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LoRa技術(shù)特點

        LoRa技術(shù)是一種擴頻調(diào)制技術(shù)，也稱為Chirp調(diào)制（注：Chirp這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點，對于信號處理來講也可稱作掃頻），這種調(diào)制技術(shù)是Semtech公司獨有的IP（知識產(chǎn)權(quán)）。擴頻技術(shù)是一種用帶寬換取靈敏度的技術(shù)，Wi-Fi、ZigBee等技術(shù)都使用了擴頻技術(shù)，但是LoRa調(diào)制的特點是可以最大效率地提高靈敏度，以至于接近香農(nóng)定理的極限。尤其是在低速率通信系統(tǒng)中，打破了傳統(tǒng)的FSK窄帶系統(tǒng)的實施極限，如圖1-20所示。

  圖1-20   LoRa與FSK靈敏度對比圖

        LoRa調(diào)制可以在更寬泛的通信速率工作，甚至可以工作在幾十比特每秒，而傳統(tǒng)的FSK技術(shù)很難工作在超窄帶環(huán)境，無法實現(xiàn)超低速率工作。如表1-6所示，在相同的通信速率下，LoRa比FSK靈敏度好8～12dBm，這是由兩種技術(shù)的調(diào)制解調(diào)特性決定的，LoRa調(diào)制的靈敏度已經(jīng)靠近了香農(nóng)定理的極限了?？梢哉fLoRa生態(tài)最重要的是LoRa調(diào)制技術(shù)，由于LoRa調(diào)制技術(shù)在物理層有巨大的優(yōu)勢，才使LoRa可以在短短幾年時間內(nèi)成為全球的LPWAN事實標(biāo)準(zhǔn)。

表1-6   LoRaVSFSK靈敏度對比表

LoRa技術(shù)有如下優(yōu)點。

        LoRa的字面意思是遠距離（LongRang），那么到底LoRa能傳多遠呢？現(xiàn)在已經(jīng)有多家衛(wèi)星公司把LoRa發(fā)射到了近地衛(wèi)星上，一般近地衛(wèi)星距離地面600～1600km。2019年1月底的TTN（TheThings Network）大會上，LacunaSpace的CTOThomas Telkamp帶來了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的分享和現(xiàn)場演示Using gatewayson satellitesto connect your existing LoRaWAN devices any where in the world（使用衛(wèi)星基站連接全球任意位置的LoRaWAN設(shè)備）。TTN與Lacuna在大會期間從SpaceNorway、Norwegian航天中心那邊借來了Norsat-2衛(wèi)星。當(dāng)這顆衛(wèi)星從會議室上空飛過時，衛(wèi)星會向地球發(fā)送LoRa消息。在會議大樓以及荷蘭臺夫特理工大學(xué)的屋頂上都使用Semtech標(biāo)準(zhǔn)芯片搭建了接收節(jié)點，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過，會立刻傳回消息，再通過現(xiàn)場布置的一臺60年高齡的電報機打出消息。圖1-21為LoRa衛(wèi)星的工作原理示意圖，LoRa傳感器可以放置在地球的任意角落（室外無頂部遮擋），都可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星上，并通過地面接收站，最終數(shù)據(jù)進入互聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器中。

圖1-21     LoRa衛(wèi)星工作原理示意圖

       這里需要強調(diào)的是，在LoRa的衛(wèi)星應(yīng)用中所有LoRa的硬件設(shè)備都使用Semtech標(biāo)準(zhǔn)芯片搭建，與傳統(tǒng)LoRa地面的應(yīng)用中使用的芯片完全相同，且衛(wèi)星的天線和功率也都和普通的LoRa應(yīng)用完全相同。LoRa衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)就是利用了LoRa生態(tài)中現(xiàn)有的大量低成本傳感終端設(shè)備，以及非授權(quán)頻段的廣泛使用，當(dāng)然衛(wèi)星應(yīng)用中最重要的還是LoRa那超遠的工作距離。

       無線設(shè)備的傳輸距離用1.2.3小節(jié)中的MCL表示或用鏈路預(yù)算表示。鏈路預(yù)算中最重要的參數(shù)為接收靈敏度，LoRa的最高靈敏度可達-149.1dBm，而藍牙、ZigBee等無線技術(shù)的靈敏度為-100dBm左右。LoRa靈敏度比它們好50dB。也就是說，LoRa可以解調(diào)的信號強度是藍牙、ZigBee的十萬分之一。LoRa的超高靈敏度來自調(diào)制本身，不依賴于窄帶（Sigfox使用超窄帶技術(shù)）也不依賴于重傳（NB-IoT使用重傳技術(shù)），也不依賴于編碼冗余（ZigBee使用編碼冗余）。

        圖1-22為LoRa在美國硅谷灣區(qū)的一個案例，一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以覆蓋圖中的一大片區(qū)域，最遠覆蓋處距離網(wǎng)關(guān)50km，這都是源于LoRa的遠距離特性。

圖1-22   LoRa實地測試

2.抗干擾能力強

        LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸，除了靈敏度優(yōu)勢外，還有一個非常重要的因素是超強的抗干擾能力。LoRa具有低于噪聲20dB依然可以通信的極限抗干擾技術(shù)，這是現(xiàn)有傳統(tǒng)通信技術(shù)都不具備的。

        如圖1-23所示，LoRa可以在噪聲之下20dB正常解調(diào)信號，而FSK理論上需要在噪聲之上8dB才能保證解調(diào)。2.1.3小節(jié)中有FSK的信噪比與誤碼率公式。當(dāng)通信過程中遇到外界電磁信號干擾時，LoRa可以繼續(xù)穩(wěn)定通信，而傳統(tǒng)的無線技術(shù)則無法通信。所以在一些信道干擾比較嚴(yán)重的區(qū)域，客戶都會選擇LoRa技術(shù)作為穩(wěn)定通信的核心技術(shù)。

圖1-23      LoRa抗干擾示意圖