LoRa 模块通信距离与丢包率：复杂地形测试数据与优化方法

在物联网无线通信项目中，模块标称的通信距离通常是在空旷、无遮挡、天线条件较好的环境下测得。实际部署时，丘陵、森林、建筑物、设备安装高度以及现场电磁干扰等因素，都会影响无线链路质量。

LoRa（Long Range）是一种采用 Chirp Spread Spectrum，简称 CSS，调制方式的无线通信技术，具有接收灵敏度较高、可配置参数较多等特点，常用于低速率、低功耗和较远距离的数据传输场景。

需要说明的是，LoRa 主要指物理层调制技术，而 LoRaWAN 是基于 LoRa 调制构建的网络协议。本文讨论的主要是 LoRa 无线模块在点对点通信及自组网应用中的链路表现。

本文结合 NiceRF Wireless Technology Co., Ltd.（思为无线）公开的产品参数及室外测试记录，分析 LoRa 模块在不同距离、速率和地形条件下的通信表现，并介绍降低丢包率的常见方法。

分析 LoRa 无线链路时，通常需要关注链路预算（Link Budget）。

链路预算由发射功率、接收灵敏度、天线增益、馈线损耗、路径损耗及其他附加损耗共同决定。当接收端信号强度接近或低于模块的接收灵敏度门限时，数据包接收成功率会下降，严重时可能出现通信中断。

1. 发射功率

在频率、天线、速率和环境条件基本一致的情况下，提高发射功率可以增加链路余量，但并不意味着通信距离会按相同比例增加。

以 NiceRF LoRa6100II-2W 模块为例，其最大发射功率为 +33 dBm，即约2 W。在官方给出的测试条件下，空旷环境通信距离约为10～12 km。实际距离还会受到天线增益、天线高度、地形遮挡、接收端条件及环境噪声等因素影响。

LoRa6500Pro 系列可提供更高功率配置，适用于需要较大链路余量的应用。但工程选型时，还需要考虑模块功耗、供电能力、散热设计以及当地无线电频率和发射功率规定。

图1：LoRa 模块在不同地形（空旷平原、丘陵、城市、森林、地下）下的信号传播差异示意

2. 接收灵敏度

接收灵敏度表示接收机能够正常解调的最低信号功率。其数值越低，例如从 -130 dBm 降至 -140 dBm，表示模块识别弱信号的能力通常越强。

以基于 LR1121 芯片的 LoRa1121F33-1G9 模块为例，在 Sub-GHz 频段、带宽为62.5 kHz、扩频因子为 SF12 的配置下，公开参数中的接收灵敏度可达到 -142 dBm。

接收灵敏度由芯片性能、接收链路设计、带宽、扩频因子、编码率及噪声水平等因素共同决定。LNA，即低噪声放大器，可以改善接收前端的噪声性能，但不能单独代表整机接收灵敏度。

3. 扩频因子与带宽

LoRa 的通信距离和数据速率与扩频因子（Spreading Factor，SF）及带宽（Bandwidth，BW）密切相关。

一般情况下：

• 提高扩频因子，有助于改善弱信号条件下的解调能力，但会延长数据包的空中传输时间；
• 减小带宽，通常有利于提高接收灵敏度，但数据传输速率会下降；
• 降低扩频因子或增大带宽，可以提高传输速率，但可用链路余量通常会减少。

因此，工程应用中需要根据数据量、实时性、节点数量和目标距离，在通信距离与传输速率之间进行选择。

图2：不同扩频因子（SF7、SF9、SF12）在速率、距离与灵敏度上的权衡

二、不同速率和距离下的测试表现

1. LoRa与FLRC模式测试数据

以下数据来自 LoRa2021 模块的室外距离测试记录。表中的“成功率”沿用原测试记录的统计口径，用于比较不同模式和速率下的数据包接收情况。

注：测试期间存在大风等环境因素。测试结果仅反映当时的设备、天线、安装方式和现场条件，不宜直接作为所有应用环境下的通信距离结论。

2. 测试数据说明

速率与距离之间存在明显权衡

在 LoRa 模式下，SF9、带宽125 kHz、速率1.7 Kbps的配置，在1.1 km测试点记录到99%的通信成功率。相比之下，SF5高带宽配置的数据速率更高，但在远距离下的链路余量相对较小。

该结果说明，在数据量不大、实时性要求不高的项目中，适当降低空中速率，可以改善远距离或弱信号条件下的数据接收表现。

· 2.4 GHz测试结果存在一定波动

在2.4 GHz LoRa模式下，455 m测试点的成功率为72%，而943 m和1.1 km测试点分别为95%和93%。

这种“近距离成功率低于较远距离”的情况，可能与测试点附近的局部遮挡、天线方向、同频干扰、多径传播或测试样本数量有关。仅根据单组数据，难以判断具体原因，建议结合 RSSI、SNR、重传次数和频谱监测结果进一步分析。

· FLRC模式对速率变化较为敏感

在 FLRC 模式下，降低速率后，远距离通信成功率有所改善。

当配置速率为0.26 Mbps时，1.4 km测试点的成功率为83%；当配置速率提高至2.6 Mbps时，1.4 km测试点未接收到有效数据。

这说明高速通信通常需要更高的信噪比和更好的链路条件。在距离较远或遮挡较多的环境中，需要根据实际吞吐量需求选择合适的速率。

三、复杂地形下的丢包原因与优化方法

1. 丘陵和山地环境

丘陵和山体容易阻挡发射端与接收端之间的视距传播。无线信号需要通过绕射、反射或散射到达接收端，因此附加路径损耗通常较大。

常见丢包原因包括：

• 山体或坡面遮挡第一菲涅尔区；
• 接收信号在灵敏度门限附近波动；
• 天线安装位置较低；
• 山谷、坡面反射形成多径衰落。

可采用以下优化方法：

• 在法规允许并满足项目条件的情况下，评估较低工作频率；
• 提高天线安装高度，改善视距和菲涅尔区条件；
• 将天线安装在坡顶、塔杆或相对开阔的位置；
• 适当降低空中速率或提高扩频因子；
• 在关键遮挡位置增加中继节点；
• 根据供电和散热条件选择合适的发射功率。

需要注意的是，高功率不能完全解决山体遮挡问题。当链路被大型山体完全阻断时，调整节点位置或增加中继通常比单纯提高功率更合适。

2. 城市建筑环境

在密集建筑区域，信号可能经过墙体、玻璃、金属结构和地面多次反射，形成多径传播。同时，城市环境中无线设备较多，工作频段的背景噪声和同频干扰也可能增加。

常见丢包原因包括：

• 建筑物遮挡造成穿透损耗；
• 多径信号相位叠加产生深衰落；
• 同频设备占用信道；
• 天线靠近金属结构或安装在设备内部；
• 电源、数字电路或电机产生射频干扰。

可采用以下优化方法：

• 调整天线位置，使其远离金属外壳和强干扰源；
• 测试不同信道，避开干扰较强的频点；
• 模块支持时，可根据应用需求使用 LBT等信道检测机制；
• 适当提高扩频因子或降低带宽；
• 在固定点对点链路中评估定向天线；
• 增加重传、确认应答和超时机制。

定向天线虽然可以提高特定方向的链路增益，但不一定适合移动节点或多方向组网，需要根据网络结构选择。

3. 森林和果园环境

树木、枝叶和含水量较高的植被会对无线信号产生吸收和散射。雨后、雾天或植被茂密季节，链路衰减可能进一步增加。

在其他条件接近的情况下，较高频率的信号通常更容易受到植被遮挡和散射影响，但实际效果还与天线尺寸、极化方式、安装高度及传播路径有关。

可采用以下优化方法：

• 对433 MHz、868 MHz或915 MHz等频段进行现场对比测试；
• 将天线安装在树冠层以上或相对开阔的位置；
• 避免将天线紧贴树干、金属支架或地面；
• 缩短单段通信距离；
• 在果园道路、制高点或无遮挡区域部署中继；
• 根据季节和降雨条件预留链路余量。

频段选择还需要符合项目所在国家或地区的无线电管理要求，不能只根据传播距离确定。

四、通过Mesh组网改善复杂区域覆盖

当单点通信链路受到大型建筑、山体、矿区巷道或密集植被阻挡时，仅依靠提高发射功率可能无法获得稳定连接。此时，可以考虑通过 Mesh 或中继组网方式调整网络拓扑。

NiceRF部分无线数传模块，如 LoRa6100Pro-mini、LoRa6100II-2W等，提供 Mesh 自组网或中继相关功能。部署时，可将部分节点配置为路由节点或中继节点，对数据进行转发。

Mesh组网的主要作用包括：

• 将一条较长的非视距链路拆分为多段较短链路；
• 通过中继节点绕开山体、建筑物等遮挡区域；
• 扩展单个中心节点难以直接覆盖的区域；
• 为部分通信盲区提供补充覆盖。

不过，增加中继节点也会带来转发延迟、网络管理、路由维护、功耗增加和信道占用等问题。因此，组网前应评估节点数量、数据周期、数据包长度和并发通信需求。

图3：MESH 多跳中继技术绕过地形障碍，降低端到端丢包率

五、降低丢包率的测试建议

在正式部署前，建议按照实际使用条件进行现场测试，而不是只参考模块手册中的空旷通信距离。

测试时可重点记录以下参数：

1. 发射功率、频率、扩频因子、带宽和编码率；
2. 天线型号、增益、极化方向和安装高度；
3. 每个测试点的 RSSI和SNR；
4. 发送包数、接收包数、丢包率和连续丢包次数；
5. 不同时间段和不同信道下的测试结果；
6. 地形、建筑、植被和天气情况；
7. 供电电压及发射期间的电压波动；
8. 是否启用应答、重传、LBT或Mesh功能。

建议对每个测试点进行多轮测试，并适当增加数据包数量，以减少偶然干扰对结果的影响。

六、总结

从测试数据可以看出，降低空中速率、调整扩频因子和带宽，可以改善部分远距离链路的通信成功率；但在山体、建筑物或密集植被形成明显遮挡时，还需要通过调整天线位置、增加中继节点或采用 Mesh 组网等方式改善覆盖。

对于电子工程师和系统集成商，建议根据项目的数据量、实时性、供电条件、法规要求和现场地形，综合评估以下内容：

• 模块发射功率与接收灵敏度；
• 工作频段与现场干扰情况；
• 天线类型、增益和安装高度；
• 空中速率、扩频因子和带宽；
• 应答、重传和信道检测机制；
• 是否需要中继或Mesh组网。

最终通信效果应以现场测试结果为依据，并为天气变化、植被生长、设备安装偏差及环境噪声预留一定的链路余量。

参考资料

[1] NiceRF. “LoRa1121F33-1G9: High-Power Wireless Communication Module”.

[2] NiceRF. “LoRa6100II-2W: UART LoRa Module with Mesh Networking and ESD Protection”.

[3] NiceRF. “LoRa6100Pro: 1W Long Range LoRa Module with UART, AES Encryption, Mesh Network and ESD Protection”.