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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)
发布者:任你博娱乐 发布时间:2019-04-24 19:19

 

   

  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。

  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)。

  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dB,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。

  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。

  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:

  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。

  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。

  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。

  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。返回搜狐,查看更多

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