最大化 LoRa 长距离，您应该知道的完整秘籍

Truth will make people free.（真理必叫人们得以自由）-- 【约翰福音】 8:31—36

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网关和节点调整最大功率（分别 27dBm 和 22dBm），最大灵敏度（SF12），网关架设在空旷的高处（比如：铁塔，电杆，楼顶等），节点使用优质天线（全铜，半波，全向，适配设备）。

1 长距离，LoRa 独霸江湖的利器

自 2013 年 semtech 推出 LoRa，它就倍受物联网行业的关注。

今天，无线通信技术多不胜数，只有在某方面做到第一的技术，方能生存！

如果问一个基础的问题—LoRa 最大的优势是什么？

答案是“长距离”。

LoRa 的“接收灵敏度”在目前民用无线通信技术中排第一，以常用的 125kHz/SF12为例，它可以达到 -142.5dBm。

相比 NB-IoT（-130dBm）和 LTE（-110dBm），我们将知道 LoRa（-142.5dBm）的优势所在。

在理想条件（即：发射功率，天线增益和环境因素）下，LoRa 的通信距离是NB-IoT 的 4 倍；是 LTE 的 42 倍。

为什么在实际应用中 LoRa 并没有想象的那么远呢？因为环境是一个极大的因素，它制约着通信距离。

接下来，我们一起列出影响无线通信距离的因素，这样，才能构建“长距离”的基础认知。

2 白话“长距离”，让每个人都看懂

无线通信是一门抽象的科学，要深入地说清原理，那不是一篇文章能完成的，或许，需要 3~5 本经典教材。

随着物联网的快速发展，更多“非通信专业”的人士需要了解“长距离”之类的通信知识，有便捷的办法吗？

所幸的是，我们有优秀的思维工具--“类比”（analogy），通过把不太理解的东西和较为理解、且十分类似的东西做比较，从而对这些不太理解的东西产生更深刻的理解。这种使用类比的方法也叫做“建模”（modeling）。

这里，我们用“说话”来类比“无线通信。这样，即使“零基础”的人士也能理解影响“长距离”的因素。

说话，人类大约 10 万年前就掌握了该技能。通过声波，说者能向听者表达自己的想法。

无线通信，人类在 100 多年前掌握该技术。通过电磁波，发射器能向接收器传输数据。

这 2 者有很多相似的地方，影响它们传播距离的因素大致分为：自身因素 和 环境因素，如下表所示。

3 科技原理，能提高的手段原来如此

接下来，我们基于“通信原理”来分析“长距离”的因素，重点是 LoRa 如何做到出类拔萃。尽管这会引入一点儿公式，幸运的是，只要具备“高中数学”的基础就可以理解。

特别强调，此处的公式推导都是基于理想环境：在可视距离内，无电磁干扰。

（专业术语称为：自由空间损耗，free space loss）

在理想环境中，无线通信满足如下 (1) 公式：

 (1)式中  Pt ---- 发射器的发射功率。

                Pr ---- 接收器的灵敏度。

                Gt ---- 发射天线增益。

                Gr ---- 接收天线增益。

                f  ---- 载波频率。

               d  ---- 收、发天线间距离。

               c  ---- 光速（3 x 108m/s）。

               Lc ---- 基站发射天线的馈线插损。

               L0 ---- 因环境带来的空中传播损耗。

其中，p 和 c 都是常数，因此，公式 (1) 很容易转换成如下公式 (2)：

我们的目标是 d（距离），为此，继续将公式 (2) 转换成公式 (3)：

3.1  LoRa 长距离的秘诀—提高接收灵敏度

从公式 (3) 可知，提高接收灵敏度（即，减小 Pr 的代数值）可以有效增加通信距离，LoRa 基于此原理。

LoRa扩频调制的示意图如上所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这样，提高了接收灵敏度。

以 LoRaWAN 为例（BW=125kHz，FEC=4/5），提高 SF 带来的增益如下表。

实例：SF12 的灵敏度 -142.5dBm，相比 SF7 的灵敏度 -130.0dBm，提高了 12.5dB，通信距离将延长到原来的 4.2 倍。

3.2 提高发射功率

从公式 (3) 可知，提高发射功率（即，增大 Pt 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 网关的发射功率从 20dBm 提高到 26dBm，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

同样，将 LoRaWAN 模块的发射功率从 14dBm 提高到 20dBm，增加 6dB，通信距离也将延长到原来的 2 倍。

3.3提高发射天线增益

从公式 (3) 可知，提高发射天线增益（即，增大 Gt 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 网关的发射天线增益从 3dBi 提高到 9dBi，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

当然，9dBi 的全向天线需要考虑：成本，尺寸，政策法规等因素。

3.4提高接收天线增益

从公式 (3) 可知，提高接收天线增益（即，增大 Gr 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

将 LoRaWAN 模块的接收天线增益从 1.5dBi 提高到 7.5dBi，增加了 6dB，通信距离将延长到原来的 2 倍。

当然，7.5dBi 的全向天线需要考虑：成本，尺寸，政策法规等因素。

3.5降低基站馈线插损

从公式 (3) 可知，降低基站馈线插损（即，减小 Lc 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

射频印制板和馈线均严格按照 50 欧姆进行阻抗匹配（减少信号反射造成的损耗），选用优质射频连接头，接口进行防水处理，尽可能缩短馈线的长度，选用损耗更低的馈线材料。这些措施都可以有效降低 LoRaWAN 网关的馈线插损。

3.6 降低空中传播损耗

从公式 (3) 可知，降低空中传播损耗（即，减小 L0 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

抢占“制高点”是有效的措施，即，将 LoRaWAN 网关尽可能架设在楼顶或铁塔上，天线要与地面垂直，周围无遮挡为最佳。

保证视距通信是有效措施，即，调整 LoRaWAN 模块天线位置，尽可以减少它与网关之间的障碍物。

3.7 降低载波频率

从公式 (3) 可知，降低载波频率（即，减小 f 的代数值）可以有效增加通信距离。实例：

欧洲 LoRaWAN 中心频点为 868MHz，中国 LoRaWAN 中心频点为 490MHz，根据公式(3)计算可得，中国490的通信距离是欧洲868的 177%

当然，只有拥有国家划分频段的组织可以使用该办法。

4 环境因素，不可控的制约者

同样是 LoRa 通信，在欧美达到 10-15km，而在中国仅 1-3km。

看完上图就明白原因了：欧美居民区，房屋低矮稀疏，传播损耗小；中国居民区，高层建筑多而密集，传播损耗大。二者的差异达到 20dB，这在通信距离上将相差 10 倍。

那么，我们该如何实际部署 LoRaWAN 呢？

因为环境对通信距离影响太大，可靠的办法是“拉距测试”，在信号盲区增加网关。

请参考：《免手持仪，零成本拉距测试 LoRa 信号质量》

https://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/84234196

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最后

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