LoRa設(shè)計(jì)的常見(jiàn)10大問(wèn)

近2年來(lái)，LoRa技術(shù)在國(guó)內(nèi)受重視，從高校到企業(yè)，再到自主創(chuàng)業(yè)者，都在了解和研究。作為從事LoRa研發(fā)3年，推出2代LoRa網(wǎng)關(guān)的銳米通信，接觸許多問(wèn)詢(xún)LoRa技術(shù)的客戶(hù)。為此，我們解釋一些LoRa技術(shù)的常見(jiàn)問(wèn)題。

1問(wèn)：LoRa是什么？

答：LoRa是Long Range（長(zhǎng)距離）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種長(zhǎng)距離、低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2009年法國(guó)公司Cycleo設(shè)計(jì)出一種優(yōu)異的擴(kuò)頻通信算法，后來(lái)，該公司被美國(guó)semtech公司收購(gòu)，后者于2013年推出LoRa芯片。目前，semtech公司是LoRa芯片唯一供應(yīng)商。

2問(wèn)：LoRaWAN是什么？

答：LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa廣域網(wǎng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是基于LoRa技術(shù)的一種通信協(xié)議。它主要包括三個(gè)層次的通信實(shí)體：LoRa終端、LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa服務(wù)器。

LoRaWAN是一個(gè)較龐大的體系結(jié)構(gòu)，支持CLASS A / B / C三種終端，使用LoRa MAC協(xié)議為網(wǎng)關(guān)和終端提供防沖突通信和同步機(jī)制，有4種服務(wù)器角色，分別擔(dān)任：網(wǎng)絡(luò)連接、應(yīng)用管理、接入控制和用戶(hù)數(shù)據(jù)。它的層次關(guān)系如下：

3問(wèn)：LoRa有什么優(yōu)點(diǎn)？

答：最大的優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)距離傳輸，采用擴(kuò)頻增益，它的傳輸距離約FSK的3倍；其次是低功耗，盡管它通信距離空曠能達(dá)到5km，仍保持良好的節(jié)能特性；再次，它工作在免費(fèi)ISM頻段，這為普通民眾使用該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)打開(kāi)了一道便捷之門(mén)，極大降低網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本。

4問(wèn)：LoRa有哪些缺點(diǎn)？

答：第一個(gè)缺點(diǎn)，傳輸速率低，因?yàn)閿U(kuò)頻調(diào)制后的通信帶寬窄，一般只適合傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二個(gè)缺點(diǎn)，硬件價(jià)格高，推出市場(chǎng)的時(shí)間不長(zhǎng)，沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，成本沒(méi)有被攤?。坏谌齻€(gè)缺點(diǎn)，LoRaWAN核心技術(shù)（通信協(xié)議和算法）需要繳納會(huì)費(fèi)才能獲取，這提高了研發(fā)成本和難度。

5問(wèn)：LoRa與常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的區(qū)別？

答：確實(shí)，我們身邊的無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)很多了：3G/4G、WiFi、藍(lán)牙和ZigBee，為什么還需要LoRa這種無(wú)線(xiàn)技術(shù)呢？其實(shí)，每種無(wú)線(xiàn)技術(shù)都只能適應(yīng)特定通信場(chǎng)景，需要配合使用才能構(gòu)建高效率、低成本的網(wǎng)絡(luò)。

打個(gè)比方，現(xiàn)代化的軍事組織，單兵武器都是配合使用，才能達(dá)到最佳火力配制。

6問(wèn)：LoRa的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有哪些？

答：在LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）有代表性的3種技術(shù)是：LoRa、Sigfox和LTE-M（包括NB-IoT）。它們技術(shù)參數(shù)對(duì)比如下：

7問(wèn)：LoRa為什么能傳輸?shù)酶h(yuǎn)？

答：無(wú)線(xiàn)通信的距離受很多因素的影響，包括：衰減、損耗、噪聲、大氣吸收、多徑和折射。長(zhǎng)期以來(lái)，要延長(zhǎng)通信距離，最直接的手段是增大發(fā)射功率，即提高Eb/N0（每位信號(hào)能量與每赫茲噪聲功率密度的比值），這種方式不能滿(mǎn)足低功耗的要求。

后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)頻技術(shù)可以得到如下收益：從各種類(lèi)型的噪聲和多徑失真中獲得免疫性；得到信噪比的增益。換句話(huà)說(shuō)，使用擴(kuò)頻通信抗干擾性更強(qiáng)，通信距離更遠(yuǎn)，LoRa的長(zhǎng)距離源自此處。

LoRa擴(kuò)頻調(diào)制的示意圖如下所示，用戶(hù)數(shù)據(jù)的原始信號(hào)與擴(kuò)展編碼位流進(jìn)行XOR（異或）運(yùn)算，生成發(fā)送信號(hào)流，這種調(diào)制帶來(lái)的影響是傳輸信號(hào)的帶寬有顯著增加（擴(kuò)展了頻譜）。

8問(wèn)：SX1276/8和SX1301是什么？

答：SX1276/8是semtech公司推出的LoRa終端芯片，單信道，前者面向歐美市場(chǎng)（支持862～1020MHz），后者面向中國(guó)市場(chǎng)（不支持支持862～1020MHz）。從硬件設(shè)計(jì)，到軟件驅(qū)動(dòng)，都開(kāi)源設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以免費(fèi)下載。

SX1301是semtech公司推出的LoRa網(wǎng)關(guān)芯片，8個(gè)LoRa信道，1個(gè)FSK信道，可以看成是FPGA+8路LoRa調(diào)制解調(diào)器。該芯片是semtech的核心利益塊，從數(shù)據(jù)手冊(cè)，到硬件參數(shù)，到軟件驅(qū)動(dòng)，到協(xié)議算法，都不公開(kāi)；僅當(dāng)用戶(hù)繳納付費(fèi)，成為L(zhǎng)oRa Alliance的會(huì)員，才能獲得相關(guān)資料和技術(shù)。

SX1301的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示，有2個(gè)前端芯片SX1255/7處理信號(hào)，推薦GPS提供精確時(shí)鐘，通過(guò)SPI與MCU連接。

9問(wèn)：LoRa網(wǎng)關(guān)一定是LoRaWAN+SX1301嗎？

答：從廣義上講，網(wǎng)關(guān)是連接2個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。如果一個(gè)設(shè)備，它能將LoRa無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和Internet連接起來(lái)，它就是一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，LoRa網(wǎng)關(guān)至少可以分為：便攜式，輕量級(jí)，區(qū)域級(jí)，電信級(jí)；前2者，容納的LoRa節(jié)點(diǎn)較少，通信帶寬較低，LoRa網(wǎng)關(guān)可以使用SX1276/8；后2者需要SX1301，甚至多片SX1301。

如果網(wǎng)關(guān)和終端都使用一家公司的，私有協(xié)議可以工作；當(dāng)然，要連接不同廠家的LoRa設(shè)備，甚至國(guó)際化，那就需要遵循LoRaWAN協(xié)議。

10問(wèn)：LoRa前景如何？

答：要預(yù)判一個(gè)年青（才3年）的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前景是很難的，除了技術(shù)外，有商業(yè)模式，有政治因素（保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)安全和帶動(dòng)本國(guó)就業(yè)等）。我們?cè)囍袻oRa在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比較下，可能聰明的您就能看到它的前景。

表1 國(guó)際

表2 國(guó)內(nèi)