唯传技术干货:影响LoRa网关容量的关键因素及扩容技术研究(一)

来源:唯传科技

1.1
概述
       低功率广域网(LPWAN)是无线通信技术发展的新趋势。与传统网络系统不同,这些系统并不专注于为每个设备实现高数据速率。相反,为这些系统定义的关键性能指标是能效,可扩展性和覆盖率。今天的LPWAN通常被视为由终端节点设备(ED)和网关基站(BS)组成的蜂窝网络。 节点(ED)连接到基站(BS)并由其服务,从而在其周围形成星形拓扑网络。 Lora技术就是其中的典型代表。在本文中,我们专注于研究基于LoRa技术的网关容量问题。
       随着智慧城市的发展,对单个网关的容量需求提出了更多的要求,但是目前关于网关吞吐容量的研究鲜有报道,相关资料也是少之又少。唯传科技的研发团队在大量实验和理论研究的基础上,掌握了大量一手资料,为智慧城市相关应用提供了理论依据。 本文的主要贡献是对LoRa通信技术的深入分析,研究了影响LoRa 网关的吞吐量以及节点设备数量的各种关键因素。最后,我们提供一些讨论,并指出了未来需要进一步改进的方向。
1.2
LoRa技术参数

LoRa技术是升特公司(Semtech)的专有扩频调制技术。传输使用扩频来抵抗干扰,并处理由低成本晶体引起的频偏。 LoRa键的特点是:长距离,高鲁棒性,多径电阻,多普勒电阻和低功耗。 目前可用的LoRa收发器可在137 MHz至1020 MHz之间工作,因此也可在许可频段内运行。 然而,它们通常部署在ISM频段(欧盟:868MHz和433MHz,美国:915MHz和433MHz,中国:470~510MHz)。 

传输参数分析

Lora技术最为一种无线射频传输技术,主要的参数由以下几个组成:发射功率(TP),载波频率(CF),扩频因子(SF),带宽(BW)和编码速率(CR)。网络系统的能量消耗,传播范围和抗噪声能力都是由这些参数的选择决定的。

发射功率(TP)

LoRa无线电上的TP可以从4dBm调整到20dBm,步长为1dB,但是由于硬件实现限制,范围通常限制在2dBm到20dBm。此外,由于硬件限制,高于17 dBm的功率电平只能在1%占空比下使用。

载波频率(CF)

CF是可以在137MHz至1020MHz之间的61Hz步进编程的中心频率。根据特定的LoRa芯片,该范围可能限制在860 MHz至1020 MHz。

扩频因子(SF)

SF是符号率和芯片速率之间的比率。较高的扩频因子增加了信噪比(SNR),从而提高了灵敏度和范围,同时也增加了数据包的通话时间。每个符号的码片数量计算为2SF。例如,使用SF(SF12)4096芯片/符号的SF。 SF的每增加一次传输速率,传输持续时间和最终的能量消耗加倍。扩频因子可以从6到12.从前面的工作中可以看出,与不同SF的无线电通信是相互正交的,使用不同SF的网络分离是可能的。

带宽(BW)

BW是传输频带中的频率宽度。较高的BW给出了更高的数据速率(因此在空中的时间更短),但是较低的灵敏度(因为附加噪声的集成)。较低的BW给出更高的灵敏度,但是更低的数据速率。较低的BW也需要更精确的晶体(较少的ppm)。因此,125kHz的带宽对应于125kcps的速率。虽然可以在7.8kHz至500kHz的范围内选择带宽,但典型的LoRa网络可以工作在500 kHz,250 kHz或125 kHz。此外,低于62.5 kHz的带宽需要温度补偿晶体振荡器(TCXO)。

编码率(CR)

CR是由LoRa调制解调器使用的FEC速率,可以防止突发干扰,并且可以设置为4/5,4/6,4/7或4/8。更高的CR提供更多的保护,但增加空中时间。具有不同CR(和相同的CF,SF和BW)的无线电台如果使用显式报头,仍可以相互通信,因为有效payload的CR被存储在报文的报头中。

LoRa数据包结构

LoRa分组结构如图1所示。分组以前导码开始,可编程从6到65535个符号,射频添加4.25个符号。之后遵循可选的报头,其描述有效载荷的长度和FEC速率,并且指示有效payload包含可选的16位CRC。头部始终以4/8 FEC速率传输,并具有自己的CRC。在可选头之后,有一个负载,可以包含1到255个字节。在有效载荷的最后,可以包括可选的16位CRC。

空中时间(Airtime)

LoRa的空中传输时间取决于有效payload的大小,SF,BW和CR的组合。传输的持续时间可以使用升特公司提供的LoRa调制解调器计算工具进行计算。必须注意的是,根据所选择的通信设置,数据包可以在空中时间方面具有差异。例如,20字节的数据包可以在9 ms和2.2 s之间变化。因此,通信参数的选择对LoRa部署的可扩展性具有重大影响。

图一,LoRa数据包结构图

LoRa链路模型

       如果接收到的信号强度功率Prx位于灵敏度阈值Srx之上,则传输成功被接收端接收。接收信号功率Prx取决于发射功率Ptx以及沿通信路径的所有增益和损耗:

Prx    是以dB为单位的接收功率

Ptx    是以dB为单位的发射功率

Gtx    是以dBi为单位的发射机天线增益

Ltx      是以dB为单位的发射机损耗(RF开关,不匹配电路,连接器)

Lpl     是路径损耗以dB为单位

Lm     是以dB为单位的杂项损耗(衰减余量,其他损耗)

Grx    是接收天线增益单位是dBi

Lrx     是接收机损耗

为了本研究的目的,我们将这个一般方程式简化为:

        这里,GL结合了所有的一般增益和损耗,而Lpl代表由通信环境的性质决定的路径损耗。在发射机侧,只能通过改变发射功率来改变范围。其他参数如SF,BW和CR不影响辐射功率或任何其他损益。在接收机侧,该范围由受LoRa参数SF和BW影响的灵敏度阈值Srx限制。有许多模型来描述不同环境(建立区域,自由空间)的路径损耗。我们使用众所周知的对数距离路径损耗模型,其通常用于建模和人口稠密地区的部署。 使用该模型,根据通信距离d的路径损耗可以描述为:

其中Lpl(d)是以dB为单位的路径损耗,Lpl(d0)是参考距离d0处的平均路径损耗,γ是路径损耗指数,Xσ〜N(0,σ2),零均值的正态分布, σ2方差来计算阴影。

LoRa技术宣称通信范围在郊区环境可以超过15公里。国外的一组试验数据显示,当d0在40m取值,Lpl(d0)为127.41dB,γ为2.08,σ为3.57。

接收灵敏度计算公式

        根据升特公司提供的无线电接收机在室温下的灵敏度计算参考,由下式给出:

       第一个术语描述1 Hz带宽的热噪声,只能通过改变接收机的温度来影响。

       BW是接收机带宽。 NF是接收机噪声系数,并针对给定的硬件实现进行了修复。

       SNR是底层调制方案所要求的信噪比,由扩频因子SF决定。 SF越高,信噪比越高。

       由于BW设置为2的幂级,我们可以从等式4推导出增加带宽会使灵敏度降低3dB,反之亦然。与SF类似,增加扩频因子将每个符号的芯片加倍,从而将灵敏度提高3 dB。

国外的同行的一组试验如下:

       两个节点放置在办公楼不同楼层的不同房间。节点之间的距离约为40m。扩展因子(SF7至SF12),带宽(125 kHz,250 kHz,500 kHz),编码率(CR 4/5,CR 4/6,CR 4/7)的所有组合,一个节点发送固定数量的分组和CR 4/8)和发射功率(2dBm至17dBm)。重复在几天的测量和记录最小RSSI的所有正确接收的数据包来确定灵敏度。结果示于表1。

       如预期的那样,降低带宽或增加扩频因子确实提高了灵敏度!然而,每个步骤之间的差异不是3dB,而是在0 dB至4 dB的范围内,平均值为2 dB。大概这是由于外部干扰,以及无线电芯片本身以外的硬件限制引起的。

表1 在不同SF、BW下测量到的的接收灵敏度

总结

使用公式2,等式3和等式4,我们现在可以估计是否能够接收到发射端的LoRa传输信号,可以描述为:

       为了确定Prx,Lpl,d0,γ和σ必须设置为参数路径损耗模型,通信距离d必须是已知的。接收灵敏度Srx取决于选定的BW和SF。

如您希望了解唯传研发的基于LoRaWAN协议的网关路由器、模块和终端产品,请访问www.winext.cn

说明:LoRa应用学习站通过公开互联网收集、整理并转载有关LoRa及物联网应用解决方案,以供广大LoRa应用开发者和爱好者共同学习交流和参考运用到实际生产生活中。本站所有转载的文章、图片、音频、视频等资料的版权归版权所有人所有并衷心感谢您的付出,由于本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者,如果本网所选内容的文章原创作者认为其作品不宜放在本站,请及时通过以下留言功能通知我们采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。如果您希望保留本文在LoRa学习站,但希望文章末尾提供对作者的致谢或者产品、网站交换链接的,也请将需求写入以下留言栏中,谢谢您的支持。让我们共同努力,打造万物互联的未来美好生活!

您的留言或需求: