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前言

在這之前，我們通過《從陌生到認(rèn)識(shí)——LoRa技術(shù)》知道了LoRa，在這之后，我們或許可以將LoRa技術(shù)落地應(yīng)用。

題目

LoRa網(wǎng)關(guān)容量分析
LoRa節(jié)點(diǎn)制約分析
LoRa信號(hào)空中飛行分析
LoRa傳輸距離分析

1. LoRa網(wǎng)關(guān)容量分析

首先，什么是LoRa網(wǎng)關(guān)？網(wǎng)關(guān)功能和大小都和WIFI路由器差不多，它用來接收節(jié)點(diǎn)（終端）發(fā)射的數(shù)據(jù)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到LoRa應(yīng)用服務(wù)器。

常用的LoRa網(wǎng)關(guān)芯片有：

Semtech 的第一代產(chǎn)品 SX1301和SX1308，這兩個(gè)芯片差別不大，軟件層面可以通用，兩者差別是：SX1301靈敏度、功耗和溫度適應(yīng)范圍比SX1308要好。
Semtech 的第二代產(chǎn)品 SX1302，這是第一代的升級(jí)產(chǎn)品，在第一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多改良，特別是功耗方面，SX1302的功耗不到SX1301的10%，這為太陽能供電提供了保證。由于改動(dòng)較大，1302和1301的控制軟件是不可以通用的。
1302突出點(diǎn)
(1) 1302的內(nèi)部有一個(gè)SPI橋接功能，它的好處是：1. MCU可以通過這個(gè)功能連接到射頻前端，直接實(shí)現(xiàn)控制管理；2.另外一個(gè)好處是LBT的監(jiān)聽實(shí)現(xiàn)比上一代簡(jiǎn)單很多。
(2) 1302擴(kuò)寬了解調(diào)通道的處理能力，原先1301的每路解調(diào)通道同一時(shí)間只能支持一個(gè)解調(diào)器工作，而1302在同一時(shí)間里，支持兩個(gè)解調(diào)器在同一條通道里工作，例如，通道同時(shí)有兩路信號(hào)，信號(hào)的頻率相同，SF不同，1301只能正確解調(diào)其中一路，另一路信號(hào)會(huì)被丟棄，而1302則可以同時(shí)將兩路信號(hào)解調(diào)成功。

1.1 常見網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

以 Dragino 網(wǎng)關(guān)為例，Dragino LG08 網(wǎng)關(guān)使用了一個(gè)網(wǎng)關(guān)芯片（SX1301)，兩個(gè)射頻前端芯片(SX1257)，可以同時(shí)監(jiān)聽8路+1路LoRa信號(hào)，接收靈敏度為 -140dBm，支持LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

大部分網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)都可以同時(shí)接收8 路不同射頻頻率的信號(hào)

因?yàn)?，LoRa網(wǎng)關(guān)有8個(gè)LoRa信號(hào)接收信道，這信道好比馬路上的車道，如果馬路有八條車道，即可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)八輛車并排通行，如果要求每一種類型的車僅能行駛在固定的車道，那么，八車道的馬路同時(shí)并排的八輛車必須是不同類型的，LoRa網(wǎng)關(guān)也如是，它只能同時(shí)接八種不同類的信號(hào)（頻率和SF不同），如果同一時(shí)間有大量節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的信道被占滿后，會(huì)放棄其他多余的信號(hào)。

LoRa信道沖突是很常見的，所以節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)要有協(xié)議規(guī)定，例如信號(hào)占空比，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次發(fā)射信號(hào)占用的時(shí)間不能超過規(guī)定的時(shí)間，否則視為不遵守規(guī)則。網(wǎng)關(guān)可以通過硬件設(shè)計(jì)方式，例如添加節(jié)點(diǎn)芯片，實(shí)現(xiàn)LBT——listen-before-talk，LBT的作用是監(jiān)控信道是否被占用，在某些國(guó)家（日、韓）是強(qiáng)制要求網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的，因?yàn)檫@些國(guó)家面積小，人口又比較多，通信頻道容易擁塞，使用LBT能提高信道效率。

網(wǎng)關(guān)容量的計(jì)算比較復(fù)雜，如果終端按每3分鐘發(fā)射一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為50B去估算，網(wǎng)關(guān)接納終端的數(shù)量是900個(gè)左右。

具體要計(jì)算網(wǎng)關(guān)接納終端的容量，受很多因素制約，其中至關(guān)重要的是通道多址接入控制協(xié)議，多址接入?yún)f(xié)議分類有：
1.固定多址接入，典型的有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2.隨機(jī)多址接入，靠隨機(jī)數(shù)控制，典型的協(xié)議有ALOHA, CSMA。
3.基于預(yù)約的多址接入，數(shù)據(jù)發(fā)射前先進(jìn)行通道預(yù)約，原理和日常預(yù)約掛號(hào)差不多。

1.2 針對(duì)LoRa的特點(diǎn)，提高網(wǎng)關(guān)容量的方法有：

載波監(jiān)聽（CAD），LoRa的終端節(jié)點(diǎn)芯片都有CAD功能，只需要監(jiān)聽非常短的時(shí)間（兩個(gè)碼元的時(shí)間，大概1~5ms），就可以判斷信息是否被占用。網(wǎng)關(guān)的LBT就是使用了CAD功能實(shí)現(xiàn)的。
CAD監(jiān)聽會(huì)有失效的情況，當(dāng)終端在網(wǎng)關(guān)的兩端，且距離較遠(yuǎn)時(shí)，一端的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)無法監(jiān)聽到另一端節(jié)點(diǎn)的信道使用情況，正常來說，失效率小于3%。
相同一個(gè)信道內(nèi)，BW不變情況下，可以改變SF實(shí)現(xiàn)多路正交數(shù)據(jù)互不干擾傳輸，這樣一個(gè)信道就可以容納多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，因?yàn)镾F不同，信號(hào)空中飛行時(shí)間也不同，網(wǎng)關(guān)到達(dá)時(shí)間就不同，網(wǎng)關(guān)就有空余的能力處理信號(hào)，從而擴(kuò)大了網(wǎng)關(guān)的容量。
LoRa芯片都具有同信道抑制功能（Co-channel Rejection)，當(dāng)一個(gè)信道內(nèi)同時(shí)進(jìn)入多路數(shù)據(jù)時(shí)（BW和SF相同，發(fā)生碰撞），芯片具有正確解調(diào)其中一路的能力，沒被解調(diào)的信號(hào)會(huì)消失。
LoRa私有協(xié)議的數(shù)據(jù)強(qiáng)度差距會(huì)比較明顯，信道發(fā)生碰撞時(shí)，能正確解調(diào)出一路的概率大于60%；而LoRaWan協(xié)議中，由于使用了ADR，各路信號(hào)強(qiáng)度差距不大，信道發(fā)生碰撞時(shí)，正確解調(diào)出一路的概率約為40%。

1.3 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)信道

LoRaWAN一般有8路信道，每路信道是相互獨(dú)立的，我們只要分析其中一路信道，計(jì)算其容量，再乘以8就可以計(jì)算出網(wǎng)關(guān)的容量。
以Dragino LG08網(wǎng)關(guān)的其中一個(gè)信道為例進(jìn)行分析，首先，需要統(tǒng)計(jì)網(wǎng)關(guān)覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)包長(zhǎng)度、ADR后的擴(kuò)頻因子、發(fā)包頻率這些參數(shù)。通過LoRa計(jì)算工具（計(jì)算公式）計(jì)算出LoRaWAN模式下不同擴(kuò)頻因子對(duì)應(yīng)的傳輸速率，并計(jì)算出每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的每個(gè)包的飛行時(shí)間，然后進(jìn)行加權(quán)平均和數(shù)據(jù)處理。

處理方法如下：

(1) 將一段時(shí)間內(nèi)，例如1周內(nèi)，所有的LoRaWAN節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)包采集下來，記錄總的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù) Nsf-total, 所有數(shù)據(jù)飛行時(shí)長(zhǎng)加權(quán)統(tǒng)計(jì) $\sum^{1}_{n}{t_i}$ 。
將所有節(jié)點(diǎn)看成相同節(jié)點(diǎn)，其平均飛行時(shí)間 $t_{average}$ 及頻次 $f_{average}$ 為
$t_{average} = \frac{ \sum^{1}_{n}{t_i}}{N_{sftotal}}$
$f_{average} = \frac{N_{sftotal}}{T}$

(2) 信道容量推導(dǎo)
根據(jù)多址接入?yún)f(xié)議CSMA的標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)，此時(shí)已知單信道信號(hào)發(fā)射頻次（ $f_{average}$ ）和平均飛行時(shí)間（ $t_{average}$ ），物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)延遲要求普遍不高，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G(單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的信號(hào)總數(shù)）設(shè)為平均飛行時(shí)間的3倍，假設(shè)為G=3，則吞吐量S（單位時(shí)間內(nèi)成功發(fā)送的信號(hào)總數(shù)）= 0.72（經(jīng)驗(yàn)估算值），選擇吞吐量的一半 S=0.36計(jì)算網(wǎng)關(guān)單信道容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量： $N_1 = \frac{1}{{f_{average}} \cdot {t_{average}}} \times 0.36$ , 這是網(wǎng)關(guān)單信道的容納節(jié)點(diǎn)數(shù)公式，將上述公式乘以8就是8信道網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)容納數(shù)。
經(jīng)過一些應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)因應(yīng)用相異，例如：智慧社區(qū)應(yīng)用， $t_{average}$ 約等于 250ms， $t_{average}$ 每周1~2次，針對(duì)這樣的應(yīng)用，網(wǎng)關(guān)可以容納 $40000$ 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

很明顯LoRa的網(wǎng)關(guān)容量是足夠大的，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備每天的發(fā)包率大多數(shù)都很低，一個(gè)Dragino LG08網(wǎng)關(guān)每天可以支持幾十萬（粗略估算 $50萬左右$ )條上行數(shù)據(jù)，計(jì)算公式： $N_{average} = 24 \times 3600 \times 吞吐量S \times 8 \div t_{average}$ 。

如果考慮下行數(shù)據(jù)，上行的數(shù)據(jù)包總量會(huì)有所減少，大概會(huì)減少 20%~50%的上行數(shù)據(jù)容量。

如果使用Dragino的新款網(wǎng)關(guān)LIG16（SX1302方案），上述數(shù)據(jù)容量會(huì)明顯增大，1302的信道的吞吐量要比1301大 $3$ 倍。

基本上，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的信道容量是足夠的，網(wǎng)關(guān)布置的關(guān)鍵是要考慮信號(hào)的覆蓋問題。

2.LoRa節(jié)點(diǎn)制約分析

2.1 節(jié)點(diǎn)芯片介紹

LoRa節(jié)點(diǎn)芯片亦發(fā)展到了第二代，第一代為SX127X系列，第二代為SX126X系列，新產(chǎn)品性能必須要比舊產(chǎn)品性能好，SX126X對(duì)比舊版的優(yōu)勢(shì)有：

可以連續(xù)覆蓋頻率，范圍為：150~960MHz
增加30%的工作距離
增加60%的輸出功率
節(jié)省32%的發(fā)射電流
增加3倍休眠電流（這是缺點(diǎn)）
支持 SF5
降低開發(fā)難度

2.2 關(guān)鍵制約

保持足夠的供電電壓，輸出功率是線性的
在功率發(fā)射時(shí)的熱量會(huì)傳導(dǎo)到外圍晶振，，晶振振動(dòng)頻率隨溫度升高而降低。

2.3 發(fā)熱解決方案

可以通過使用溫補(bǔ)晶體或電路開槽的方案解決。

3. LoRa信號(hào)空中飛行分析

空中飛行時(shí)間可以通過公式計(jì)算得到：
$TOA = \frac {2^{SF}}{BW} \times N_{symbol}$

$\frac {2^{SF}}{BW}$ 是單個(gè)碼元的時(shí)間， $N_{symbol}$ 是數(shù)據(jù)包碼元總數(shù)。

$N_{symbol} = 前導(dǎo)碼碼元數(shù) + 前導(dǎo)碼結(jié)束標(biāo)記（4.25個(gè)碼元）+ 數(shù)據(jù)包碼元數(shù)$

數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度值最小是1B，最大長(zhǎng)度需要滿足國(guó)家地區(qū)無線電規(guī)范。需要注意的是，每增加1B長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，其空中飛行時(shí)間不會(huì)連續(xù)增加，而是增加一定字節(jié)的數(shù)據(jù)后一次性增加時(shí)間。

這是因?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)射前要經(jīng)過LoRa芯片的交織編碼處理，而交織編碼器有一定的容余空間。

例如在 SF = 7 的配置下，交織器的容量是 $(CR+1) 列\(zhòng)times SF行 = 5\times7 = 35b$ ，其中有 $4\times7=28b$ 是有效載荷，發(fā)送1B~3B的數(shù)據(jù)都是用5個(gè)碼元，發(fā)送4B數(shù)據(jù)時(shí)，就要10個(gè)碼元數(shù)，而10個(gè)碼元可以容納56b（7B）有效載荷。

4. LoRa傳輸距離分析

LoRa通過無線電波傳輸，無線電波從發(fā)射天線發(fā)出，沿不同途徑和方式到達(dá)接收天線，傳輸?shù)竭_(dá)的距離遠(yuǎn)近和電波的頻率、極化方式、傳播的路徑等有關(guān)。

電波的理想路徑是在真空傳輸，沒有阻擋，舒舒服服。
在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中存在各種障礙物，使電波的傳播產(chǎn)生反射、繞射和衍射等非理想傳輸方式，造成距離計(jì)算的多樣性和復(fù)雜性。

電波在空氣中直射傳播，雖然沒有障礙物，但由于輻射能量的擴(kuò)散，會(huì)有一定程度衰減。
反射波傳播時(shí)，會(huì)有能量被反射介質(zhì)吸收，造成能量衰減。
繞射傳播時(shí)，如果波長(zhǎng)夠長(zhǎng)，電波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播。
散射傳播時(shí)，利用非均勻介質(zhì)傳播，距離相對(duì)較遠(yuǎn)，保密性也好。
穿透?jìng)鞑r(shí)，產(chǎn)生貫穿損耗，損耗大小與波的頻率和被穿透物的材質(zhì)、尺寸有關(guān)。

無線電波極限距離可以用公式表達(dá)為：

$距離D = 4.12(\sqrt h_t + \sqrt h_r) （h_t為發(fā)射天線高度， h_r為接收天線高度）$
假設(shè)LoRa系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)射天線高度為 $h_t = 5m$ ，網(wǎng)關(guān)接收天線高度為 $h_r = 1.5m$ ，在不考慮鏈路損失的情況下，該系統(tǒng)最遠(yuǎn)通信距離為 14.3 km 。