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工程师必知:LoRa的30个常见问题解答

2017-10-26
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1) 什么是LoRa调制?


LoRa (Long Range,远距离)是一种调制技术,与同类技术相比,提供更长的通信距离。调制是基于扩频技术,线性调制扩频(CSS)的一个变种,具有前向纠错(FEC)。LoRa显著地提高了接受灵敏度,与其他扩频技术一样,使用了整个信道带宽广播一个信号,从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。LoRa可以调制信号19.5dB低于底噪声,而大多数频移键控(FSK)在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。LoRa调制是物理层(PHY),可为不同协议和不同网络架构所用-Mesh、Star、点对点等等。


2) 什么是LoRaWAN?


LoRa调制是PHY,LoRaWAN是MAC协议,用于大容量远距离低功耗的星型网络,LoRa联盟正在对低功耗广域网(LPWAN)进行标准化。


LoRaWAN协议针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化,包括了不同级别的终端节点以优化网络延迟和电池寿命间的平衡关系。它是完全双向的,由安全专家构建确保了可靠性和安全性。LoRaWAN架构还可轻松定位移动目标用于资产跟踪,这是物联网增长量最快的应用。主要的电信运营商正在将LoRaWAN部署为全国网络,LoRa联盟正在标准化LoRaWAN以确保不同的国家网络是可以互操作的。


3) 什么是LoRa网关?


LoRa网关设计用于远距离星型架构,并运用在LoRaWAN系统中。他们是多信道、多调制收发、可多信道同时解调、由于LoRa的特性甚至可以同一信道上同时多信号解调。网关使用不同于终端节点的RF器件,具有更高的容量,作为一个透明桥在终端设备和中心网络服务器间中继消息。网关通过标准IP连接连接到网络服务器,终端设备使用单跳的无线通信到一个或多个网关。所有终端节点的通信一般都是双向的,但还支持如组播功能操作,软件升级,无线传输或其他大批量发布消息,这样就减少了无线通信时间。根据要求的容量和安装位置(家庭或塔),有不同的网关版本。


4) LoRaWAN数据速率是多少?


对于LoRa来说,LoRaWAN数据速率范围在0.3kbps到11kbps之间,欧洲地区GFSK数据速率是50kbps。在北美地区,由于FCC限制最小数据速率是0.9kbps。为使终端设备的电池寿命和总体网络容量最大化,LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率(ADR)算法对每个终端设备数据速率和RF输出分别进行管理。ADR对于高性能网络是至关重要的,具有了可扩展性。在基础设施方面,以最小的投资部署一个网络,当需要增加容量时,就部署更多的网关,ADR将会使数据速率更高,可将网络容量扩展6到8倍。


5) LoRa集中器是什么?


网关和集中器这两个术语都有在使用,但在LoRa系统中他们是等效的部件。在其他行业里,网关和集中器的定义意味着不同的部件。


6) LoRa处理干扰怎么样?


LoRa调制解调器对同信道GMSK干扰抑制可达19.5dB,或换句话说,它可以接受低于干扰信号或底噪声的信号19.5dB。因为拥有这么强的抗干扰性,所以LoRaTM调制系统不仅可以用于频谱使用率较高的频段,也可以用于混合通讯网络,以便在网络中原有的调制方案失败时扩大覆盖范围。


7)LoRa数据数率是多少?


LoRaWAN定义了一组特定的数据速率,但终端芯片或PHY是可以有多种选项。SX1272支持数据速率从0.3到37.5kbps,SX1276支持0.018到37.5kbps。


8) 什么是LoRa终端节点或点?


LoRa终端节点是LoRa网络的部分,进行感应或控制。他们在远程电池供电。这些终端节点使用LoRaWAN网络协议与LoRa网关(集中器或基站)建立通信。


9) 什么是自适应数据速率(ADR)?


ADR是一种方法,改变实际的数据速率以确保可靠的数据包传送,最优的网络性能,容量的规模。例如,靠近于网关的节点使用较高的数据速率(缩短传输时间)和较低的输出功率。只有在链路预算非常边缘的节点才使用最低的数据速率和最大的输出功率。ADR方法可以适应网络基础设施的变化,支持变化的路径损耗。为使终端设备的电池寿命和总体网络容量最大化,LoRa网络基础设施通过实现ADR对每个终端设备的数据速率和RF输出分别进行管理。


10) LoRa设备天线上可以达到的实际Tx功率是多少?


在芯片引脚输出的功率是+20dBm,经过匹配/滤波损耗后在天线后,在天线上功率是+19dBm +/-0.5dB。最大输出功率在不同的地区有不同的规定,LoRaWAN规范定义了不同地区不同的输出功率使链路预算最大化。


11)LoRa解决方案的价格是多少?


LoRa设备(如SX1272或SX1276)使用了一个较低成本的晶振。在窄带技术里,RX/TX收发期间需要一个昂贵的温度控制的晶体振荡器以减少频率漂移。根据量和功能,一个完整终端节点典型的材料清单成本是2 5美元。长的传输距离意味着简化了网络基础设施,因不需要中继部署成本较低。较低的功耗意味着使用较低成本的电池和网络维护。


12) LoRa信道活动检测(CAD)模式的过程是怎样的?


CAD用于检测LoRa信号的存在,而不是使用一个接受信号强度(RSSI)的方法来识别是否有信号存在。它能够把噪音和需要的LoRa信号区分出来。CAD过程需要两个符号,如果被CAD检测到,CAD_Detected中断变为有效,设备处于RX模式接受数据有效载荷。


13) 为什么我的LoRa设备或模块输出功率达不到20dBm?


+20dBm规格是对芯片引脚输出功率而言。在任何的RF系统中,带通滤波器和RF开关都有插入损耗的特性,在匹配滤波后天线上典型性能可达到+19dBm。


14) 可以频繁地在FSK和LoRa调制之间改变模式?


是的,没有问题。LoRa设备通过简单的SPI寄存器写入可以从FSK切换到LoRa(反过来也一样)。对设备的性能和可靠性没有影响。LoRa设备按照数据手册规定的可以配置或重新配置为任意参数。


15)如果不能达到+20dBm,如何解决输出功率问题?


1.) 请确认你连接到正确的引脚(PA_Boost)设置,20dBm输出的引脚。每个频段有两个输出端口。一个是高功率端口称为PA_boost,另一个是高效端口称为RFO。


2.) 然后,检测软件配置。应该正确地配置好三个寄存器:RegPaConfig、RegOcp 和 RegPaDac。这意味着你在软件中应选择正确的引脚做相应的输出,再依据你需要的功耗级别设置正确的值。


3.) 确认他们与Semtech参考设计相一致以便设计一个好的PCB布局。这对于可能达到最大的输出功率来说是重要的。


16) LoRa系统如何实现批量生产测试?


在批量生产中要测试的有三个重要参数:频率容限、输出功率、灵敏度。频率和输出功率使用频谱分析仪容易测试。如果你的信号发生器不能产生一个LoRa信号,强烈建议使用FSK模式测试灵敏度。芯片里仅有一个RF链路,FSK和LoRa都在数字域调制。RF路径有可能会装配错误(如虚焊),因此验证是重要的。芯片LoRa和FSK调制的数字部分不受装配影响,因此对于验证生产测试性能测试FSK灵敏度就足够了。


17) 如何为LoRa设备选择正确的晶振?


正常地,对于大多数设计,带宽62.5kHz或更高,一个+/-10ppm的XTAL就足够了。带宽小于62.5kHz,强烈推荐使用TCXO。有关晶振规格更多的详细信息,请参考数据手册以及LoRa调制解调器计算器工具和应用笔记 - AN1200.14_XO_Gidance_LoRa_Modulation_STD”。


18) 对于LoRa带宽信号,你如何在LoRa模式中测量频率精度?


如果仅是为了测量,你可以使用频率合成器TX(FSTX)模式,如在LoRa寄存器表里中所列,基于LoRa配置产生一个CW信号音。


19)信号带宽(BW)、符号速率(Rs)和数据速率(DR)间的关系是什么?


理论上, Rs=BW/(2^SF)、DR= SF*( BW/2^SF)*CR,但我们建议你使用Semtech LoRa调制解调器计算器按照不同的配置选型评估数据速率和传输时间。


20) 如何选择LoRa信号带宽(BW)、扩频因子(SF)和编码率(CR)?


LoRaWAN主要使用了125kHz信号带宽设置,但其他专用协议可以利用其他的信号带宽(BW)设置。改变BW、SF和CR也就改变了链路预算和传输时间,需要在电池寿命和距离上做个权衡。请使用LoRa调制解调器计算器评估权衡。


21)当两个不同制造商的SX127x模块不能相互通信时,故障检测的步骤是什么?


首先,在两个设备间检查由晶振引起的频率偏移。带宽(BW)、中心频率和数据速率这些都源自晶振频率。其次,检查在两边的软件/固件设置,确保频率、带宽、扩频因子、编码率和数据包结构是一致的。


22) 在LoRa模式,当循环冗余校验(CRC)使能时,怎样可能接受到一个错误的数据包?


在LoRa模式,即使CRC是错误的,有效载荷也会添加到FIFO。在取得有效载荷前必须检查位PayloadCrcError知道它完整性。在显式报头(Explicit Header)模式,有一个小的可能性一个假检测产生一个“克隆”数据包。


要么错误的报头打开CrcOn位,那么有效载荷将会是错误的,调制解调器将会将它标记作为一个PayloadCrcError条件,因此数据包容易被过滤掉;要么错误的报头禁止CrcOn位,这种情况该模式认为数据包是好的。这些偶然的坏包会有一个随机的长度(从错误报头信息中提取),容易通过主机过滤掉,例如看到异常的尺寸大小。


23) 我可以用LoRa设备发送或接受一个无限长度的有效载荷数据包?


不可以,在LoRa模式中最大数据包长度是256个字节。


24)在LoRa模式中如何使用DIOx引脚?所有DIOx引脚都要连接到MCU吗?


当你开始设计时,在LoRa和FSK两种模式中检查DIO映射。你可以在SX127x LoRa数据手册中找到DIO映射信息。DIO没有像通常(典型)MCU GPIO那样的功能。有一些特殊的中断信息(或时钟输出)指示事件或芯片状态,这使得你的固件设计更易于实现。理论上,你可能不连接DIO引脚,那么就轮询相关的寄存器知道状态结果。当然,我们建议连接DIO尽可能多地用作外部中断功能,节省MCU的资源负载,可以很低功耗工作模式(当打包发送或接受数据包时,MCU睡眠)。


25) 在LoRa模式中为什么有两个RSSI寄存器?有什么区别?


在LoRa模式中,RegPktRssiValue和RegRssiValue 两个寄存器都是有用的。RegPktRssiValue指的是数据包RSSI水平,RegRssiValue与在FSK模式(非LoRa模式)中的RSSI相似。


如你所知,LoRa可以解调低于底噪声(PktRssi 结果)的数据包,那么CurrentRssi等于或大于底噪声。关于如何计算这两个RSSI的值更多信息,请参考Semtech API或最新的LoRa数据手册。


26)如何计算LoRa系统的实际位速率和传输时间?


下面列出了步骤(i-V):


通过使用LoRa计算器计算是容易的,可以从Semtech网站下载(下面的连接)。

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


27) LoRa模式的有效载荷长度可以用任意数据速率配置为256字节?


SX127x LoRa设备在LoRa模式中有一个256字节的FIFO。理论上,所有的256字节都可以用于TX或RX。然而,用低数据速率配置,256字节有效载荷的传输时间将会很长(几秒或更长),这对于抗衰落和高干扰环境是不好的。在大多数环境中这不是一个健壮的配置,因此建议如果想要一个使用低数据速率长的有效载荷,那么数据包可以分成几个短的数据包。


28) LoRa是mesh网络,点对点传,或者是一个网络?


LoRa本身是一个PHY,可用于所有网络拓扑。mesh网络扩展了网络的范围,但会是以降低网络容量、同步开销和电池寿命减少为代价,由于同步和跳数的缘故。随着LoRa的链路预算和距离范围的增加,没有必要用mesh网络架构扩展距离,因此LoRaWAN选择星型架构可以优化网络容量、电池寿命,安装容易。


29) LoRa可以使用IPv6和6LoWPAN?


是的,LoRa是与IPv6和6LoWPAN兼容的。Actility(LoRa合作伙伴)和其他合作伙伴在LoRaWAN上面实现了6LoWPAN。


30) LoRa网关的容量是多少? 一个网关可以连接多少个节点?


首先最重要的是,容量是在一定时间内节接受数据包数量的一个结果。一个SX1301有8个通道,使用LoRaWAN协议每天可以接受接近150万包数据。因此,如果你的应用每小时发送一个包,那么一个SX1301网关可以处理大约62500个终端设备。


文章来源:HowieXue的博客


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