工业网络技术教材PPT14 LoRa通信及应用.pptx

LoRa通信及应用

一、LoRa通信二、典型工业无线通信应用(LoRa)

一、LoRa通信1.LoRa通信原理扩频通信（SSC），即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽，远大于信息本身的带宽。例如，传输一个64Kbps的数据流，其基带带宽只有64KHz左右，但用扩频技术传送时，它所占据的信道带宽可以被扩展到5MHz，10MHz，甚至更大。与此同时，发射到空间的无线电功率谱（单位带宽内具有的功率），也将大大的降低。常规数字通信，是使用与数据速率相适应的尽可能小的带宽。这是因为带宽数是有限的，而且有很多的用户要分享。扩频通信是尽可能使用最大带宽数，同样的能量在一个大的带宽上传播。增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信的基本思想和理论依据就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。

一、LoRa通信除此以外，扩频通信还具有如下特征：（1）是一种数字传输方式。（2）带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的。（3）在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。LoRa是诸多LPWAN通信技术中的一种，是一种基于扩频的调制方式，通过扩频把信号扩展到带宽较宽的噪声中，获得扩频增益。LoRa（LongRange）扩频代表性的扩频方式有两种：直接序列扩频（简称直序扩频，DSSS）；跳频（FHSS）。LoRa技术是直接序列扩频的衍生技术。图1LoRa扩频技术示意图

一、LoRa通信频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。目前常见的码型有以下三种：（1）M序列，即最长线性伪随机系列。（2）GOLD序列。（3）WALSH函数正交码。无线收发机中广泛应用的调制方式FSK/GFSK，如果要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度，但温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。与FSK系统相比，使用同样低成本普通晶体时，LoRa扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。

一、LoRa通信在等同的数据速率条件下，商用LoRa传输距离与穿透能力相比于传统FSK，GFSK等有0.5-0.8倍的提升。LoRa扩频的优势（1）抗干扰能力强，对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力。减少误码率，即信噪比。（2）发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰。（3）必威体育官网网址性高，被截获的可能性极低。（4）具有极好的抗多径衰落性能。

一、LoRa通信2.扩频通信原理LoRa扩频技术一经推出，就凭借它惊人的灵敏度、强悍的抗干扰能力、出色的系统容量表现，赢得了广泛的关注。它给人们呈现了一个能实现远距离、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本的全新通信技术，而这正是物联网（IoT）所需要的。常见的蓝牙，WiFi，还是LoRa，载波上载的都是数字信号，即0、1这种有效信号。LoRa调制传输中的0和1这种一位数据是用码片来代表的。码片可以理解为在载波频率带宽等其他无线参数设定一致的情况下。发送一个码片的时间是固定的。而扩频就是用多少个码片来代表一位数据。

一、LoRa通信在lora软件配置的过程中，有个参数叫做扩频因子，用来设定扩频。一共有6-12七个等级，如图2所示，扩频因子最小设定值为6，这个时候就代表用64个码片来代表一位。当扩频因子设定为7时，就要用128个码片来代表一位。可以看到设定的扩频因子越大，对应的码片数量越多，这样传输一位的时间就会更长。扩频因子和对应的码片数量也是有一定关系，2的6次方是64，2的7次方是128，可以得出结论，扩频因子的设定的越大，抗干扰能力会越强，但是传输速率就会降低。这也导致LoRa通信不适合传输很大的数据量。图2扩频示意图

二、典型工业无线通信应用(LoRa)如图所示，某农场为了更好灌溉农作物，计划在农场中心设立一个水塔，并利用电机带动水泵为水塔供水。由于农场较大，电机距离控制中心较远（3km以内）且不易在现场布线，所以决定采用LoRa远程通信技术来实现对电机的闭环控制。控制方案即控制器通过收发模块，将控制数据无线传输至从站的IO端子模块，IO端子模块再通过IO信号与电机驱动器通信，其中电机的相关控制程序已由专业人员编制完成。图3

二、