1.2
LoRa技術參數
發布日期：2022-05-25 點擊率：42
ta_text">唯傳科技
1.1
概述
1.2
LoRa技術參數
LoRa技術是升特公司（Semtech)的專有擴頻調制技術。傳輸使用擴頻來抵抗干擾，并處理由低成本晶體引起的頻偏。 LoRa鍵的特點是：長距離，高魯棒性，多徑電阻，多普勒電阻和低功耗。 目前可用的LoRa收發器可在137 MHz至1020 MHz之間工作，因此也可在許可頻段內運行。 然而，它們通常部署在ISM頻段（歐盟：868MHz和433MHz，美國：915MHz和433MHz,中國：470～510MHz）。
傳輸參數分析
Lora技術最為一種無線射頻傳輸技術，主要的參數由以下幾個組成：發射功率（TP），載波頻率（CF），擴頻因子（SF），帶寬（BW）和編碼速率（CR）。網絡系統的能量消耗，傳播范圍和抗噪聲能力都是由這些參數的選擇決定的。
LoRa無線電上的TP可以從4dBm調整到20dBm，步長為1dB，但是由于硬件實現限制，范圍通常限制在2dBm到20dBm。此外，由于硬件限制，高于17 dBm的功率電平只能在1％占空比下使用。
CF是可以在137MHz至1020MHz之間的61Hz步進編程的中心頻率。根據特定的LoRa芯片，該范圍可能限制在860 MHz至1020 MHz。
SF是符號率和芯片速率之間的比率。較高的擴頻因子增加了信噪比（SNR），從而提高了靈敏度和范圍，同時也增加了數據包的通話時間。每個符號的碼片數量計算為2SF。例如，使用SF（SF12）4096芯片/符號的SF。 SF的每增加一次傳輸速率，傳輸持續時間和最終的能量消耗加倍。擴頻因子可以從6到12.從前面的工作中可以看出，與不同SF的無線電通信是相互正交的，使用不同SF的網絡分離是可能的。
BW是傳輸頻帶中的頻率寬度。較高的BW給出了更高的數據速率（因此在空中的時間更短），但是較低的靈敏度（因為附加噪聲的集成）。較低的BW給出更高的靈敏度，但是更低的數據速率。較低的BW也需要更精確的晶體（較少的ppm）。因此，125kHz的帶寬對應于125kcps的速率。雖然可以在7.8kHz至500kHz的范圍內選擇帶寬，但典型的LoRa網絡可以工作在500 kHz，250 kHz或125 kHz。此外，低于62.5 kHz的帶寬需要溫度補償晶體振蕩器（TCXO）。
CR是由LoRa調制解調器使用的FEC速率，可以防止突發干擾，并且可以設置為4/5，4/6，4/7或4/8。更高的CR提供更多的保護，但增加空中時間。具有不同CR（和相同的CF，SF和BW）的無線電臺如果使用顯式報頭，仍可以相互通信，因為有效payload的CR被存儲在報文的報頭中。
LoRa分組結構如圖1所示。分組以前導碼開始，可編程從6到65535個符號，射頻添加4.25個符號。之后遵循可選的報頭，其描述有效載荷的長度和FEC速率，并且指示有效payload包含可選的16位CRC。頭部始終以4/8 FEC速率傳輸，并具有自己的CRC。在可選頭之后，有一個負載，可以包含1到255個字節。在有效載荷的最后，可以包括可選的16位CRC。
LoRa的空中傳輸時間取決于有效payload的大小，SF，BW和CR的組合。傳輸的持續時間可以使用升特公司提供的LoRa調制解調器計算工具進行計算。必須注意的是，根據所選擇的通信設置，數據包可以在空中時間方面具有差異。例如，20字節的數據包可以在9 ms和2.2 s之間變化。因此，通信參數的選擇對LoRa部署的可擴展性具有重大影響。
如果接收到的信號強度功率Prx位于靈敏度閾值Srx之上，則傳輸成功被接收端接收。接收信號功率Prx取決于發射功率Ptx以及沿通信路徑的所有增益和損耗：
Prx 是以dB為單位的接收功率
Ptx 是以dB為單位的發射功率
Gtx 是以dBi為單位的發射機天線增益
Ltx 是以dB為單位的發射機損耗（RF開關，不匹配電路，連接器）
Lpl 是路徑損耗以dB為單位
Lm 是以dB為單位的雜項損耗（衰減余量，其他損耗）
Grx 是接收天線增益單位是dBi
Lrx 是接收機損耗
為了本研究的目的，我們將這個一般方程式簡化為：
這里，GL結合了所有的一般增益和損耗，而Lpl代表由通信環境的性質決定的路徑損耗。在發射機側，只能通過改變發射功率來改變范圍。其他參數如SF，BW和CR不影響輻射功率或任何其他損益。在接收機側，該范圍由受LoRa參數SF和BW影響的靈敏度閾值Srx限制。有許多模型來描述不同環境（建立區域，自由空間）的路徑損耗。我們使用眾所周知的對數距離路徑損耗模型，其通常用于建模和人口稠密地區的部署。 使用該模型，根據通信距離d的路徑損耗可以描述為：
其中Lpl（d）是以dB為單位的路徑損耗，Lpl（d0）是參考距離d0處的平均路徑損耗，γ是路徑損耗指數，Xσ?N（0，σ2），零均值的正態分布， σ2方差來計算陰影。
LoRa技術宣稱通信范圍在郊區環境可以超過15公里。國外的一組試驗數據顯示，當d0在40m取值，Lpl（d0）為127.41dB，γ為2.08，σ為3.57。
接收靈敏度計算公式
根據升特公司提供的無線電接收機在室溫下的靈敏度計算參考，由下式給出：
第一個術語描述1 Hz帶寬的熱噪聲，只能通過改變接收機的溫度來影響。
BW是接收機帶寬。 NF是接收機噪聲系數，并針對給定的硬件實現進行了修復。
SNR是底層調制方案所要求的信噪比，由擴頻因子SF決定。 SF越高，信噪比越高。
由于BW設置為2的冪級，我們可以從等式4推導出增加帶寬會使靈敏度降低3dB，反之亦然。與SF類似，增加擴頻因子將每個符號的芯片加倍，從而將靈敏度提高3 dB。
國外的同行的一組試驗如下：
兩個節點放置在辦公樓不同樓層的不同房間。節點之間的距離約為40m。擴展因子（SF7至SF12），帶寬（125 kHz，250 kHz，500 kHz），編碼率（CR 4/5，CR 4/6，CR 4/7）的所有組合，一個節點發送固定數量的分組和CR 4/8）和發射功率（2dBm至17dBm）。重復在幾天的測量和記錄最小RSSI的所有正確接收的數據包來確定靈敏度。結果示于表1。
如預期的那樣，降低帶寬或增加擴頻因子確實提高了靈敏度！然而，每個步驟之間的差異不是3dB，而是在0 dB至4 dB的范圍內，平均值為2 dB。大概這是由于外部干擾，以及無線電芯片本身以外的硬件限制引起的。
表1 在不同SF、BW下測量到的的接收靈敏度
總結
使用公式2，等式3和等式4，我們現在可以估計是否能夠接收到發射端的LoRa傳輸信號，可以描述為：
為了確定Prx，Lpl，d0，γ和σ必須設置為參數路徑損耗模型，通信距離d必須是已知的。接收靈敏度Srx取決于選定的BW和SF。
如您希望了解唯傳研發的基于LoRaWAN協議的網關路由器、模塊和終端產品，請訪問www.winext.cn
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： LoRaWAN 開發套件入門
