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【LoRa 与 LoRaWAN】知识点汇总_lora前导码

lora前导码

本文主要记录【LoRa 与 LoRaWAN】知识点汇总,知识均来源于网络,纯属资料汇总与搬运
涉及到lora基本知识点,lora芯片的工作分析,专业名词解释

参考资料汇总:

1.Lora和LoraWAN的区别

  • lora

LoRa经常被误用来描述整个LPWAN通信系统,其实Lora是Semtech拥有的专有调制格式。 SX1272和SX1276 LoRa芯片使用称为chirp扩频(CSS)的调制技术来组成技术栈的物理层(PHY)。

  • loraWAN

LoRaWAN是一个开放标准,它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议。 LoRaWAN在数据链路层定义媒体访问控制(MAC),由LoRa联盟维护。 LoRaWAN是一种媒体访问控制(MAC)层协议,专为具有单一运营商的大型公共网络而设计。

总体而言,LoRa仅包含链路层协议,并且非常适用于节点间的P2P通信;LoRaWAN也包含网络层,因此可以将信息发送到任何已连接到云平台的基站。
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2. lora 相关知识点汇总

2.1 Lora调制方式优势

1、LoRa扩频调制解调技术使器件传输距离远远超出现有的基于 FSK 或 OOK 调制方式的系统,能到25公里以上的距离;

2、它还提供了很大的灵活性,用户可自行决定扩频调制带宽(BW)、扩频因子(SF)和纠错率(CR)。

3、每个扩频因子均呈正交分布,因而多个传输信号可以占用同一信道而不互相干扰,并且能够与现有基于 FSK 的系统简单共存。

4、LoRa调制解调器采用专利扩频调制技术。与传统调制技术相比, LoRa可以增加链路预算并增强对带内干扰的抗干扰能力。同时,放松了对晶体基准振荡器的频率容限要求,从而能够在降低系统成本的基础上提高性能。

2.2 SX1276/77/78 器件与关键参数

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图中可以看出,sx1276功能和频段覆盖是最完善的,可以针对欧洲标准、美国标准、中国标准、国际标准市场,目前中国一般使用的是sx1278(iot520芯片);

SX1278接收灵敏度-148dbm,接收电流10.3mA,包长最大256个字节(Payload有效字节长度)。实际LoraWAN在SF7模式下只使用到了222个字节。

2.3 SX1276/77/78 器件频段、功率硬件控制

1、SX1276/77/78 配备了三个不同的射频功率放大器。其中两个分别与 RFO_LF 和 RFO_HF引脚连接,能够实现高达+14dBm 的功率放大功能。第三个功率放大器与 PA_BOOST 引脚连接,能够通过专门的匹配网络实现高达+20dBm 的功率放大功能。与高效功率放大器不同的是,这个高稳定性功率放大器能够覆盖频率合成器处理的所有频段。

RFO_LF 主要针对LF频段( 低频段169M和433M、470M),RFO_HF主要针对高频频段(868M-915M),而PA_BOOST能覆盖所有频段,一般现在设计使用PA_BOOST引脚,能保证+20dBM的发送功率。

2、SPI通信可以达到10M,一般LoraWAN时要求使用10M保证SPI通信时间可以忽略

电源策略
SX1276/77/78在整个工作温度及操作电压范围内采用内部电压调控机制,以保证电压及器件特性的稳定性。 在1.8V-3.7V电压范围内, +17dBm输出功率保持稳定,以及保证2.4V-3.7V电压范围+20dBm输出功率保持稳定。

2.4 BW、SF、CR、RSSI、SNR值

扩频调制带宽(BW):增加信号带宽,可以提高有效数据速率缩短传输时间,但会牺牲灵敏度。 一般使用125K

注意: 较低频段( 169 MHz )不支持 250kHz 和 500kHz 的带宽。
扩频因子(SF):SF7~SF12,还有一个比较特殊的SF6一般很少使用,要使用时对寄存器操作要做特殊的操作。
纠错率(CR):一般使用4/5

前向纠错技术

信道编码之所以能够检出和校正接收比特流中的差错,是因为加入一些冗余比特,把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特。

为进一步提高链路的鲁棒性, LoRaTM调制解调器采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错。使用这样的纠错编码之后,会产生传输开销。

在存在干扰的情况下,前向纠错能有效提高链路的可靠性。由此,编码率(及抗干扰性能)可以随着信道条件的变化而变化——可以选择在报头中加入编码率以便接收端能够解析。有关LoRaTM数据包及报头的更多信息。

接收信号强度指示(RSSI):常规情况下,公式是这样:

/*
RSSI (dBm) = -157 + Rssi, (高频口)
RSSI (dBm) = -164 + Rssi, (低频口)
另外在SNR<0的噪声环境下,要按照
Packet Strength (dBm) = -157 + PacketRssi + PacketSnr*0.25 (或者低频时,Packet Strength (dBm) = -164 + PacketRssi + PacketSnr * 0.25)这样的公式。
1.PktRssiValue指单个包的信号强度,是收包这段时间内的RSSI的平均值。RssiValue指当前的信号强度。
2.数值-157以及-164会根据实际射频前端情况有差异(比如 LnaBoost 表示是否有外部LNA 这个数值与实际LNA的输入不匹配)。建议对RSSI数值做单点校准,让RSSI显示更准确。
3.当信号强度超过-100dBm之后,PacketRssi就不能保证线性,结果会偏离 1dB/dB 的曲线。因此需要做一定的校正。当SNR>0时,可以参考如下公式:RSSI = -157+16/15 * PacketRssi (or RSSI = -164+16/15 * PacketRssi)。当然SNR<0时,还要注意同样做噪声干扰的校正,在公式后面 + PacketSnr * 0.25 。
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在纯净环境下,RSSI跟与距离是一个非线性曲线的关系,所以路测时在一定距离内RSSI值有参考价值,过距离后基本没有参考价值。
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基本表现为:太近、太远RSSI变化并不太明显,而中间有一段距离表现比较明显;但是,RSSI值受环境影响太大,一般情况下仅供参考使用。

信噪比(SNR):

SNR:Signal-to-Noise Ratio即信噪比。信噪比这个概念具有统一的计算方法:

SNR(dB)=Signal(dBm)/Noise(dBm)

上式的意思是信噪比等于信号的功率减去噪声的功率。在没有干扰的情况下(也即电磁环境绝对干净的情况下)噪声功率是由自然界的环境决定的我们称之为基底噪声(Noise Floor)。当然我们也可以把基底噪声和其它干扰统称为噪声。

SNR值可以作为RSSI值的一个补充

2.5 Lora的数据包结构

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前导码Preamble:前导码用于保持接收机与输入的数据流同步。

默认情况下, 数据包含有12个符号长度的前导码。 前导长度是一个可以通过编程来设置的变量,所以前导码的长度可以扩展。接收机的前导码长度应与发射机一致。如果前导码长度为未知或可能会发生变化,应将接收机的前导码长度设置为最大值。

可以通过设置前导码值进行地址过滤,实现分组通信。

报头Header:分显示报头(默认模式)和隐式报头;

显示报头包括:

  •  以字节数表示的有效负载长度;
  •  前向纠错码率;
  •  是否打开可选的16位负载CRC。

报头按照最大纠错码(4/8)发送。

有效数据Payload:真正发送的数据

Payload CRC:对Payload数据的CRC校验

2.6 空中传输时间

已知扩频因子(SF)、编码率(CR)及信号带宽(BW),可以使用提供的公式计算出单个LoRa数据包的总传输时间,在LoraWAN需要知道每次数据传输在空中的传输时间。

2.7 LoRa跳频

当单个数据包时间可能超过相关法规允许的最大信道停留时间,一般采用跳频扩频技术(FHSS);FHSS方案的工作原理为:每个LoRa数据包的部分内容通过在微控制器MCU管理的频率查询表中选取的跳频信道进行发送。在预定的跳频周期结束之后, 发射机和接收机切换到跳频预定义列表中的下一个信道,以便继续发送和接收数据包的下一部分内容。

2.8 占空比(DutyCycle)

节点发射LoRa数据的时间t1与发射周期T的比值就是占空比。占空比跟国家无线电管理的相关规定有关系,占空比满足不了国家法律时过国家相关认证会比较麻烦。

例如:470频段占空比要求为 1%,节点使用该频段某个信道发送一组数据耗时 10 ms,那么这个节点的本次发送周期为T1。节点在本周期结束,也就是 T1−10 ms 以后才可以再次发送数据。

T1=10/%=1000ms,需要等待 1000−10=990ms 才可以再次发送。

当占空比无法满足国家法律时,通过跳频手段可以解决。

2.9 信道活动检测(CAD)

可使用信道活动检测器来检测其他LoRa信号是否占用了本信道;可以一定程度上减轻信道冲突问题。

2.10 SX1276状态机

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3 .LoraWAN的一些知识点介绍

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4.LoraWAN通信

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5. 470M频段(中国)特性

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更多LoRa与LoRaWAN的资料,请参考:
https://www.bbsmax.com/A/A7zgDrYPJ4/

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