由认识到应用——物联网LoRa技术性能分析

Posted 2023-02-14 读书叔叔

####前言
在这之前，我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa，在这之后，我们或许可以将LoRa技术落地应用。

####题目

1. LoRa网关容量分析
2. LoRa节点制约分析
3. LoRa信号空中飞行分析
4. LoRa传输距离分析

1. LoRa网关容量分析

首先，什么是LoRa网关？ 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多，它用来接收节点（终端）发射的数据，然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。

常用的LoRa网关芯片有：

• Semtech 的第一代产品 SX1301和SX1308， 这两个芯片差别不大，软件层面可以通用，两者差别是：SX1301灵敏度、功耗和温度适应范围比SX1308要好。

• Semtech 的第二代产品 SX1302， 这是第一代的升级产品，在第一代的基础上进行了很多改良，特别是功耗方面，SX1302的功耗不到SX1301的10%，这为太阳能供电提供了保证。由于改动较大，1302和1301的控制软件是不可以通用的。

• 1302突出点
  (1) 1302的内部有一个SPI桥接功能，它的好处是：1. MCU可以通过这个功能连接到射频前端，直接实现控制管理；2.另外一个好处是LBT的监听实现比上一代简单很多。
  (2) 1302扩宽了解调通道的处理能力，原先1301的每路解调通道同一时间只能支持一个解调器工作，而1302在同一时间里，支持两个解调器在同一条通道里工作，例如，通道同时有两路信号，信号的频率相同，SF不同，1301只能正确解调其中一路，另一路信号会被丢弃，而1302则可以同时将两路信号解调成功。

1.1 常见网关设计

以 Dragino网关为例，Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片（SX1301)，两个射频前端芯片(SX1257)，可以同时监听8路+1路LoRa信号，接收灵敏度为 -140dBm，支持LoRaWAN协议标准。

大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号

因为，LoRa网关有8个LoRa信号接收信道，这信道好比马路上的车道，如果马路有八条车道，即可以同时实现八辆车并排通行，如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道，那么，八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的，LoRa网关也如是，它只能同时接八种不同类的信号（频率和SF不同），如果同一时间有大量节点发射数据，网关的信道被占满后，会放弃其他多余的信号。

LoRa信道冲突是很常见的，所以节点发射信号要有协议规定，例如信号占空比，每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间，否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式，例如添加节点芯片，实现LBT——listen-before-talk，LBT的作用是监控信道是否被占用，在某些国家（日、韩）是强制要求网关实现这个功能的，因为这些国家面积小，人口又比较多，通信频道容易拥塞，使用LBT能提高信道效率。

网关容量的计算比较复杂，如果终端按每3分钟发射一次数据，数据长度为50B去估算，网关接纳终端的数量是900个左右。

具体要计算网关接纳终端的容量，受很多因素制约，其中至关重要的是通道多址接入控制协议，多址接入协议分类有：
1.固定多址接入，典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2.随机多址接入，靠随机数控制，典型的协议有ALOHA, CSMA。
3.基于预约的多址接入，数据发射前先进行通道预约，原理和日常预约挂号差不多。

1.2 针对LoRa的特点，提高网关容量的方法有：

• 载波监听（CAD），LoRa的终端节点芯片都有CAD功能，只需要监听非常短的时间（两个码元的时间，大概1~5ms），就可以判断信息是否被占用。网关的LBT就是使用了CAD功能实现的。
  CAD监听会有失效的情况，当终端在网关的两端，且距离较远时，一端的节点会出现无法监听到另一端节点的信道使用情况，正常来说，失效率小于3%。

• 相同一个信道内，BW不变情况下，可以改变SF实现多路正交数据互不干扰传输，这样一个信道就可以容纳多个节点的信号，因为SF不同，信号空中飞行时间也不同，网关到达时间就不同，网关就有空余的能力处理信号，从而扩大了网关的容量。

• LoRa芯片都具有同信道抑制功能（Co-channel Rejection)，当一个信道内同时进入多路数据时（BW和SF相同，发生碰撞），芯片具有正确解调其中一路的能力，没被解调的信号会消失。
  LoRa私有协议的数据强度差距会比较明显，信道发生碰撞时，能正确解调出一路的概率大于60%；而LoRaWan协议中，由于使用了ADR，各路信号强度差距不大，信道发生碰撞时，正确解调出一路的概率约为40%。

1.3 LoRaWAN网络信道

LoRaWAN一般有8路信道，每路信道是相互独立的，我们只要分析其中一路信道，计算其容量，再乘以8就可以计算出网关的容量。
以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析，首先，需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具（计算公式）计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率，并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间，然后进行加权平均和数据处理。

处理方法如下：

(1) 将一段时间内，例如1周内，所有的LoRaWAN节点上行数据包采集下来，记录总的数据包个数 Nsf-total, 所有数据飞行时长加权统计 $\\sum^1_nt_i $ 。
将所有节点看成相同节点，其平均飞行时间 $t_{average}$ 及频次 $f_{average}$ 为
$t_{average}=\frac{{\sum }_n^1{t}_i}{N_{sftotal}}$
$f_{average}=\frac{N_{sftotal}}{T}$

(2) 信道容量推导
根据多址接入协议CSMA的标准推导，此时已知单信道信号发射频次（ $f_{average}$）和平均飞行时间（$t_{average}$ ），物联网应用对延迟要求普遍不高，网络负载G(单位时间内发送的信号总数）设为平均飞行时间的3倍，假设为G=3， 则吞吐量S（单位时间内成功发送的信号总数）= 0.72（经验估算值），选择吞吐量的一半 S=0.36计算网关单信道容纳节点数量： $ N_1 = \\frac1f_average \\cdot t_average \\times 0.36 $ , 这是网关单信道的容纳节点数公式，将上述公式乘以8就是8信道网关的节点容纳数。
经过一些应用统计，数据因应用相异，例如：智慧社区应用， $t_{average}$ 约等于 250ms， $t_{average}$每周1~2次，针对这样的应用，网关可以容纳 $40000$ 个节点数量。

很明显LoRa的网关容量是足够大的，物联网节点设备每天的发包率大多数都很低，一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万（粗略估算$50万左右$)条上行数据，计算公式：$ N_average = 24 \\times 3600 \\times 吞吐量S \\times 8 \\div t_average $ 。

如果考虑下行数据，上行的数据包总量会有所减少，大概会减少 20%~50%的上行数据容量。

如果使用Dragino的新款网关LIG16（SX1302方案），上述数据容量会明显增大，1302的信道的吞吐量要比1301大$3$倍。

基本上，LoRaWAN网络的信道容量是足够的，网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。

2.LoRa节点制约分析

2.1 节点芯片介绍

LoRa节点芯片亦发展到了第二代，第一代为SX127X系列，第二代为SX126X系列，新产品性能必须要比旧产品性能好，SX126X对比旧版的优势有：

• 可以连续覆盖频率，范围为：150~960MHz
• 增加30%的工作距离
• 增加60%的输出功率
• 节省32%的发射电流
• 增加3倍休眠电流（这是缺点）
• 支持 SF5
• 降低开发难度

2.2 关键制约

1. 保持足够的供电电压，输出功率是线性的
2. 在功率发射时的热量会传导到外围晶振，，晶振振动频率随温度升高而降低。

2.3 发热解决方案

可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。

3. LoRa信号空中飞行分析

空中飞行时间可以通过公式计算得到：
$TOA=\frac{2^{SF}}{BW}\times N_{symbol}$

$\frac{2^{SF}}{BW}$ 是单个码元的时间， $N_symbol $是数据包码元总数。

$N_symbol = 前导码码元数 + 前导码结束标记（4.25个码元）+ 数据包码元数 $

数据包长度值最小是1B，最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是，每增加1B长度的数据，其空中飞行时间不会连续增加，而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。

这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理，而交织编码器有一定的容余空间。

例如在 SF = 7 的配置下，交织器的容量是 $(CR+1)列\times SF行=5\times 7=35b$ ，其中有 $4\times 7=28b$是有效载荷， 发送1B~3B的数据都是用5个码元，发送4B数据时，就要10个码元数，而10个码元可以容纳56b（7B）有效载荷。

4. LoRa传输距离分析

LoRa通过无线电波传输，无线电波从发射天线发出，沿不同途径和方式到达接收天线，传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。

电波的理想路径是在真空传输，没有阻挡，舒舒服服。
在实际的应用环境中存在各种障碍物，使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式，造成距离计算的多样性和复杂性。

• 电波在空气中直射传播，虽然没有障碍物，但由于辐射能量的扩散，会有一定程度衰减。
• 反射波传播时，会有能量被反射介质吸收，造成能量衰减。
• 绕射传播时，如果波长够长，电波可以绕过障碍物继续传播。
• 散射传播时，利用非均匀介质传播，距离相对较远，保密性也好。
• 穿透传播时，产生贯穿损耗，损耗大小与波的频率和被穿透物的材质、尺寸有关。

无线电波极限距离可以用公式表达为：

$距离D=4.12({\sqrt{h}}_t+{\sqrt{h}}_r)（h_t为发射天线高度，h_r为接收天线高度）$
假设LoRa系统的节点发射天线高度为$h_t=5m$，网关接收天线高度为 $h_r = 1.5m $， 在不考虑链路损失的情况下，该系统最远通信距离为 14.3 km 。

链路预算和弗里斯传输公式

弗里斯传输方程是讨论，在自由空间的一个射频发射和接收系统中，发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。

当发射天线与接收天线的方向系数$D$都为1时，设发射天线辐射功率$P_t$与接收天线的最佳接收功率$P_r$的比值为$L_0$， 得公式：

$L_0=\frac{P_0}{P_r}$
$L_0=10lg\frac{P_0}{P_r}$

D=1时，无方向性发射天线的功率密度：

以上是关于由认识到应用——物联网LoRa技术性能分析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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