◆唐铭轩

LoRa技术原理及关键参数研究

◆唐铭轩

（南京邮电大学 江苏 210023）

随着物联网产业的迅速发展，传统的移动蜂窝通信技术无法满足节点设备低功耗、长距离且大容量的通信特点与要求，促使低功耗广域网（LPWAN）应运而生，LoRa 技术以其传输距离远、功耗低的优势成为此领域的重要支撑技术。本文详细研究分析了LoRa技术的通信原理、基本参数的设置、数据包结构以及空中传输时间等指标。

LoRa技术；原理；数据包结构

近年来，物联网技术迅速发展并成为热门领域，其主要目的是利用部署的终端节点通过网络信息技术，来实时监测以及采集目标信息，从而实现智能化管理、降低人工成本、提高效益。近几年来LPWAN 领域新兴的无线技术有LoRa、NYrIoT、NB-IoT、Sigfox等。其中LoRa技术是美国升特公司在2013年提出的，发展比较快且应用也较为广泛，LoRa利用特殊的线性扩频技术对信号进行调制，能够实现最高 15km 的远距离传输和长达十年的电池寿命。LoRa技术相较于其他 LPWAN技术，在成本上更低，因为它工作在非授权频段不需要支付额外的费用；并且LoRa 设备不需要定期联网，在功耗方面更具有优势；另外，LoRa 网络已经进行全球范围的覆盖，技术相对成熟，所以采用LoRa 技术是必要的。目前，LoRa技术已经被成功用于工业物联网、机器人控制、智能无线抄表、安防系统等诸多领域。

1 LoRa 技术概述

LoRa 是一种低功耗广域网中的通信技术，是 Semtech 公司专有的一种基于扩频技术且有着超远传输距离的无线通信技术。应用于物联网的无线技术，有 3G、4G 等城域网，还有局域网以及其他短距离的通信技术，例如蓝牙、WiFi 和 Zigbee 等技术，这些短距无线通信技术，有着十分明显的优劣之处。并且在实际应用开发和工程中，通常无法保证同时实现长距离的传输且功耗较低，但是 LoRa 技术能够解决这个问题，它可以让设计人员既保证更长距离的通信也能够实现更低的功耗。

LoRa 技术将数字信号处理、数字扩频以及前向纠错编码技术结合在一起，极大提高了其性能。在此之前，这些技术只有一些无线电通信等级较高的工业才会融合，而随着 LoRa 的兴起，彻底地改变了嵌入式无线通信领域的局面。前向纠错编码技术表示对信息进行冗余编码，这样，接收端就会及时纠正数据在传输过程中注进的错误码元。此技术不仅减少了数据包的重传，并且在解决突发性误码上也具有很大的优势。

2 关键参数

LoRa 技术主要有三个关键参数，分别为：扩频因子（SF）、编码率（CR）和信号带宽（BW）。

2.1 扩频因子（SF）

使用LoRa技术将每一位的有效载荷信息都用多个码片来表示，符号速率（RS）为扩频信息的传输速率，扩频因子 = 码片速率/符号速率（RS），其代表了每个信息位将要传输的符号数量。

扩频因子越大，需要的有效数据的编码长度越大，导致有效数据的发送速率越小，但可以降低误码率，提高信噪比（信号与噪声的比值，理论上越大越好）。比如：有效数据位为 8bit，使用的扩频因子越大，实际需要发送的数据位就越大（比如 100bit），就导致同样的有效数据需要实际发送的数据位越多，导致实际有效数据发送速度就越慢了。

简单来说，就是将每一位的数据都乘上扩频因子，假设需要传输的数据为 1，如果扩频因子选择 1，那么就用 1 来表示该传输数据 1；如果选择的扩频因子是 6，这时候数据 1，就要用 111111 来表示，扩大了 6 倍的数据量。

经过数据扩频后传输的误码率能够降低，即信噪比提高了，但却减少了在数据量相同的条件下能够发送的数据，因此，扩频因子与数据传输速率成反比，扩频因子的扩大意味着数据传输速率的降低。LoRa 扩频因子的取值范围如表1所示。

表1 LoRa 扩频因子取值范围表

2.2 编码率

数据流有效部分所占的比例称为编码率。编码器会对数据产生冗余，例如编码率设为 k/n，编码器会将每 k 位有效信息编成 n 位的数据，那么多余的部分就是 n-k。其中循环纠错编码技术是 LoRa 技术用来检测前向错误并纠正，但使用这种技术会有传输开销产生。如表2所示为循环编码的数据开销。

表2 循环编码开销

2.3 信号带宽

通道带宽（BW）是指信道允许能够通过的信号上限与下限频率，通俗理解为频率通带。若信道的通带为 15kHz 到 25kHz，则其带宽就是 10kHz，在 LoRa 中，带宽取值范围为7.8kHz-500kHz 之间，BW 的扩大，能够提高传送速率减少传送时间，但是同时接收灵敏度会有所下降。LoRa 调制技术采用全信道带宽即双边带宽，传统的FSK调制使用单边带宽。如表3 所示为 LoRa 带宽选项。

表3 LoRa 带宽选项

其中 LoRa 符号速率（R）以及数据速率（）受到，，这三个关键参数的影响，可以通过以下公式计算获得。

3 LoRa 数据包格式

LoRa 主要有两种数据包格式：显示和隐式，区别在于显示数据包包含报头 Header部分，主要格式如图1 所示。其主要由前导码 Preamble、可选类型的报头Header和CRC（显性模式下）、数据有效负载Payload及负载CRC校验组成。

图1 LoRa 数据包格式

（1）preamble 前导码

设置前导码的目的是确保接收端同步输入信号，同时提示接收芯片及时接收发送端将要传送的数据，防止数据的丢失，发送完前导码之后，节点随即就会传送信息。前导码默认为 12 个符号长度的大小，根据实际应用也可以进行扩展，通过减小前导码的长度，可以降低接收机的占空比，前导码长度的范围是 6+4～65535+4。LoRa接收端周期性的检测前导码。所以发射端和接收端的前导码长度必须相同，若是前导码未知，则需要将接收端的前导码长度定义成最大值。

（2）报头

报头的显示或隐式两种类型通过操作模式来设置，通过在寄存器上设定相应的值来选择。LoRa 默认的模式是显式模式，在显式下，报头会涵盖负载 Payload 信息，其中包括：前向纠错编码率、负载的长度（byte）以及使用CRC校验的情况，此时Header 采用最大循环编码率（4/8）来传输数据，报头中还包括本身的CRC信息，接收端可以以此判断数据包的有效性。隐式报头模式在特殊状况下使用。若是已知编码率、负载的长度和 CRC 的情况，就采用隐式模式，这样可以减小传输时间。这需要事先手动的设定好编码率、负载长度和CRC。值得注意的是当扩频因子SF选择为6时，只能选择隐式模式。

（3）有效载荷

有效负载的字段没有固定的长度，可以通过显示模式下的报头设定或是隐式模式下设置寄存器的相应值。

4 空中传输时间

在2.3关键参数小节中得出符号速率R，那么一个 LoRa 数据包它的符号周期T计算如下：

而 LoRa 数据包的空中传输时间，相当于前导码的传输时长T加上数据包的传送时长T。其中前导码的传送时长可由公式4计算得出：

式中，N表示设置好的前导码长度，数据包的传送时长T由采用的报头模式决定。数据包的传送时长T由公式5 计算得出：

其中，为有效负载的符号数，计算符号数的公式6所示：

式中每个符号定义如下：Payload 为负载的字节个数取值范围是 1-255；范围为 6-12 的扩频因子SF；当没有用报头时，H 取 0；采用报头时，H 取 1；DE 表示低速率数据优化（使用时 DE=1，没有使用 DE=0）；CR 为编码率（范围 1-4）；因此，总的数据传输时间 Tpacket可以确定：

5 总结

LoRa 技术作为低功耗广域网的新兴技术，应用的越来越广泛，本章先是详细阐述了 LoRa 通信技术的相关基础，分析了基于 LoRa 技术的通信原理、基本参数的设置、数据包结构以及空中传输时间等指标。目前对与 LoRaWAN 协议的研究正逐步增多，而作为近年来兴起的通信技术 LoRa 技术的发展会进一步扩大。

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[3]龚天平. LoRa 技术实现远距离低功耗无线数据传输[J]. 电子世界，2016（10）：115-115.