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影响lora传输速率与距离的因素是什么

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影响lora传输速率与距离的因素是什么
2021-06-05 14:55:59 阅读: 发布人:纵横智控

在无线电技术中,基本上可以使用三个特征来表征无线电网络:

● 范围 /距离

● 数据传输的速度

● 耗电量。

这三个指标的标准肯定是不相同的,因为在这种情况下物理法则设定了明确的限制。例如:LoRa可以长距离传输数据,并且所需的能量相对较小,但数据速率较低。

例如,WiFi和蓝牙实现了很高的数据速率,但是能耗相对较高,并且范围很小。所有智能手机用户都非常了解这种能源需求。大型电信提供商的基站提供高数据速率和相对高的范围,但是为此必须提供大量的能量。因此,电源始终是此类安装的非常重要的规划因素。

通常,最多可以优化上述标准中的2个。因此,必须决定优先考虑影响lora传输速率的因素是什么

链接预算

链路预算表示无线传输信道的质量。

使用一个简单的模型,可以通过添加发射功率(发射器功率Tx),接收器灵敏度(接收器功率Rx),天线增益和自由空间路径损耗(FSPL)来计算链路预算。

在进一步的过程中,将计算LoRaWAN的链路预算。

无线电信号路径损耗

该路径损耗表示有多少能量在自由空间之间的距离丢失的Tx和的Rx。Tx和Rx之间的距离越远,能量水平越低。路径损耗通常表示如下:

FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2(1)

这些因素说明:

FSPL =自由空间路径损耗

d = Tx和Rx之间的距离,以米为单位

f =频率,以赫兹为单位

对于自由空间路径损耗,还有一个广泛使用的对数计算公式:

FSPL(dB)= 20log10(d)+ 20log10(f)– 147.55(2)

距离(d)翻倍意味着路径损耗为6dB(在自由空间中)。

在接收器端(Rx),接收器的灵敏度是影响链路预算的值。所谓的Rx灵敏度描述了最小可能的接收功率和热噪声容限,其计算公式如下:

Rx灵敏度= -174 + 10log10(BW)+ NF + SNR(3)

这样做的手段:

BW =以Hz为单位的带宽,

NF =以dB为单位的噪声因子,

SNR = 信噪比表明信号与噪声相比要强多少

LoRaWAN的Rx灵敏度比Wifi高,因此也更好。

公式(4)显示了路径损耗的极端情况,其中不包括天线增益和其他类型的自由空间衰减:

链接预算=最高 Rx灵敏度(dB)–最大 发射功率(dB)(4)

LoRaWAN链路预算的计算示例:

Tx功率= 14 dBm

BW = 125KHz = 10log10(125000)= 51

NF = 6 dB(LoRaWAN网络中的网关具有较低的NF值)

SNR = -20(对于SF = 12)

在公式(3)中输入的这些数字给出的Rx灵敏度为-137 dBm

Rx灵敏度= – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm

然后,可以使用表达式(4)如下计算

链路预算:链路预算= -137dB – 14dB = -151dB

给定的值导致LoRaWAN Link预算为151 dB。

通过LoRaWAN专用的150 dB链路预算,在最佳条件下(纯净空间损失),可以覆盖800公里的距离。当前的LoRaWAN世界纪录为702公里。

在实际条件下,无法达到这些理想值。那么影响lora传输距离的因素是什么,这取决于几个影响因素。

因素1:自由空间路径损耗

通过使距离增加一倍,LoRaWAN的自由空间路径损耗增加了6 dB,因此无线电信号的通过损耗受对数函数的影响(请参见公式(1))。

除了作为距离的函数的能量损失之外,诸如无线电波在物体上的反射和折射之类的因素还可能导致无线电波重叠,这也可能对射程产生负面影响。(注意:Thomas Telkamp在位置15:41开始的视频“ LoRa崩溃过程”中对这些连接进行了很好的说明)。

因素2:由于结构元素造成的路径损耗

由结构引起的通过损耗,即在穿透建筑物等不同障碍物时吸收无线电信号,会影响发射信号的接收,并可能大大缩短发射距离。例如,玻璃只能将信号降低2dB。这影响范围远小于30厘米厚的混凝土墙。下表列出了各种材料及其对无线电信号的典型影响。

材料路径损耗(dB)
     玻璃(6mm)      0,8
     格拉斯(13mm)      2
     木(76mm)      2,8
     砖(89mm)      3,5
     砖(178mm)      5
     砖(267mm)      7
     混凝土(102mm)      12
     石墙(203mm)      12
     砖混凝土(192mm)      14
     石墙(406mm)      17
     混凝土(203mm)      23
     钢筋混凝土(89mm)      27
     石墙(610毫米)      28
     混凝土(305mm)      35

因素3:菲涅耳区

为了有效地覆盖远距离并获得良好的链路预算,在发送者和接收者之间尽可能频繁地建立直接的视线也很重要。在无线电传输中,视线之间的特定空间区域称为菲涅耳区域。如果在这些区域中存在物体,尽管它们通常在发射和接收天线之间存在视觉接触,但它们可能会对波传播产生负面影响。对于位于菲涅耳区域的每个对象,信号电平都会降低,范围也会减小(请参见下图)。

图片关键词

全向天线通常用于LoRaWAN网络。这导致发射的能量在网络节点和网关所在的水平面上传播。在欧洲,对于868 MHz的频率,ISM频带的功率限制定义为14 dBm。此外,最大天线增益被限制为2.15 dBi。

因素4:扩展因子

LoRaWAN网络使用扩展因子(SF)专门设置相对于范围的数据传输速率。在LoRaWAN网络中,使用SF7至SF12。由于其线性调频扩频调制(CCS)以及用于线性调频的各种相移频率,因此对干扰,多径传播和衰落不敏感。线性调频脉冲在Tx侧的LoRaWAN网络中对数据进行编码,而反向线性调频脉冲在Rx侧用于信号解码。上面的SF表示每秒使用多少个线性调频脉冲,并定义比特率,每个符号的辐射功率和可达到的范围。

例如,就比特率而言,SF9比SF7慢4倍。SF可以实现LoRaWAN的可扩展性。比特率越慢,每个数据集的能量越高,范围也越大。LoRaWAN支持根据网络配置自动调整SF因子,即所谓的自适应数据速率(ADR)。

总结

影响lora传输速率与距离的因素是:

1、链路预算指定LoRaWAN网络的最大范围。

2、自由空间路径损耗会影响范围,距离加倍会使路径损耗增加6 dB。

3、障碍物和地面上无线电波的反射和折射会影响信号电平和范围。在LoRaWAN网络中,无线电链路的一侧通常位于地面附近。

4、第一菲涅耳区域内的障碍物会影响Rx侧的信号电平并缩短范围。

5、SF值,并因此取决于发射条件而确定的发射器范围。LoRaWAN允许通过ADR进行自动网络管理,从而调节发射器的范围。

6、Rx灵敏度取决于信噪比(SNR),噪声因子(NF)和带宽(BW)。


优化LoRaWAN范围的策略

为了提高使用LoRaWAN技术的网络范围,应考虑以下方面:

lora网关位置:提供Tx和Rx天线之间的可见光。增加天线的高度,以实现它们之间的光学可见性。始终比室外使用室外天线好。

天线选择:经典杆形天线将能量集中在水平面中。避开天线附近的障碍物。此外,它们应始终安装在柱子上,而不要安装在建筑物的侧面。如果仔细选择天线,并且将天线极化和最大定义的天线增益彼此最佳地调整,则范围应有所改善。

使用高质量的连接器(N个连接器)和电缆(LMR 400或同等产品,每100 m损耗小于1.5 dB)。为了减少连接材料的损耗,还必须使站点和天线之间的连接长度尽可能短。

协同定位:在其他无线电系统附近安装时,请尽量避免强烈的干扰,例如来自周围的GSM或UMTS站的干扰。请参考制造商的使用说明书。

通常,应该简短地提到LoRaWAN网关的安装应确保足够的浪涌和雷电保护。


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