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

NB－IoT特点

NB－IoT在带宽和成本上优势明显，构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署UMTS网络、LTE网络和GSM网络，很容易实现网络的升级。同时，相对于4G网络，它支持的待机时间长，连接高效，而且联网设备的电池寿命很高。

NB－IoT的优势应用场景：正是因为NB－IoT技术成本低、功耗低，所以在定位、水表和停车等领域应用很广泛，如共享单车里就有内置NB－IoT模组，实现物联网通讯。

更重要的是，NB－IoT背靠运营商对于室内场景覆盖有着天然的优势。确定的频谱资源，并可利用运营商原有的室分系统完成覆盖，可通过融合套餐，设备体验等方式将NB－IoT设备推入到用户家庭当中。广泛应用于如智能家居、智能零售和智慧城市等行业中。

NB－IoT虽然优势明显，但在国内的发展现状是缺乏一个统一的开放产业平台，同时标准、芯片、网络和相关的应用层厂商以中小企业为主，还需要壮大自身联盟的实力，打造强大的生态。

LoRa特点

目前在国内，由于备受国家政策、电信运营商和业内大厂的青睐，NB－IoT技术的发展可谓如火如荼。相比而言，此前因频段授权问题沉寂许久的LoRa技术低调很多。

然而，随着阿里巴巴和中国铁塔合作，以及腾讯等互联网巨头宣布加入LoRa联盟的消息又为该产业注入一支“强心剂”，LoRa技术或将在国内迎来又一个春天。

LoRa的一大特点是在同样功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，LoRa网络主要由基站（也可以是网关）、服务器、LoRa终端和物联网云四部分组成，其特点是应用端和服务器端数据双向传递。

LoRa的优势是超低功耗和多信道数据传输，增加了系统数据容量，网关和终端系统能够支持测距和定位，非常适用于位置敏感的应用。

LoRa拥有着阿里、腾讯、谷歌等的支持，可直接获得围绕在这些头部互联网玩家周围的生态支持。

可以预见，在未来的室内场景中，NB－IoT与LoRa无疑将依托各自的生态进行长期的龙争虎斗。

NB－IoT和LoRa对比

（1） 频段、成本、服务质量

NB－IOT和蜂窝通信使用的是运营商提供的授权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多，虽然实际应用中会收取一定的通信费用，但是相应的也会提供更好的信号服务质量，安全性和认证。而且针对目前蜂窝网络基站的建成更有利于快速大规模应用。

LoRa工作在Sub－1G的非授权频段，无需申请便可以建立网络设备，相对来说网络架构简单，而且实际应用中不需要额外付通信费用，但是因为是开放频段，所以实际应用非常广泛，容易受到其他相同频段设备的干扰。

（2） 通信距离

NB－IOT信号覆盖范围取决于其基站密度和链路预算，借助前期的资源优势，能够实现比LoRa更广的范围覆盖和更好的QoS，且NB－IoT自身具有高达164dB的链路预算，使其传输距离可达15km～20km。

LoRa使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）一样的低功耗特性，也显著增加了通信传输距离，从而提高网络效率和抗干扰能力，即不同扩频序列的终端在使用相同的频率同时发送时不会相互干扰，在此基础上研发的网关能实现多路并行的数据接受，大大扩展了网络容量。LoRa节点的传输距离可达 12～15 km覆盖范围（空旷郊区环境，市区环境传输距离会下降）。

（3） 低功耗、电池寿命

低功耗是物联网的指标之一，关于电池寿命方面需要考虑协议内容和节点电流消耗两个重要因素。

NB－IOT同步协议的节点必须定期地联网，所需要的“峰值电流”比采用非线性调制的LoRa多出了几个数量级，尤其是在唤醒后请求基站到接入服务器的过程中，会存在大量电池电量的消耗。

LoRa是基于ALOHA协议的异步通信方式，因此可以根据具体应用需求进行精准的休眠时间设定，达到充分利用电池电量的目的。

（4） 设备成本

对终端节点来说，LoRa相比NB－IOT更加简单，更容易开发，NB－IOT的协议和调制机制比较复杂，需要更复杂的电路设计和更多的花费，同时NB－IOT采用授权频段，通信需要收取一定的费用。

通过以上的分析，LoRa和NB－IoT最大的区别是：NB－IoT是工作在蜂窝授权频段上，网络由运营商进行部署和维护，为保证能与基站进行正常的通信以及工作，有必要在产品实际部署之前对其功能进行有效的验证。

而LoRa是非蜂窝网络，其标准细节的非公开性，使得产生用于验证的标准信号是个难点。LoRa可以利用传统的信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关来进行。构建基站和家庭网关价格便宜。在成本上来看，LoRa无线模块和NB－IoT无线模块成本相差不大，但在隐形成本上NB－IoT明显是要高于LoRa无线模块。

NB－IoT和LoRa目前都还处于发展的起步阶段，需要各方投入和共同发展。当大规模部署成为可能的时候，NB－IoT和LoRa的模组成本也会进一步降低。就技术方案而言，在短时间内，NB－IoT和LoRa肯定会并行，各有优点、各有缺点，很难说谁压倒谁；但是，如果受到技术方案以外的因素影响，比如赢利模式的创新，与应用行业的紧密结合，借助行业的影响力，两者都有可能率先占据市场。