LoRa实验室

找油是石油工业的第一步，也是最关键的一步。最大的困难是油和人之间，隔着厚厚的土壤和岩石，既看不见也摸不着。为了寻找石油，地质专家们要翻山越岭做地质普查，就像医生先观察病人的体表特征；接着在可能性大的区域，进行地表的化学生物指标分析，就像给人体做抽血化验，然后给可能存在石油的地层做一个透视扫描。这种方法被称为“地球物理勘探”。 而寻找石油最常用的一种方式就是地震波探测。地震波探测就是在可能有石油的地方，人工制造地震，当地震波往地下传播时，在软硬地层中的传播速度不同，在不同岩层中反射的声波也不同，并且反射时间也存在差异。通过在地面按照一定的规律在上万平方千米内，放置地震波采集器收集这些信息，采集器部署的越密，采集到的数据就越准确，继而推测分析出地层结构和油藏情况。 传统的数据采集方案，是通过有线传输，但是有线施工难度大，成本高，部署的数量少，分析精度低。 实地测试： 近期某客户计划采用无线方案，进行传感器的数据收集，但是无线采集面临新的挑战： 野外环境，受各种地表遮挡，信号衰减严重，要求覆盖能力强，传输距离远。 无人机在空中不能停留，采集周期短（10s），即要求通信速率高。 地震波采集器放置密度高，单位平方公里内上万个终端，要求单站容量大。 地震波采集器放置时间长，要求功耗低。该客户在技术选型时，选择了纵行科技研发国产LPWAN技术ZETA和国外技术LoRa，针对对ZETA和LoRa进行了横向比较测试，结果表明ZETA分别以两倍以上距离和速率完胜LoRa。测试详情如下： 测试环境： 农村野外，模拟石油勘探场景。网关高度约5.5米，终端放置在地面，发射功率17dBm。 具体测试结果如下： 数据分析： 1.极限灵敏度：在此测试环境下，ZETA SDR网关的极限接收灵敏度优于lora 30db，覆盖距离为LoRa的3倍。除了信号调制解调制式上的差异， 由于占用带宽不同，信号底噪也贡献了19db的差异。 2.覆盖距离：ZETA AM-FSK的0丢包极限覆盖距离为11km（1.7米高度），该点RSSI为-135dbm。测试中存在严重衰减的位置，网关接收的极限场强为-139dbm。Lora相应的结果为3.4km（1.7米高度），-104dbm；极限接收场强-109dbm，2.6km（地面）。 3.提升空间：当前测试条件lora芯片理论最大速率为293bps@-137dBm，SF=12，BW=125kHz。在该速率下，SF=12已经是lora芯片的可达到最好灵敏度的配置极限。而ZETA AM-FSK相应为600bps@-139dBm，4FSK(M=4)，BW=7.5kHz。考虑到中国法规相对法规200kHz的带宽限制。ZETA通过合理配置M（调制阶数）和BW，还有很高的速率提升空间。 4.频谱效率：LoRa SF=12, 293bps/125kHz=0.0029b/s/Hz；ZETA, M=4, 600bps/7.5kHZ=0.08b/s/Hz, 是LoRa的28倍。 理论分析： 1.由信噪比S/N = Eb/N0 * Rb/B (Eb:每比特的能量，N0噪声功率谱密度，Rb信息传输速率，B:基带带宽) 可知，速率不变的情况下，扩频通信能够减小SNR（接收机解调门限）。 2.由接收灵敏度PN (min) = −174 + 10logB + NF + SNR(-174:自然噪声底，B:基带带宽，NF:噪声系数，SNR: 信噪比)可知，扩频后不能提升接收灵敏度，因为带宽增加及带来的底噪跟SNR的减小相抵消。 小结： 实际上，考虑到普通晶振的时钟精度，LoRa所需的典型的信道带宽为125kHz或以上，而在免授权频段（470MHz-510MHz），很难找到底噪相对干净的125kHz带宽，但7.5kHz是很容易的，从而导致在实际应用中LoRa的接收灵敏度比ZETA的AMFSK差很多。本次测试的数据结果，证实了这一分析。 Read more.