哪些因素会影响物联网中 LoRaWAN 范围

2023年12月19日
物联网案例研究

介绍

LoRaWAN（长距离广域网）技术彻底改变了物联网（IoT）格局，提供了一种无需大量功耗即可连接远距离设备的方法。这项突破性创新推动了智能城市、农业、供应链管理和环境监测等各个领域的进步。

了解各种因素如何影响 LoRaWAN 的范围对于网络规划、扩展和性能优化至关重要，因此它成为一个具有重大技术和商业兴趣的话题。

最大化 LoRaWAN 网络覆盖范围的能力使得在广阔的地理区域部署无线传感器网络成为可能，而这一壮举曾经在财务和物流方面都难以实现。然而，实现这种扩大覆盖范围并非没有挑战。LoRaWAN 网络的覆盖范围受到多种影响，包括技术规格、环境条件、监管边界以及射频传播的固有特性。

本文旨在深入探讨影响 LoRaWAN 网络范围的众多因素。它将探索协议的技术基础、不同环境参数的相互作用、网络拓扑的重要性以及遵守监管框架所施加的限制。通过这种彻底的考察，我们将让读者全面了解 LoRaWAN 范围的决定因素，并通过实际案例研究和应用加以强化。

了解 LoRaWAN

在深入研究影响 LoRaWAN 网络范围的各种因素之前，必须先了解这项技术的基本特征及其运行原理。LoRaWAN 是两个关键组件的交汇点：LoRa（物理层或将数据编码为无线电波的调制技术）和 LoRaWAN（定义系统架构和通信协议的网络协议）。

LoRa：物理层
LoRa 源自“长距离”，是一种采用线性调频扩频 (CSS) 技术的扩频调制技术。这种方法以在远距离保持通信而闻名，在开阔的农村地区，通信范围可以达到几公里。LoRa 调制的核心优势之一是其对信号干扰的弹性和低功耗要求，使电池供电的设备无需充电即可运行数年。
LoRaWAN：网络协议
LoRaWAN 在利用 LoRa 物理层的同时定义了网络的通信协议和系统架构。它是一种媒体访问控制 (MAC) 层协议，可维护网络完整性和安全性。LoRaWAN 支持双向通信，这对于需要发送数据（例如传感器读数）和接收命令（例如执行器控制消息）的物联网设备来说是一项至关重要的功能。

LoRaWAN 的工作原理

LoRaWAN 允许设备通过长距离无线连接与互联网连接的应用程序进行通信。网络架构通常采用星型拓扑结构，其中终端设备使用单跳无线通信与一个或多个 LoRaWAN 网关通信，所有网关均连接到中央网络服务器。
该技术在未经授权的 ISM（工业、科学和医疗）频段运行，该频段因地区而异（例如，欧洲为 868 MHz，北美为 915 MHz）。LoRaWAN 网络每天可以处理数百万条消息，使其可扩展且适用于各种应用。

无线电技术中描述网络的标准

在无线电技术中，基本上有三个特征可以用来描述网络：

范围
数据传输速度
能源消耗

很难对这三个标准给予同等重视，因为物理定律对此有明确的限制。例如，LoRaWAN 可以用相对较少的能量长距离传输数据，但数据速率非常低。

Wi-Fi 和蓝牙可以实现高数据速率，但功耗相对较高且范围较小。所有智能手机用户都非常熟悉这种对能源的渴求。大型电信运营商的基站提供高数据速率和相对较长的距离，但必须提供大量能源才能做到这一点。因此，电源是此类安装中的一个重要因素。

动力传输平衡

功率传输平衡表示无线电传输信道的质量。它可以通过将发射功率、接收器灵敏度、天线增益和自由空间路径损耗（FSPL）相加来计算。

LoRaWAN 计算电力传输平衡。

路径损耗表示发射器和接收器之间在自由空间中损失的能量。TX 距离 Rx 越远，能量越低。

路径损耗通常表示为

哪里意味着:

联邦证券 = 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（单位：赫兹）

还有一个广泛使用的自由空间衰减对数公式：

距离（d）加倍意味着损失 6dB。

在接收端（Rx），接收端的灵敏度是影响功率传输平衡的因素。Rx灵敏度描述的是可能的最小接收功率和热噪声容差：

其中的意思是：

BW = 带宽（Hz）；

NF = 噪声系数（dB）

SNR = 信噪比。

它告诉我们信号与噪声之间的距离有多远。

LoRa 设备的 Rx 更灵敏，因此比 WLAN 更好。不考虑天线增益和其他类型的自由空间衰减的路径损耗极端情况：

计算LoRaWAN电力传输平衡的示例：
TX功率=14dBm；
带宽 = 125KHz = 10log10 (125000) = 51；
噪声系数 = 6dB （LoRaWAN 网络中网关的 NF 值较低）；
SNR = -20（对于 SF = 12）。
将这些数字代入公式 ③ 可得出 Rx 灵敏度为 -137 分贝毫瓦
Rx 灵敏度 = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
然后可以使用公式按如下方式计算电力传输平衡：
功率传输平衡 = -137dB – 14dB = -151dB

在指定值下，LoRaWAN 范围功率传输平衡为 151 dB，因此在最佳条件下（纯自由空间衰减），它可以克服长达 800 公里的距离。LoRaWAN 范围的世界纪录是 702 公里。

在兰斯泰克记录是20公里：

网关安装在30米高的建筑物顶部
追踪器在海上的船上
TX 功率 = 20dBm

影响 LoRaWAN 范围的技术因素

LoRaWAN 网络的范围并非由单一元素决定，而是各种技术组件的累积结果。这些组件包括传输功率、接收器灵敏度和天线特性等方面，它们共同构成了 LoRaWAN 网络远距离传输数据的基本能力。

TX 功率对于确定无线电波的传播距离至关重要。功率越高，范围越广；但是，这会带来更大的能耗，影响设备电池寿命。此外，监管限制通常会限制最大允许 TX 功率，以防止干扰其他无线技术。

监管限制：不同国家和地区对传输功率有不同的规定。例如，在欧洲，根据 ETSI 规定，LoRaWAN 设备的最大传输功率通常限制为 868 MHz ISM 频段的 14 dBm。
功率放大：一些 LoRaWAN 设备可能包含功率放大器以增加其传输功率，但这些受到法律限制和电池寿命的权衡。

更灵敏的接收器可以增加 LoRaWAN 范围，因为它可以拾取较弱的信号，否则这些信号会由于路径损耗和环境因素而丢失。

接收器的质量和设计：噪声系数更好的高质量接收器可提高系统灵敏度。这对于必须在相当远的距离或具有挑战性的条件下检测信号的情况至关重要。
对网络设计的影响：实现高灵敏度的接收器可以减少 LoRaWAN 部署中所需的网关数量，因为每个网关都可以检测和处理来自更远距离设备的信号。

天线类型和位置

天线是 LoRaWAN 硬件配置的关键元素。其设计、放置和周围环境会显著影响网络范围。

天线增益：天线的增益反映了其方向性和效率。增益较高的天线会更有效地将能量集中在特定方向上，从而可能增加覆盖范围。但是，增益较高的天线的波束宽度也可能较窄，这在某些部署场景中可能是一个缺点。
天线类型：全向天线在所有水平方向上均匀辐射功率，而定向天线则将功率集中在特定方向上。这些类型的选择取决于特定应用和需要覆盖的区域。
安置与环境：天线的位置与设计同样重要。天线应安装在没有障碍物的地方，并与覆盖区域保持良好的视线。建筑物、树叶和地形都会影响信号传播，从而影响范围。

自由空间衰减系数

随着距离加倍，LoRa自由空间衰减增加6dB，因此无线电传播衰减遵循对数函数（见下面的公式）。

联邦证券= 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（单位：赫兹）
[FSPL（dB）= 20log10（d）+ 20log10（f）-147.55]。

除了LoRaWAN范围造成的能量损失之外，无线电波在物体上的反射和折射也会导致无线电波重叠。

影响 LoRaWAN 范围的环境因素

LoRaWAN 网络的运行环境对其有效范围起着重要作用。地形、人造结构和天气等因素都会影响信号传播，带来挑战，必须克服这些挑战才能保持良好的网络性能。

地形——菲涅尔区因子。
景观的地理环境可以显著地决定无线电波的传播。LoRaWAN 信号在开阔平坦的地区可以传播得更远，而在丘陵或山区，视线可能经常受到阻碍。
菲涅尔区是无线通信中的一个概念，是指两个通信设备之间的直接视线之外的一个椭圆形区域。该区域在无线通信中非常重要，因为该区域内的障碍物会引起信号散射和多径效应，从而影响通信质量。因此，在无线通信系统的规划和安装中，需要考虑菲涅尔区对信号传输的影响，并确保通信路径上有足够的净空空间。
如果想要有效覆盖长距离并获得良好的功率传输平衡，那么在发射器和接收器之间建立尽可能笔直的视线至关重要。无线电传输视线之间的某些空间区域是菲涅尔区域。如果这些区域中有物体，波的传播将受到负面影响，尽管发射天线和接收天线之间通常有视觉接触。对于菲涅尔带中的每个物体，信号电平都会下降，LoRaWAN 范围会缩小（参见 图3 LoraWAN范围内的菲涅尔区系数）所以通常最好在建筑物顶部安装 LoRaWAN。越高越好。

全向天线是 LoRaWAN 范围网络中常用的技术。因此，辐射能量会扩散到水平面，网络节点和网关就位于那里。在欧洲，ISM 频段传输功率限制为 868MHz 时的 14 dBm。2.15dBi 是最大天线增益。

人造结构——结构阻尼系数和城市环境

在城市环境中，建筑物既会阻碍又会反射无线电信号，导致衰减（信号丢失）和多径传播，即信号通过多条路径到达接收器，从而可能造成干扰并降低接收信号的质量。

结构衰减系数结构衰减，即无线电信号在穿过不同障碍物时发生的衰减，会影响发射信号的接收并确保信号范围大大减少。例如，玻璃衰减仅为 2dB。这比 30 厘米厚的混凝土墙的影响要小得多。下表显示了各种材料及其典型的衰减

材料衰减	分贝
玻璃（6毫米）玻璃（13毫米）木材(76毫米) 砖（89毫米）砖(178mm) 砖(267毫米) 砖（102mm）石墙（203mm）砖混结构(192mm) 石墙（406mm）混凝土(203) 钢筋混凝土(89mm) 石墙(610mm) 混凝土(305mm)	0.8 2 2.8 3.5 5 7 12 12 14 17 23 27 28 35

天气和大气状况

雨、雾和潮湿等天气条件会吸收或散射无线电波，导致额外的信号损失。尽管与高频技术相比，LoRa 对这些影响的适应能力更强，但重大天气事件仍会削弱信号强度，从而削弱网络范围。
这些环境因素强调了进行全面现场勘察和网络规划的必要性，以确保在不同部署场景中实现可靠的连接。在安装 LoRaWAN 基础设施时，考虑潜在的范围影响并调整网络设计以减轻环境影响非常重要。

网络配置和影响 LoRaWAN 范围的因素

网络设计和配置选择直接影响 LoRaWAN 网络的运行范围。这些选择取决于扩频因子、带宽设置、编码速率以及网络如何应对信号干扰。

扩频因子 (SF)
LoRaWAN 中的扩频因子会调制传输的每个数据位的啁啾数量。它是在数据速率和范围之间进行权衡的关键参数。扩频因子越高，数据速率越低，但范围越广，因为可以在更远的距离内检测到信号，并且信噪比更低。

- 在LoRaWAN网络中，数据传输速率的具体设置使用扩频因子（SF）。LoRaWAN网络使用SF7至SF12。由于其啁啾扩频调制和啁啾中使用的不同相移频率，LoRaWAN网络对干扰，多径传播和衰落不敏感。在LoRaWAN范围网络中，TX侧使用啁啾对数据进行编码，而Rx侧使用反向啁啾对信号进行解码。每秒使用多少个啁啾，比特率的定义以及每个符号辐射的能量大小以及可以实现的LoRaWAN范围已在上面表示。例如，SF9的比特率是SF7的1/4，这是LoRaWAN的可扩展性可以实现的。比特率越慢，能量越高，空中时间越长，每个数据集的范围就越大。

扩频因子	筹码/符号	信噪比限制	播出时间（10字节数据包）	比特率
7 8 9 10 11 12	128 256 512 1024 2048 4096	-7.5 -10 -12.5 -15 -17.5 -20	56毫秒 103毫秒 205毫秒 371毫秒 741毫秒 1483毫秒	5469个基点 3125个基点 1758个基点 977个基点 537个基点 293个基点

- 通过使用更高的 SF，LoRa 信号对干扰的抵抗力更强，并且可以在更远的距离接收，尽管这会延长空中时间并降低网络容量。
带宽与编码率
LoRaWAN 允许调整带宽和编码率，这会影响 LoRa 信号对抗噪声和干扰的鲁棒性。

- 带宽（BW）：带宽越宽，数据速率就越高，传输时间就越短，但信号也就越容易受到噪声的影响。相反，带宽越小，数据速率就越低，但信号就越有弹性。
- 编码率 (CR)：编码率定义数据位与传输的总位数之比，考虑到纠错码。更高的编码率意味着传输更多的冗余数据，以牺牲数据速率效率为代价，提高了对位错误的恢复能力。
信道干扰
LoRaWAN 在未经许可的 ISM 频段运行，其他各种设备和技术也在此频段传输数据。这些干扰源的存在会影响信号的清晰度并减少有效范围。

- 同频干扰：当多个设备在同一频道上传输时，可能会发生同频干扰。LoRa 使用 CSS 调制有助于缓解此问题，但在密集网络中，这仍然是一个因素。
- 占空比限制：某些地区对 ISM 频段的传输施加了占空比限制。这指的是传输时间与总时间的比率，旨在减少干扰的可能性。此限制会影响设备可以发送的消息数量，从而影响网络设计。

监管和合规因素

由于无线电频谱监管机构的限制和要求，在确定 LoRaWAN 网络范围时，监管因素也至关重要。

频率规定：不同地区为 ISM 频段指定了特定的频率范围。监管机构（例如美国的 FCC 和欧洲的 ETSI）负责管理频率、功率和占空比，以平衡共享频谱的各种服务的需求。
合规性：遵守法规不仅对于合法运营至关重要，而且对于确保设备针对其使用的频率进行优化也至关重要。遵守这些法规可确保互操作性和网络可靠性，同时避免受到处罚或运营中断。

先进的技术因素

新兴的技术进步为增强 LoRaWAN 网络的范围和效率提供了新的解决方案。

自适应数据速率 (ADR)：ADR 优化各个节点的 SF 和 TX 功率设置，提高电源效率和整体网络性能。
网络拓扑：部署更多网关可以提高覆盖范围和容量。考虑到地形和潜在障碍物，战略性地放置这些网关对于网络优化至关重要。通过这些不同的网络配置和监管考虑，可以对 LoRaWAN 网络进行微调，以最大限度地扩大其覆盖范围，同时遵守法律要求并优化网络流量。