LoRa（Long Range，远距离）的空中接口技术是Semtech公司拥有专利的一种扩频调制技术，它并不是一种通信协议，而是物理层（PHY）的技术，是实现远距离、低功耗通信的核心。
理解LoRa空中接口,需要从以下几个关键方面入手：
核心原理：扩频与CSS调制
LoRa的“远距离”和“强抗干扰”能力源于其核心的扩频技术，它使用了一种叫做 chirp 扩频的技术。
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什么是Chirp（啁啾信号）？ Chirp是一种线性调频信号，它的频率在一个时间周期内，会从最低频率线性地变化到最高频率（或反之）,这就像鸟鸣声从低音到高音或从高音到低音的滑音。
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CSS调制过程：
（图片来源网络，侵删）- 数据映射：要发送的数字比特流（如'0'或'1'）会被映射到一个特定的“chirp图案”上，每个不同的图案代表一个特定的符号,而一个符号可以携带多个比特信息。
- 信号生成：LoRa芯片生成一个基础的“起始”chirp信号，然后根据要发送的数据，对这个基础chirp进行“拉伸”或“压缩”操作,形成最终的发射信号。
- 信号接收：接收端会生成一个与发射端完全同步的“参考”chirp信号，接收到的信号与这个参考信号进行相关运算，由于chirp信号的独特性，即使信号在传输过程中因为多径效应而变得面目全非，这种相关运算也能准确地将原始信号识别出来,从而恢复出数据。
打个比方： 想象一下在一个嘈杂的房间里，你用两种不同的口哨声（一种是声音从低到高，另一种是从高到低）来代表“是”和“不是”，即使房间里有很多杂音，只要对方能分辨出这两种独特的口哨声轮廓，就能理解你的意思，LoRa的chirp信号就扮演了这种独特口哨声的角色,使其在强噪声环境下依然能被准确识别。
关键技术参数与配置选项
LoRa的空中接口非常灵活，其性能可以通过几个关键的配置参数进行调整，这些参数共同决定了通信的距离、速率和功耗,这些参数通常由网络管理员或设备制造商预先设定。
a) 扩频因子
这是LoRa技术中最重要的参数。
- 定义：SF表示在一个符号（Symbol）中包含的chirp周期数,它直接决定了信号的扩频程度。
- 取值范围：从7到12。
- 影响：
- 速率：SF值越大，每个符号携带的比特数越多,但数据传输速率越慢。
- 距离/灵敏度：SF值越大，信号在空中占用的时间越长，能量更分散，抗干扰能力越强，因此传输距离更远,接收灵敏度更高。
- 功耗：SF值越大，传输时间越长,设备功耗越高。
| SF值 | 比特/符号 | 数据速率 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| SF7 | 128 | 最快 | 城市近距离、高速数据传输 |
| SF8 | 256 | 快 | - |
| SF9 | 512 | 中等 | - |
| SF10 | 1024 | 平衡 | 大多数LoRaWAN应用 |
| SF11 | 2048 | 慢 | 长距离、农村覆盖 |
| SF12 | 4096 | 最慢 | 极端远距离、地下/水下通信 |
b) 带宽
- 定义：信号在频域上占用的宽度,单位是kHz。
- 取值范围：通常为 7.8 kHz, 10.4 kHz, 15.6 kHz, 31.25 kHz, 62.5 kHz, 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz。
- 影响：
- 速率：带宽越大,数据传输速率越快。
- 距离：带宽越小，信号能量越集中，抗窄带干扰能力越强,通常能传输更远。
- 信道容量：带宽决定了在某个频段内可以划分多少个LoRa信道。
c) 编码率
- 定义：前向纠错 的比率，它用于在原始数据中加入额外的冗余比特,以便在接收端检测和纠正传输中产生的错误。
- 取值范围：通常为 4/5, 4/6, 4/7, 4/8。
- 影响：
- 可靠性：编码率越低（如4/8），纠错能力越强，通信可靠性越高,但有效数据速率会降低。
- 鲁棒性：在信号较差的环境中,使用较低的编码率可以保证数据包被成功接收。
公式关系：
这三者共同决定了LoRa的数据速率，基本关系为：
数据速率 = (带宽 / (2^SF)) * 编码率
通过调整SF、BW和CR，网络可以根据不同的应用需求，在速率、距离和可靠性之间做出最佳权衡，一个需要电池供电、每年只发送几次温度数据的传感器，会选择低SF、低BW、低CR的配置，以最大化距离和电池寿命，而一个需要实时传输视频片段的设备，则会选择高SF、高BW、高CR的配置。
与LoRaWAN的关系
这是一个非常常见的混淆点,必须明确区分：
- LoRa (空中接口技术)：是物理层技术，定义了信号如何通过无线电波传输，它关注的是“如何把信号发出去”。
- LoRaWAN (网络协议)：是一个建立在LoRa技术之上的通信协议和系统架构，它定义了终端设备、网关和服务器之间的通信规则、数据格式、安全机制和网络管理，它关注的是“如何组网和管理设备”。
LoRa是“发动机”，负责产生强大的无线电信号，LoRaWAN是“整车设计+交通规则”，规定了车辆（设备）如何使用发动机，如何与路网（网关）交互，以及如何遵守交通法规（协议），最终到达目的地（服务器）。
技术优势与劣势
优势
- 超长距离：在开阔地带，单次 hop（跳）的距离可达10-15公里,甚至更远。
- 低功耗：得益于低速传输和高效的接收机设计,终端设备电池寿命可达数年甚至十年。
- 强穿透性：使用低频段（如ISM频段的868MHz/915MHz），信号对建筑物、墙壁等障碍物有很好的穿透能力。
- 抗干扰性强：扩频技术使其对窄带干扰（如其他无线信号）具有很强的免疫力。
- 大连接数：LoRa网关是“哑巴”中继，可以同时监听并处理来自多个不同信道的终端数据,支持海量设备连接。
劣势
- 低数据速率：与Wi-Fi、4G/5G相比，LoRa的数据速率非常低（通常在0.3 kbps到50 kbps之间），不适合传输视频、音频等大流量数据。
- 非实时性：LoRaWAN协议默认有确认重传机制和Aloha接入算法，通信延迟较高（秒级到分钟级），不适合对实时性要求高的应用（如远程控制）。
- 部署成本：虽然终端设备便宜，但要构建一个覆盖广泛的网络,需要部署多个昂贵的LoRa网关和后端服务器系统。
- 频谱管制：工作在免费的非授权频段,存在频谱拥挤和互相干扰的风险。
典型应用场景
基于其特性,LoRa空中接口技术非常适合以下物联网应用：
- 智能农业：土壤湿度、温度监测,牲畜追踪。
- 智慧城市：智能停车、智能垃圾桶、智能路灯、环境监测（空气质量、噪声）。
- 资产追踪：集装箱、高价值货物的位置和状态追踪。
- 智能计量：远程水表、电表、燃气表自动抄表。
- 工业监控：设备状态监测、预测性维护。
LoRa空中接口技术通过其独特的chirp扩频调制，在物理层实现了远距离、低功耗和强抗干扰的通信能力，其核心在于通过调整扩频因子、带宽和编码率这三个关键参数，来灵活平衡通信的速率、距离和可靠性，它本身并非一个完整的通信系统，而是为像LoRaWAN这样的网络协议提供了强大的物理层基础，使其成为构建大规模、低功耗广域网 的理想选择。
