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本篇文章是從技術角度揭開LoRa的面紗，后續還會提供商業化和市場角度解讀LoRa的文章，讓您全面了解這一未來物聯網領域新的通信技術。

LoRa

LoRa是由升特公司（Semech）發布的一種專用于無線電調制解調的技術，它與其他如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進制相移鍵控）及其派生的調制方案形成競爭關系。

LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。

前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息，這樣，數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建“自修復”數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。

一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數據包將被送到數字擴頻調制器中。這一調制器將分組數據包中每一比特饋入一個“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa調制解調器經配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調制解調器可使用4096碼片/比特中的最高擴頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。

通過使用高擴頻因子，LoRa技術可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測量時，這些數據看上去像噪音，但區別在于噪音是不相關的，而數據具有相關性，基于此，數據實際上可以從噪音中被提取出來。其實，擴頻因子越高，越多數據可從噪音中提取出來。

在一個運轉良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結果差距為28dB，這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB的差距就可以實現2倍于原來的傳輸距離。

為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現，我們使用一個叫做“鏈路預算”的定量指標。鏈路預算包括影響接收端信號強度的每一變量，在其簡化體系中包括發射功率加上接收端靈敏度。

AngelBlocks的發射功率為100mW(20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數據）的GFSK無線技術，需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發射端發射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。

因此，使用LoRa技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。

OpenRF協議

目前已有很多“標準化”協議應用于家庭自動化領域，ZigBee和ZWave是兩種主流的選擇，另外還有6LowPan以及其他協議。

大多數協議或多或少依賴無線網格（mesh）組網，有些依賴整體系統來達到合理地傳輸距離，不過這無法使用電池供電。

LoRa采用點對點通信方式，實現遠距離傳輸的目的，我們無需網格化網絡。實際上，我們需要一個“輕量級”協議，適用于長期以電池供電的方式。

OpenRF是為電池供電的應用而開發的，例如水表和燃氣表數據讀取。OpenRF為媒介接入層（MACLayer）定義了一個標準化的界面，允許其余各種各樣射頻集成電路裝置（RFICs）協同工作。OpenRF還提供了一個支持32位設備地址的統一網絡層來保證消息傳遞，還有多重的網絡拓撲結構。理論上來說，OpenRF也可支持無線網格組網，雖然我們目前沒有那種功能性要求。

OpenRF提供兩個接口，其中API接口允許在一個微控制器的嵌入式應用中集成OpenRF，我們用這一界面構建了AngelBlocks的應用。另一接口為指令接口，它允許外部主控制器在串行鏈路上使用AT指令集來發送和接收數據包。我們的應用開發適配器在一個主機上使用指令接口控制AngelBlocks，其中Arduino和Pi適配器使用一個TTL級別的串行端口，PC/MAC適配器使用一個USB/COM端口，同一指令接口均可使用。