嵌入 LoRa 芯片或模块，即可快速实现组网和快速配置。广域网和局域网两种环境中均可实现便捷组网，在与以自组网见长的 ZigBee 协议比较，具有明显的优势。

　　

低功耗无疑是 LoRa 网络技术的最大特点，LoRa 使用扩频调制技术，可解调低于 20 dB 的噪声，这确保了高灵敏度和可靠的网络连接，而使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率，且可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。与传统采用固定速率的 FSK 系统相比，LoRa 协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗，一般来说 95%的节点只占用 10%的总能耗。

　　

在实际应用中，采用 LoRa 协议的物联网设备无线通信距离超过 15 公里(郊区环境)，电池使用寿命可达 10 年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与 LoRa 技术网关连接起来，这一优势是传统网络通讯标准无法达到的。

　　

目前，采用 LoRa 技术的物联网络已开始商用，将各类电池供电的设备连接起来。在用户需求的推动下，可以预测，类似 LoRa 的网络也将成为物联网领域的下一个风口，切实有效地解决物联网设备“互联”方面的痛点，进一步打破物联网发展的瓶颈。

 

物联网安全：

适用于物联网的覆盖全国的网络需要解决诸如关键性基础设施、机密的个人数据或社会公共服务等安全通信的问题，这方面一般采用多层加密的方式来解决：

· 唯一网络密钥（EU164）并保证网络层安全

· 唯一应用密钥（EU164）并保证应用层端到端的安全

· 设备特别密钥（EUI128）

 

LoRaWAN 网络各节点具有多层级安全方案，保证各类应用的不同需求：

· 双向通信终端设备（A 等级）：处于 A 等级的终端设备允许双向通信，每一终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求，其微调是基于一个随机的时间基准（ALOHA 协议）。A 等级的终端设备应用中功耗最低，在终端发送一个上行传输信号后才能与服务器进行下行通信，与服务器任何时候的下行通信都只能是在上行通信之后。