Lora天线的长度是否影响信号？

本期对LoRa CSS扩频技术进行解析，并带你一起搞清LoRa扩频信号之间到底是否正交性。

LoRa CSS调制解调原理

LoRa 采用CSS调制技术，不同扫频起始点的时间偏移对应不同的调制symbol。对于扩频因子SF来说，时间偏移可以有2^SF种取值，对应2^SF种调制的symbol，一个LoRa symbol可以调制SF个bits。

1) CSS调制：LoRa发送端发送的一个CSS调制符号的时频图如图1所示。可以看到，这是一个线性扫频信号并且在某个时间出现了频率跳变，这个跳变的时间就对应着LoRa的调制符号。 LoRa一个符号周期时间长度为 2^SF/BW （SF是扩频因子，BW是信号带宽），因此可以在时间上划分出 2^SF个扫频跳变时间，每个扫频跳变时间则对应一个LoRa符号。

2) 接收端混频：接收端将接收到的LoRa信号与本地参考信号（如图2）进行混频，得到混频后的差频信号，如图3。可以看到差频信号由两种不同频率的信号组成。

3) 用BW采样并做FFT：对差频信号用采样率为BW进行采样，混频后的差频信号中时间占比较短的信号的频率大于BW/2 ，在做完FFT后会被折叠进带内。FFT后能量峰值的频率则对应CSS调制时的扫频跳变时间，如图4。

LoRa信号间的正交性

根据第一节中的CSS调制解调原理，本节以一个Reference 用户为例，分析了在多用户并发时，Reference用户能够成功解调的情况。注意：本节的分析是假设了Reference 信号能否准确定时同步。

图5 展示了采用相同扩频因子时的LoRa信号并发的情况。根据第一章节的LoRa CSS调制解调原理，这里可以看到对接收端的差频信号做完FFT后，Interferer 和 Reference所对应的尖峰会同时出现在频域上，在SIR = 0dB时，Interferer不会干扰到Reference，在SIR = -3dB时，Interferer会干扰Reference，导致Reference解调错误。

图6 展示了采用不同扩频因子时的LoRa信号并发的情况。可以看到，对接收端的差频信号做完FFT后，在SIR = 0dB时，SF = 9的信号在频域上没有对应尖峰，因此LoRa所说的不同扩频因子之间的信号正交实际上是指这种情况。但是，在SIR = -20dB时，SF = 9的信号在频域上会产生一个宽带的干扰，依然会干扰到SF = 8的解调。

这里值得注意的是，reference信号的尖峰如果出现在300到500之间，那么在SIR不到-20dB的时候就会被干扰到。

根据上述仿真和观察，下述表1和表2给出了在并发情况下，Reference信号能否成功解调的SIR （BER = 1%）。

表1 和表2 展示了仿真和测试结果，在表中所述的SIR 下，Reference信号的BER可以做到约1% 。

并发对定时同步的影响

LoRa多用户并发时，用户信号间的干扰会影响各自信号的Preamble检测和定时同步，从而影响接收端的解调性能。 本节将分析LoRa多用户并发时Preamble被干扰时的信号解调性能。

图7展示了相同扩频因子下， 被干扰信号和干扰源在时间上的7种不同并发情况，其中：

1） Case 1，Case2和Case3 中的被干扰信号都无法正确接收。

2） 在Case 4，Case5和Case6 中，当干扰信号的RSSI小于等于被干扰信号时，被干扰信号有一定概率被正确接收。

3） 在Case7中，当干扰信号的RSSI小于等于被干扰信号时，被干扰信号能够完全被正确接收。

根据上述结果，LoRa多用户并发时，可以得到以下结论:

1) 如果某个用户的Preamble 中的第一个symbol 没有被其余用户信号干扰，那么在其RSSI较大时，有机会能够被正确解调。

2) 如果某个用户的Preamble的最后6个symbols 和Header 都没有被其余用户信号干扰，那么在其RSSI较大时，其能够被正确解调。

3） Preamble 被完全干扰的用户，无法被正确解调。

结论

LoRa所宣传的扩频正交性，需要满足如下条件：

（1） 数据包的前导（Preamble） 不被干扰（SIR要大于一定门限）。

（2） 数据解调：相同SF下SIR > 0dB；不同SF下SIR > -16dB（平均值）。

然而在实际中，LPWAN终端对低功耗有较高的要求，网络不可能频繁的做功率控制，因此上述两点条件在实际使用中较难满足。这也是为什么大多数使用LoRa的物联网开发者和方案商会普遍感觉到网络容量小，终端数量一大就容易产生数据包冲突的原因。

Ref：

Impact of Spreading Factor Imperfect Orthogonality in LoRa Communications

2 LoRa Scalability: A Simulation Model Based on Interference Measurements

由于LoRa是单一公司的私人协议，所以很难实现将来的长期技术发展。如果创新技术不能持续下去，就没有未来。企业非常重视网络投资成本的保护和现有资源的最大利用。
同时，面对5G巨大的市场增长机会，职业生涯当然不容错过。他们在5G进入发展规模之前会仔细修正各投资方向，不仅对现在，对将来也有利。
因此，至少在以上几个方面，LoRa与NB-IoT角逐的过程中，LoRa获胜的机会很小。

随着物联网、大数据、AI等技术的发展，我国智慧城市建设正从连接互联网的10时代，向更高效的数据互联的20时代迈进。智慧城市不再只是信息互联网化，而是人工智能化的新型基础设施的集合，比如，智慧城市中的智慧市政（水电煤能源、管网、路灯等）、智慧交通、智慧安监等。

在此背景下，能源、建设、生产、安保等城市经济服务等方面的物联网建设，正在形成下一个风口。据统计，物联网应用市场规模或达万亿级，目前已吸引了腾讯、阿里等互联网巨头以及移动、铁塔、联通等电信企业布局市场。

智慧城市建设迎来新阶段

近年来，我国多个城市开展了智慧城市建设试点，有效改善了公共服务水平，提升了管理能力，促进了城市经济发展。而在信息化后，智慧城市正在进入以智慧化、精细化治理为重要特征的新型智慧城市阶段。

2019年初，西安正式发布《关于加快推进新型智慧城市建设的决定》，明确提出将推进城市的智慧治理，优化城市管理。升级数字城管系统，搭建一体化城市管理平台等。

湖南省日前印发5G应用创新发展三年行动计划指出，到2021年，“5G+”行动计划初见成效，在工业互联网、自动驾驶、超高清视频、网络安全、医疗 健康 、智慧城市、数字乡村、生态环保等重点领域，打造100个以上示范应用场景。

北京市海淀区宣布，2019年上半年，海淀区拨付智慧海淀专项资金33亿元。包括试点搭建“城市大脑”基础平台，运用大数据、云计算和人工智能技术，在大力整合各部门信息化系统的基础上，加快推动城管、交通、环卫、安防、教育、医疗、社区等领域的智能化项目落地等。

中商产业研究院发布的《2019-2024年中国智慧城市建设发展前景与投资分析报告》显示，截至2016年底，国内100%的副省级以上城市、87%的地级以上城市提出了智慧城市计划，前三批智慧城市试点共签约311个城市，重点项目签约总量超过4000个。总计约500多个城市已提出智慧城市发展计划或在建智慧城市，预计总投资规模将达到万亿元级别。

万亿级应用场景显现

近日，在2019深圳国际LoRa物联网高峰论坛上，腾讯云物联网产品中心产品总监石文凭表示，在城市发展升级的进一步需求中，物联网应用市场的规模或达万亿级。

GSMA智库前不久发布的全球物联网市场报告显示，包括连接、应用、平台与服务等多方面，2025年全球物联市场将达到15万亿美元，商业应用更是占据了整个物联网市场的半壁江山。据中国物联网研究发展中心预计，2025年我国物联网产业规模将达2万亿元。

“但碎片化是目前物联网行业面临的问题。”深圳市唯传 科技 有限公司创始人、CEO姚晓海表示，从目前来看，无论应用场景还是客户规模均呈现碎片化，极为分散，因此多终端、多技术的融合将会是物联网的一个大趋势。

姚晓海说，作为智慧城市建设的一个重要方面，以仪器为终端，万物的统计、检测、计量都会基于物联网应用去做管理。同时，由于这种连接并不需要大量的数据传送，只需要在关键时间点进行数据传输，因此低功耗、低成本将是其应用的关键。

具体来看，任何一种无线通信技术都有自己适合的应用场景，LPWAN具有的低功耗、广覆盖、大连接以及低成本等特点，相比于传统的3G、4G、WiFi、ZigBee等通讯技术，更为适用于物联网行业。目前，LPWAN技术尚未形成统一标准，LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox等都是比较典型的LPWAN技术。其中，作为最早出现的LPWAN技术之一，LoRa的主要优势在于传输距离远、功耗低、大容量以及组网灵活等。

姚晓海介绍说，LoRa的价值在于低功耗、远距离传输以及高度自主的布网能力，适用于对连续覆盖、深度覆盖要求高的场景，同时在一些特定细分场景中，比如偏远或边缘地区，更是有其他通信技术无可比拟的优势。“LoRa的最大特点就是在同样的功耗条件下，比其他无线方式传播的距离扩大3至5倍，实现了低功耗和远距离的统一。”

除了可控距离外，LoRa技术还可大幅度降低建设成本。姚晓海表示，LoRa不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，并且布网方式较为灵活。另外，对比24G和蓝牙、WiFi等技术，LoRa稳定性较高，也较为安全；而基于短距离射频技术和蜂窝基础设施和基于互联网的物联网网络均有数十亿终端分散在各处，造成部分信号难以长距离输送，且安全性有待考量。

姚晓海表示，国内LoRa产业生态正在不断完善，LoRa技术的应用场景也在不断扩充。未来，LoRa必将会在物联网产业中扮演重要角色。据统计，目前全球已有100个国家和地区的网络运营商部署了LoRa网络。

众巨头加速布局

目前，我国互联网巨头也已开启LoRa布局。腾讯方面，腾讯与维传共同成立深圳腾传物联技术有限公司，共建LoRaWAN网络，为各种物联网应用和终端用户（如政府公共服务）提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案。

腾讯云物联网产品中心产品总监石文凭表示，基于LoRa连接技术，腾讯已经在智慧城市、智慧停车、智慧社区、智慧消防等领域进行了规模化的应用。“但物联网的产业链非常长，这不是一家企业所能通吃的，需要各个不同环节的企业合作共赢，才能更好地促进产业发展。”

阿里云方面表示，除了将继续加大在LoRa芯片、IP、支撑平台上的投入外，未来还将全力打造百亿级LoRa连接，尽快实现LoRa的全面普及。阿里云智能IoT总监华璐坷表示，LoRa技术经过数年发展，已经初具规模，产业发展也进入了一个新的阶段。

华璐坷说，阿里提出了一个LoRa20的概念，在LoRa20时代，LoRa的技术特点与应用场景将逐渐转向室内消费级应用，这将会极大规模地促进LoRa的应用范围，未来LoRa将会如WiFi一样在企业中普及。

都是远距离无线传输，只是各自的应用领域不同而已，LoRa比较适合局域网，自己管理数据，自己架设基站进行数据处理，比如一个农场、一个蔬菜基地等，而NB-IoT较适合广域网部署，应用领域比较适合广泛部署，一个特征应用比如共享单车就比较适合NB而不适合LoRa，比较像是3/4G跟WiFi的关系。LoRa：基站需要自己管理，可以类比为自己家里WIFI路由器，手机链接WIFI上网NB-IoT：基站运营商已经给你建好，要传输付钱即可，数据走运营商网络，可以类比为目前的手机3/4G上网

说起物联网（Internet of Things， IoT），估计很多人都耳熟能详，因为我们早就在各种各样的媒体中看到过好多次这个名词了。

按照中国传统观点，万物实际上是有着天然的联系的，那么人类为何又要画蛇添足般地再把他们连接起来呢？原因很简单， 万物的天然联系是依靠的自然规律，而人类并不能控制他们，而物联网让万物以人类的意愿进行连接，从而让人类可以控制他们 。物联网，无非是又一个人类征服和控制自然的尝试而已。只要万物能够互联并且通过有效的手段在需要的时候知道他们的状态，从而采用有效的手段进行干预，那么人类就有了对万物的相当程度的控制权。

这给了人们很大的想象空间，因此，也吸引了大量的淘金者，试图分享这样一块看起来巨大无比的蛋糕。 但这么多年来，现实并不乐观。

根据我的了解——可能并不准确——我感觉物联网现在处于一个比较尴尬的阶段。 一方面，物联网的呼声很大，人们寄予很大的期望；但另一方面，市场的反响并不热烈，本来应该跟人们的生活息息相关的物联网，似乎在现实中并没有被人们所感知。我观察到的现实就不很乐观。 算得上物联网的智能家居曲高和寡，国内力推的NB-IoT雷声大雨点小，LoRa使用的主流频段在国内被事实上禁用， Zigbee等覆盖范围过小……

在这里，我想梳理一下物联网在国内发展的现状，以便于更好地定位和找出问题所在。

物联网可以看做是互联网的升级版本，传统的互联网连接的是人；物联网不光连接人，还要连接物，除了人类的互动外，还需要让人能够更好地把控物。 人是自带智能的，所以传统的互联网的重点在于连接，只要有连接，人们就会互动，产生内容等，对网络的智能要求就不高；但物联网连接的是物，物本身不具备智能， 需要通过人来控制或者智能系统来自动控制。

物联网也是近十年来出现频率很高的智慧某某（例如智慧城市，智慧楼宇，智慧园区，智慧安防等）的基础设施。 什么是智慧？我认为就是能够根据某个特定的需求和目标，自主动态调节现有状态的能力 。这需要至少有两个部分构成，一是要有数据分析和处理的“大脑”部分，二是要有数据收集和指令执行的“躯体”部分。 我们往往把狭义的躯体部分作为狭义的物联网， 也可以称为物联网10， 实现了物体的初步连接和数据收集和反馈能力，但这套系统要想实用，实际上离不开人，因为数据的分析和控制指令的下达还是需要人来做；而大脑+躯体才是真正智慧的物联网，在我看来这才是能够给人类带来很大便利的物联网，才具备大范围应用的技术基础， 可以把这称为物联网20。

现阶段的物联网还是停留在由人控制的阶段，也就是10时代，这个阶段对数据的处理存在瓶颈，因此，并不适合复杂的应用，也不适合大范围使用。因此我们可以看到，应用比较广泛的应用也就是那少数的简单应用，如抄表、环境监测、家电控制等。云计算、大数据、机器学习、人工智能等技术是近几年的IT领域的热点，进展也非常迅速，他们的发展为物联网向20阶段进化提供了坚实的基础。

我们日常生活，现有的已经足够很好地满足人们的需求了；物联网，只是人们对更高生活水平的追求的产物，并且不是必需的；对于非必需品来说，要想普及需要足够的性价比或者就索性走高端路线。但从目前的物联网市场看，由于缺少比较成熟的家用物联网方案，因此并不能大规模使用，这导致物联网应用起来成本比较高，在家居中只有高端住宅才可能会使用，占比很少，家居物联网在这种初级阶段必须得要走高端路线，当然这也符合很多新事物的初始状况特征。

物联网在工商业中也有一些应用，例如RFID领域，我们已经可以在一些商店中看到。其他还有很多物联网项目，多数隐藏在智慧某某的名头之下，现阶段，只要是冠以智慧的项目，其造价一般会令人咂舌。 因此，在性价比不高的情况下，人们使用他的积极性自然不高了。

中国运营商去年决定要大力推广NB-IoT，他们试图提升性价比，因此希望设备和解决方案提供商们能够以较低的价格提供相关产品，由于其体量，确实有部分供应商愿意以接近成本价的价格向其提供产品；但即使是这样，愿意使用的用户也不多，这让供应商的积极性大大降低，因为根本就无利可图。也因为此，NB-IoT的这一波推广活动实际上到目前看来是比较失败的。

从连接介质来看，物联网分为有线和无线两种，考虑到实际部署的难度，无线方式显然更有机会会成为主流的连接方式。

从终端和因特网连接关系来看，物联网也可以划分为两种方式：一种是直接和因特网连接，例如NB-IoT、2/3/4G蜂窝网络、eMTC等； 另一种是通过网关间接和因特网连接，例如LoRa、SigFox、ZigBee、BLE、WiFi等。不同的协议都是针对不同的应用场景设计的，因此在实际使用中都有其优缺点。例如我们常用的WiFi，要保证速率和可靠性，因此覆盖距离不够长，连接不可靠； NB-IoT主要用于低速率物联网应用，能够直接联网，但速率低， 用户连接数少； LoRa的覆盖比较广，但速率低，用户连接数也有限制……

因此，实际部署时需要根据不同的应用场景选择不同的技术、标准以及相应的设备，而在现场实施的时候又会有很多意想不到的困难。无线部署也需要做网优等工作，对实施人员的要求比较高。 这些都增大了物联网的部署难度。

由于物联网一般使用无线技术，那么频谱资源就是物联网的一个非常核心的资源。频谱资源时稀缺的，因为有太多的地方需要这类资源。例如我们的移动电话、微波通信、卫星通信、应急通信、无线WiFi等等。这些资源由于其稀缺性，需要统一的规划。而这在不同的国家也面临着不同的状况。

例如现在比较火热的LoRa，阿里巴巴、腾讯等互联网企业刚刚加入该标准联盟，结果国家的新的频谱规划就给予他们致命一击，LoRa所使用的sub-1G的频谱资源实际上是不开放的。

目前在全球，唯一明确的民用频段就是24GHz，也就是WiFi、蓝牙等使用的频段。但这个频段的问题是与低频段的无线电波相比，越障能力比较差，因此覆盖能力不强。而又由于太多的民用无线设备都是用这个频段，导致这个频段的信号比较“脏”，收到的干扰比较大。 现有的使用这个频段的蓝牙、WiFi协议本身也是为了IP宽带连接而设计的，专注于速率，所以也导致覆盖范围一般不超过100米，并且连接数量有着很大的限制。 因此，要想避免频谱资源的政策风险，就只能使用24GHz这个频段 ，那么如何在这样的情况下增加无线覆盖的范围，提升覆盖距离，就是物联网公司需要解决的一个大问题。

比较有实际应用意义的物联网的规模需要达到一定的程度，也就是终端要足够多，很多地方并不具备电源接入的条件，那么就需要终端的功耗要足够低或者索性无源。

无源当然是最佳的方式，目前的解决方案是要加储能电路，但这种电量非常微小，在现有的技术条件下，覆盖范围和传输能力都受到严重的制约，只能适应很少的一部分场景。因此，大多数情况还是需要有源的终端，这就需要功耗尽可能地低了。 功耗问题可能是目前物联网面临的主要问题之一。

例如在智慧停车之类的项目中，有部分方案是用NB-IoT实现的。这个标准由于使用了蜂窝技术，只有运营商具备掌控的能力，所以电信运营商和设备商都非常有热情去推广，也号称一块电池可以用十年，看起来功耗似乎很低，但那是有前提条件的，就是它平时处于睡眠状态，每天主动醒来一次上传一次数据，在这样的情况下才可能坚持十年。 但用于停车就得频频被唤醒，因此在这个场景中使用就非常耗电。根据实际使用的经验，差不多5个月左右就得去更换电池了。这带来极大的维护工作量，而且电池的成本本身也非常高。因此，至少在停车这种方案中，NB-IoT并不是一个好的选择。如果用LoRa呢？在停车中也有应用，表现好一点，能够达到一年多的使用时间而不用换电池。而一般里面模块和芯片的寿命在5年以上，也就是说，在终端设备的生命周期里，需要更换多次电池，每一次更换电池实际上跟新开工一个项目工作量差不多多少。因此，我们不能说这种状况是令人满意的。

所以，如果能够解决有源终端的功耗难题，不光可以大大减轻日后的维护工作量，还可以大大降低终端的成本，这是因为在实际应用中，电池是物联网终端的主要成本之一。

技术本身是没有国界的，但遗憾的是我们并不生存在一个理想的世界里，我们的现实世界依然存在着各种各样的利益群体，有的时候出于自身利益的考虑，作为体现现代竞争力的物联网技术就要受到一些因素的制约。国家就是一个典型的利益群体，而国家安全往往是这个群体的最高利益之一。信息安全是国家安全的一个重要方面，物联网搜集各种各样的信息，这些信息有的时候就是非常机密的情报，不方便被其他利益团体所获知，因此，在物联网标准方面，在一开始就要注意这个方面。

LoRa是美国公司Semtech所提出的一个物联网标准，也是目前比较主流的标准。这个标准对标的是SigFox——一个欧洲的私人公司封闭的物联网标准，但SigFox用自己的标准建了一个覆盖很广的网络，对外运营物联网业务，可以叫做物联网供应商；而LoRa是半开放的标准，允许用户使用这种技术进行模块和终端产品的开发，并用这些产品组建自己的LoRa物联网，虽然相比于市场上主流的其他方案，看起来价格并不贵，但标准、芯片等核心部分过分集中于美国的供应商Semtech上，在特定的时候这就是一个很大的风险。

因此，无论是物联网方案提供商、物联网产品开发商，还是用户，在选择物联网标准的时候要考虑到这个问题。当然，对于小规模的民用应用，采用什么标准问题不大，但对于军用、大规模应用来说，不考虑这个因素将可能让投资全部打水漂。 最近的无线电频谱的一个征求意见的文件就让某国外标准被判了死刑，即使我们最大的两个互联网公司刚刚加入了这个阵营也是无可奈何。

NB-IoT是中国特别是运营商和设备提供商力推的标准，但它的问题在于功耗较高、用户容量有限，所以，在很多场景里并不适合。因此，中国还需要更多的物联网标准，来补充NB-IoT的不足。

---