基礎(chǔ)知識之關(guān)于LoRa的30個常見問題解答

1) 什么是LoRa調(diào)制？

LoRa (Long Range，遠距離)是一種調(diào)制技術(shù)，與同類技術(shù)相比，提供更長的通信距離。調(diào)制是基于擴頻技術(shù)，線性調(diào)制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）。LoRa顯著地提高了接受靈敏度，與其他擴頻技術(shù)一樣，使用了整個信道帶寬廣播一個信號，從而使信道噪聲和由于使用低成本晶振而引起頻率偏移的不敏感性更健壯。LoRa可以調(diào)制信號19.5dB低于底噪聲，而大多數(shù)頻移鍵控（FSK）在底噪聲上需要一個8-10dB的信號功率才可以正確調(diào)制。LoRa調(diào)制是物理層（PHY），可為不同協(xié)議和不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所用-Mesh、Star、點對點等等。

2) 什么是LoRaWAN？

LoRa調(diào)制是PHY，LoRaWAN是MAC協(xié)議，用于大容量遠距離低功耗的星型網(wǎng)絡(luò)，LoRa聯(lián)盟正在對低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）進行標(biāo)準(zhǔn)化。

LoRaWAN協(xié)議針對低功耗、電池供電的傳感器進行了優(yōu)化，包括了不同級別的終端節(jié)點以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)延遲和電池壽命間的平衡關(guān)系。它是完全雙向的，由安全專家構(gòu)建確保了可靠性和安全性。LoRaWAN架構(gòu)還可輕松定位移動目標(biāo)用于資產(chǎn)跟蹤，這是物聯(lián)網(wǎng)增長量最快的應(yīng)用。主要的電信運營商正在將LoRaWAN部署為全國網(wǎng)絡(luò)，LoRa聯(lián)盟正在標(biāo)準(zhǔn)化LoRaWAN以確保不同的國家網(wǎng)絡(luò)是可以互操作的。

3） 什么是LoRa網(wǎng)關(guān)？

LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計用于遠距離星型架構(gòu)，并運用在LoRaWAN系統(tǒng)中。他們是多信道、多調(diào)制收發(fā)、可多信道同時解調(diào)、由于LoRa的特性甚至可以同一信道上同時多信號解調(diào)。網(wǎng)關(guān)使用不同于終端節(jié)點的RF器件，具有更高的容量，作為一個透明橋在終端設(shè)備和中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間中繼消息。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端設(shè)備使用單跳的無線通信到一個或多個網(wǎng)關(guān)。所有終端節(jié)點的通信一般都是雙向的，但還支持如組播功能操作，軟件升級，無線傳輸或其他大批量發(fā)布消息，這樣就減少了無線通信時間。根據(jù)要求的容量和安裝位置（家庭或塔），有不同的網(wǎng)關(guān)版本。

4） LoRaWAN數(shù)據(jù)速率是多少？

對于LoRa來說，LoRaWAN數(shù)據(jù)速率范圍在0.3kbps到11kbps之間，歐洲地區(qū)GFSK數(shù)據(jù)速率是50kbps。在北美地區(qū)，由于FCC限制最小數(shù)據(jù)速率是0.9kbps。為使終端設(shè)備的電池壽命和總體網(wǎng)絡(luò)容量最大化，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）算法對每個終端設(shè)備數(shù)據(jù)速率和RF輸出分別進行管理。ADR對于高性能網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，具有了可擴展性。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，以最小的投資部署一個網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要增加容量時，就部署更多的網(wǎng)關(guān)，ADR將會使數(shù)據(jù)速率更高，可將網(wǎng)絡(luò)容量擴展6到8倍。

5） LoRa集中器是什么？

網(wǎng)關(guān)和集中器這兩個術(shù)語都有在使用，但在LoRa系統(tǒng)中他們是等效的部件。在其他行業(yè)里，網(wǎng)關(guān)和集中器的定義意味著不同的部件。

6） LoRa處理干擾怎么樣？

LoRa調(diào)制解調(diào)器對同信道GMSK干擾抑制可達19.5dB，或換句話說，它可以接受低于干擾信號或底噪聲的信號19.5dB。因為擁有這么強的抗干擾性，所以LoRaTM調(diào)制系統(tǒng)不僅可以用于頻譜使用率較高的頻段，也可以用于混合通訊網(wǎng)絡(luò)，以便在網(wǎng)絡(luò)中原有的調(diào)制方案失敗時擴大覆蓋范圍。

7）LoRa數(shù)據(jù)數(shù)率是多少？

LoRaWAN定義了一組特定的數(shù)據(jù)速率，但終端芯片或PHY是可以有多種選項。SX1272支持?jǐn)?shù)據(jù)速率從0.3到37.5kbps，SX1276支持0.018到37.5kbps。

8） 什么是LoRa終端節(jié)點或點？

LoRa終端節(jié)點是LoRa網(wǎng)絡(luò)的部分，進行感應(yīng)或控制。他們在遠程電池供電。這些終端節(jié)點使用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與LoRa網(wǎng)關(guān)（集中器或基站）建立通信。

9) 什么是自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）？

ADR是一種方法，改變實際的數(shù)據(jù)速率以確保可靠的數(shù)據(jù)包傳送，最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，容量的規(guī)模。例如，靠近于網(wǎng)關(guān)的節(jié)點使用較高的數(shù)據(jù)速率（縮短傳輸時間）和較低的輸出功率。只有在鏈路預(yù)算非常邊緣的節(jié)點才使用最低的數(shù)據(jù)速率和最大的輸出功率。ADR方法可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的變化，支持變化的路徑損耗。為使終端設(shè)備的電池壽命和總體網(wǎng)絡(luò)容量最大化，LoRa網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施通過實現(xiàn)ADR對每個終端設(shè)備的數(shù)據(jù)速率和RF輸出分別進行管理。

10) LoRa設(shè)備天線上可以達到的實際Tx功率是多少？

在芯片引腳輸出的功率是+20dBm，經(jīng)過匹配/濾波損耗后在天線后，在天線上功率是+19dBm +/-0.5dB。最大輸出功率在不同的地區(qū)有不同的規(guī)定，LoRaWAN規(guī)范定義了不同地區(qū)不同的輸出功率使鏈路預(yù)算最大化。

11）LoRa解決方案的價格是多少？

LoRa設(shè)備（如SX1272或SX1276）使用了一個較低成本的晶振。在窄帶技術(shù)里，RX/TX收發(fā)期間需要一個昂貴的溫度控制的晶體振蕩器以減少頻率漂移。根據(jù)量和功能，一個完整終端節(jié)點典型的材料清單成本是25美元。長的傳輸距離意味著簡化了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，因不需要中繼部署成本較低。較低的功耗意味著使用較低成本的電池和網(wǎng)絡(luò)維護。

12） LoRa信道活動檢測（CAD）模式的過程是怎樣的？

CAD用于檢測LoRa信號的存在，而不是使用一個接受信號強度（RSSI）的方法來識別是否有信號存在。它能夠把噪音和需要的LoRa信號區(qū)分出來。CAD過程需要兩個符號，如果被CAD檢測到，CAD_Detected中斷變?yōu)橛行?，設(shè)備處于RX模式接受數(shù)據(jù)有效載荷。

13) 為什么我的LoRa設(shè)備或模塊輸出功率達不到20dBm？

+20dBm規(guī)格是對芯片引腳輸出功率而言。在任何的RF系統(tǒng)中，帶通濾波器和RF開關(guān)都有插入損耗的特性，在匹配濾波后天線上典型性能可達到+19dBm。

14） 可以頻繁地在FSK和LoRa調(diào)制之間改變模式？

是的，沒有問題。LoRa設(shè)備通過簡單的SPI寄存器寫入可以從FSK切換到LoRa（反過來也一樣）。對設(shè)備的性能和可靠性沒有影響。LoRa設(shè)備按照數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的可以配置或重新配置為任意參數(shù)。

15）如果不能達到+20dBm，如何解決輸出功率問題？

1.) 請確認(rèn)你連接到正確的引腳（PA_Boost）設(shè)置，20dBm輸出的引腳。每個頻段有兩個輸出端口。一個是高功率端口稱為PA_boost，另一個是高效端口稱為RFO。

2.) 然后，檢測軟件配置。應(yīng)該正確地配置好三個寄存器：RegPaConfig、RegOcp 和 RegPaDac。這意味著你在軟件中應(yīng)選擇正確的引腳做相應(yīng)的輸出，再依據(jù)你需要的功耗級別設(shè)置正確的值。

3.) 確認(rèn)他們與Semtech參考設(shè)計相一致以便設(shè)計一個好的PCB布局。這對于可能達到最大的輸出功率來說是重要的。

16) LoRa系統(tǒng)如何實現(xiàn)批量生產(chǎn)測試？

在批量生產(chǎn)中要測試的有三個重要參數(shù)：頻率容限、輸出功率、靈敏度。頻率和輸出功率使用頻譜分析儀容易測試。如果你的信號發(fā)生器不能產(chǎn)生一個LoRa信號，強烈建議使用FSK模式測試靈敏度。芯片里僅有一個RF鏈路，F(xiàn)SK和LoRa都在數(shù)字域調(diào)制。RF路徑有可能會裝配錯誤（如虛焊），因此驗證是重要的。芯片LoRa和FSK調(diào)制的數(shù)字部分不受裝配影響，因此對于驗證生產(chǎn)測試性能測試FSK靈敏度就足夠了。

17） 如何為LoRa設(shè)備選擇正確的晶振？

正常地，對于大多數(shù)設(shè)計，帶寬62.5kHz或更高，一個+/-10ppm的XTAL就足夠了。帶寬小于62.5kHz，強烈推薦使用TCXO。有關(guān)晶振規(guī)格更多的詳細信息，請參考數(shù)據(jù)手冊以及LoRa調(diào)制解調(diào)器計算器工具和應(yīng)用筆記 - AN1200.14_XO_Gidance_LoRa_Modulation_STD”。

18) 對于LoRa帶寬信號，你如何在LoRa模式中測量頻率精度？

如果僅是為了測量，你可以使用頻率合成器TX（FSTX）模式，如在LoRa寄存器表里中所列，基于LoRa配置產(chǎn)生一個CW信號音。

19）信號帶寬（BW）、符號速率（Rs）和數(shù)據(jù)速率（DR）間的關(guān)系是什么？

理論上， Rs=BW/(2^SF)、DR= SF*( BW/2^SF)*CR，但我們建議你使用Semtech LoRa調(diào)制解調(diào)器計算器按照不同的配置選型評估數(shù)據(jù)速率和傳輸時間。

20) 如何選擇LoRa信號帶寬（BW）、擴頻因子（SF）和編碼率（CR）?

LoRaWAN主要使用了125kHz信號帶寬設(shè)置，但其他專用協(xié)議可以利用其他的信號帶寬（BW）設(shè)置。改變BW、SF和CR也就改變了鏈路預(yù)算和傳輸時間，需要在電池壽命和距離上做個權(quán)衡。請使用LoRa調(diào)制解調(diào)器計算器評估權(quán)衡。

21）當(dāng)兩個不同制造商的SX127x模塊不能相互通信時，故障檢測的步驟是什么？

首先，在兩個設(shè)備間檢查由晶振引起的頻率偏移。帶寬（BW）、中心頻率和數(shù)據(jù)速率這些都源自晶振頻率。其次，檢查在兩邊的軟件/固件設(shè)置，確保頻率、帶寬、擴頻因子、編碼率和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)是一致的。

22） 在LoRa模式，當(dāng)循環(huán)冗余校驗（CRC）使能時，怎樣可能接受到一個錯誤的數(shù)據(jù)包？

在LoRa模式，即使CRC是錯誤的，有效載荷也會添加到FIFO。在取得有效載荷前必須檢查位PayloadCrcError知道它完整性。在顯式報頭（Explicit Header）模式，有一個小的可能性一個假檢測產(chǎn)生一個“克隆”數(shù)據(jù)包。

要么錯誤的報頭打開CrcOn位，那么有效載荷將會是錯誤的，調(diào)制解調(diào)器將會將它標(biāo)記作為一個PayloadCrcError條件，因此數(shù)據(jù)包容易被過濾掉；要么錯誤的報頭禁止CrcOn位，這種情況該模式認(rèn)為數(shù)據(jù)包是好的。這些偶然的壞包會有一個隨機的長度（從錯誤報頭信息中提取），容易通過主機過濾掉，例如看到異常的尺寸大小。

23） 我可以用LoRa設(shè)備發(fā)送或接受一個無限長度的有效載荷數(shù)據(jù)包？

不可以，在LoRa模式中最大數(shù)據(jù)包長度是256個字節(jié)。

24）在LoRa模式中如何使用DIOx引腳？所有DIOx引腳都要連接到MCU嗎？

當(dāng)你開始設(shè)計時，在LoRa和FSK兩種模式中檢查DIO映射。你可以在SX127x LoRa數(shù)據(jù)手冊中找到DIO映射信息。DIO沒有像通常（典型）MCU GPIO那樣的功能。有一些特殊的中斷信息（或時鐘輸出）指示事件或芯片狀態(tài)，這使得你的固件設(shè)計更易于實現(xiàn)。理論上，你可能不連接DIO引腳，那么就輪詢相關(guān)的寄存器知道狀態(tài)結(jié)果。當(dāng)然，我們建議連接DIO盡可能多地用作外部中斷功能，節(jié)省MCU的資源負(fù)載，可以很低功耗工作模式（當(dāng)打包發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包時，MCU睡眠）。

25） 在LoRa模式中為什么有兩個RSSI寄存器？有什么區(qū)別？

在LoRa模式中，RegPktRssiValue和RegRssiValue 兩個寄存器都是有用的。RegPktRssiValue指的是數(shù)據(jù)包RSSI水平，RegRssiValue與在FSK模式（非LoRa模式）中的RSSI相似。

如你所知，LoRa可以解調(diào)低于底噪聲（PktRssi 結(jié)果）的數(shù)據(jù)包，那么CurrentRssi等于或大于底噪聲。關(guān)于如何計算這兩個RSSI的值更多信息，請參考Semtech API或最新的LoRa數(shù)據(jù)手冊。

26）如何計算LoRa系統(tǒng)的實際位速率和傳輸時間？

下面列出了步驟（i-V）：

通過使用LoRa計算器計算是容易的，可以從Semtech網(wǎng)站下載（下面的連接）。

http://www.semtech.com/apps/filedown/down.php?file=SX1272LoRaCalculatorSetup1%271.zip

27) LoRa模式的有效載荷長度可以用任意數(shù)據(jù)速率配置為256字節(jié)?

SX127x LoRa設(shè)備在LoRa模式中有一個256字節(jié)的FIFO。理論上，所有的256字節(jié)都可以用于TX或RX。然而，用低數(shù)據(jù)速率配置，256字節(jié)有效載荷的傳輸時間將會很長（幾秒或更長），這對于抗衰落和高干擾環(huán)境是不好的。在大多數(shù)環(huán)境中這不是一個健壯的配置，因此建議如果想要一個使用低數(shù)據(jù)速率長的有效載荷，那么數(shù)據(jù)包可以分成幾個短的數(shù)據(jù)包。

28) LoRa是mesh網(wǎng)絡(luò)，點對點傳，或者是一個網(wǎng)絡(luò)？

LoRa本身是一個PHY，可用于所有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。mesh網(wǎng)絡(luò)擴展了網(wǎng)絡(luò)的范圍，但會是以降低網(wǎng)絡(luò)容量、同步開銷和電池壽命減少為代價，由于同步和跳數(shù)的緣故。隨著LoRa的鏈路預(yù)算和距離范圍的增加，沒有必要用mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)擴展距離，因此LoRaWAN選擇星型架構(gòu)可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量、電池壽命，安裝容易。

29) LoRa可以使用IPv6和6LoWPAN？

是的，LoRa是與IPv6和6LoWPAN兼容的。Actility（LoRa合作伙伴）和其他合作伙伴在LoRaWAN上面實現(xiàn)了6LoWPAN。

30） LoRa網(wǎng)關(guān)的容量是多少？ 一個網(wǎng)關(guān)可以連接多少個節(jié)點？

首先最重要的是，容量是在一定時間內(nèi)節(jié)接受數(shù)據(jù)包數(shù)量的一個結(jié)果。一個SX1301有8個通道，使用LoRaWAN協(xié)議每天可以接受接近150萬包數(shù)據(jù)。因此，如果你的應(yīng)用每小時發(fā)送一個包，那么一個SX1301網(wǎng)關(guān)可以處理大約62500個終端設(shè)備。