LoRa技術(shù)原理及關(guān)鍵參數(shù)研究

◆唐銘軒

LoRa技術(shù)原理及關(guān)鍵參數(shù)研究

◆唐銘軒

（南京郵電大學(xué) 江蘇 210023）

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的移動蜂窩通信技術(shù)無法滿足節(jié)點設(shè)備低功耗、長距離且大容量的通信特點與要求，促使低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）應(yīng)運而生，LoRa 技術(shù)以其傳輸距離遠、功耗低的優(yōu)勢成為此領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。本文詳細研究分析了LoRa技術(shù)的通信原理、基本參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)以及空中傳輸時間等指標。

LoRa技術(shù)；原理；數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展并成為熱門領(lǐng)域，其主要目的是利用部署的終端節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，來實時監(jiān)測以及采集目標信息，從而實現(xiàn)智能化管理、降低人工成本、提高效益。近幾年來LPWAN 領(lǐng)域新興的無線技術(shù)有LoRa、NYrIoT、NB-IoT、Sigfox等。其中LoRa技術(shù)是美國升特公司在2013年提出的，發(fā)展比較快且應(yīng)用也較為廣泛，LoRa利用特殊的線性擴頻技術(shù)對信號進行調(diào)制，能夠?qū)崿F(xiàn)最高 15km 的遠距離傳輸和長達十年的電池壽命。LoRa技術(shù)相較于其他 LPWAN技術(shù)，在成本上更低，因為它工作在非授權(quán)頻段不需要支付額外的費用；并且LoRa 設(shè)備不需要定期聯(lián)網(wǎng)，在功耗方面更具有優(yōu)勢；另外，LoRa 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進行全球范圍的覆蓋，技術(shù)相對成熟，所以采用LoRa 技術(shù)是必要的。目前，LoRa技術(shù)已經(jīng)被成功用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人控制、智能無線抄表、安防系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

1 LoRa 技術(shù)概述

LoRa 是一種低功耗廣域網(wǎng)中的通信技術(shù)，是 Semtech 公司專有的一種基于擴頻技術(shù)且有著超遠傳輸距離的無線通信技術(shù)。應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線技術(shù)，有 3G、4G 等城域網(wǎng)，還有局域網(wǎng)以及其他短距離的通信技術(shù)，例如藍牙、WiFi 和 Zigbee 等技術(shù)，這些短距無線通信技術(shù)，有著十分明顯的優(yōu)劣之處。并且在實際應(yīng)用開發(fā)和工程中，通常無法保證同時實現(xiàn)長距離的傳輸且功耗較低，但是 LoRa 技術(shù)能夠解決這個問題，它可以讓設(shè)計人員既保證更長距離的通信也能夠?qū)崿F(xiàn)更低的功耗。

LoRa 技術(shù)將數(shù)字信號處理、數(shù)字擴頻以及前向糾錯編碼技術(shù)結(jié)合在一起，極大提高了其性能。在此之前，這些技術(shù)只有一些無線電通信等級較高的工業(yè)才會融合，而隨著 LoRa 的興起，徹底地改變了嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面。前向糾錯編碼技術(shù)表示對信息進行冗余編碼，這樣，接收端就會及時糾正數(shù)據(jù)在傳輸過程中注進的錯誤碼元。此技術(shù)不僅減少了數(shù)據(jù)包的重傳，并且在解決突發(fā)性誤碼上也具有很大的優(yōu)勢。

2 關(guān)鍵參數(shù)

LoRa 技術(shù)主要有三個關(guān)鍵參數(shù)，分別為：擴頻因子（SF）、編碼率（CR）和信號帶寬（BW）。

2.1 擴頻因子（SF）

使用LoRa技術(shù)將每一位的有效載荷信息都用多個碼片來表示，符號速率（RS）為擴頻信息的傳輸速率，擴頻因子 = 碼片速率/符號速率（RS），其代表了每個信息位將要傳輸?shù)姆枖?shù)量。

擴頻因子越大，需要的有效數(shù)據(jù)的編碼長度越大，導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)的發(fā)送速率越小，但可以降低誤碼率，提高信噪比（信號與噪聲的比值，理論上越大越好）。比如：有效數(shù)據(jù)位為 8bit，使用的擴頻因子越大，實際需要發(fā)送的數(shù)據(jù)位就越大（比如 100bit），就導(dǎo)致同樣的有效數(shù)據(jù)需要實際發(fā)送的數(shù)據(jù)位越多，導(dǎo)致實際有效數(shù)據(jù)發(fā)送速度就越慢了。

簡單來說，就是將每一位的數(shù)據(jù)都乘上擴頻因子，假設(shè)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為 1，如果擴頻因子選擇 1，那么就用 1 來表示該傳輸數(shù)據(jù) 1；如果選擇的擴頻因子是 6，這時候數(shù)據(jù) 1，就要用 111111 來表示，擴大了 6 倍的數(shù)據(jù)量。

經(jīng)過數(shù)據(jù)擴頻后傳輸?shù)恼`碼率能夠降低，即信噪比提高了，但卻減少了在數(shù)據(jù)量相同的條件下能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此，擴頻因子與數(shù)據(jù)傳輸速率成反比，擴頻因子的擴大意味著數(shù)據(jù)傳輸速率的降低。LoRa 擴頻因子的取值范圍如表1所示。

表1 LoRa 擴頻因子取值范圍表

2.2 編碼率

數(shù)據(jù)流有效部分所占的比例稱為編碼率。編碼器會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生冗余，例如編碼率設(shè)為 k/n，編碼器會將每 k 位有效信息編成 n 位的數(shù)據(jù)，那么多余的部分就是 n-k。其中循環(huán)糾錯編碼技術(shù)是 LoRa 技術(shù)用來檢測前向錯誤并糾正，但使用這種技術(shù)會有傳輸開銷產(chǎn)生。如表2所示為循環(huán)編碼的數(shù)據(jù)開銷。

表2 循環(huán)編碼開銷

2.3 信號帶寬

通道帶寬（BW）是指信道允許能夠通過的信號上限與下限頻率，通俗理解為頻率通帶。若信道的通帶為 15kHz 到 25kHz，則其帶寬就是 10kHz，在 LoRa 中，帶寬取值范圍為7.8kHz-500kHz 之間，BW 的擴大，能夠提高傳送速率減少傳送時間，但是同時接收靈敏度會有所下降。LoRa 調(diào)制技術(shù)采用全信道帶寬即雙邊帶寬，傳統(tǒng)的FSK調(diào)制使用單邊帶寬。如表3 所示為 LoRa 帶寬選項。

表3 LoRa 帶寬選項

其中 LoRa 符號速率（R）以及數(shù)據(jù)速率（）受到，，這三個關(guān)鍵參數(shù)的影響，可以通過以下公式計算獲得。

3 LoRa 數(shù)據(jù)包格式

LoRa 主要有兩種數(shù)據(jù)包格式：顯示和隱式，區(qū)別在于顯示數(shù)據(jù)包包含報頭 Header部分，主要格式如圖1 所示。其主要由前導(dǎo)碼 Preamble、可選類型的報頭Header和CRC（顯性模式下）、數(shù)據(jù)有效負載Payload及負載CRC校驗組成。

圖1 LoRa 數(shù)據(jù)包格式

（1）preamble 前導(dǎo)碼

設(shè)置前導(dǎo)碼的目的是確保接收端同步輸入信號，同時提示接收芯片及時接收發(fā)送端將要傳送的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)的丟失，發(fā)送完前導(dǎo)碼之后，節(jié)點隨即就會傳送信息。前導(dǎo)碼默認為 12 個符號長度的大小，根據(jù)實際應(yīng)用也可以進行擴展，通過減小前導(dǎo)碼的長度，可以降低接收機的占空比，前導(dǎo)碼長度的范圍是 6+4～65535+4。LoRa接收端周期性的檢測前導(dǎo)碼。所以發(fā)射端和接收端的前導(dǎo)碼長度必須相同，若是前導(dǎo)碼未知，則需要將接收端的前導(dǎo)碼長度定義成最大值。

（2）報頭

報頭的顯示或隱式兩種類型通過操作模式來設(shè)置，通過在寄存器上設(shè)定相應(yīng)的值來選擇。LoRa 默認的模式是顯式模式，在顯式下，報頭會涵蓋負載 Payload 信息，其中包括：前向糾錯編碼率、負載的長度（byte）以及使用CRC校驗的情況，此時Header 采用最大循環(huán)編碼率（4/8）來傳輸數(shù)據(jù)，報頭中還包括本身的CRC信息，接收端可以以此判斷數(shù)據(jù)包的有效性。隱式報頭模式在特殊狀況下使用。若是已知編碼率、負載的長度和 CRC 的情況，就采用隱式模式，這樣可以減小傳輸時間。這需要事先手動的設(shè)定好編碼率、負載長度和CRC。值得注意的是當擴頻因子SF選擇為6時，只能選擇隱式模式。

（3）有效載荷

有效負載的字段沒有固定的長度，可以通過顯示模式下的報頭設(shè)定或是隱式模式下設(shè)置寄存器的相應(yīng)值。

4 空中傳輸時間

在2.3關(guān)鍵參數(shù)小節(jié)中得出符號速率R，那么一個 LoRa 數(shù)據(jù)包它的符號周期T計算如下：

而 LoRa 數(shù)據(jù)包的空中傳輸時間，相當于前導(dǎo)碼的傳輸時長T加上數(shù)據(jù)包的傳送時長T。其中前導(dǎo)碼的傳送時長可由公式4計算得出：

式中，N表示設(shè)置好的前導(dǎo)碼長度，數(shù)據(jù)包的傳送時長T由采用的報頭模式?jīng)Q定。數(shù)據(jù)包的傳送時長T由公式5 計算得出：

其中，為有效負載的符號數(shù)，計算符號數(shù)的公式6所示：

式中每個符號定義如下：Payload 為負載的字節(jié)個數(shù)取值范圍是 1-255；范圍為 6-12 的擴頻因子SF；當沒有用報頭時，H 取 0；采用報頭時，H 取 1；DE 表示低速率數(shù)據(jù)優(yōu)化（使用時 DE=1，沒有使用 DE=0）；CR 為編碼率（范圍 1-4）；因此，總的數(shù)據(jù)傳輸時間 Tpacket可以確定：

5 總結(jié)

LoRa 技術(shù)作為低功耗廣域網(wǎng)的新興技術(shù)，應(yīng)用的越來越廣泛，本章先是詳細闡述了 LoRa 通信技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)，分析了基于 LoRa 技術(shù)的通信原理、基本參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)以及空中傳輸時間等指標。目前對與 LoRaWAN 協(xié)議的研究正逐步增多，而作為近年來興起的通信技術(shù) LoRa 技術(shù)的發(fā)展會進一步擴大。

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