唯传技术干货：影响网关容量的关键因素及扩容技术研究（一）

来源：唯传科技

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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

       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