总第12期
2018年2月刊
Test Theory    测论
Test Theory    测论
LoRa网络覆盖性能测试初探
文/吴剑平
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一、LoRa简介

LoRa(Long Range)是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术超远距离无线传输方案,是一种物理层(PHY )协议。LoRa主要在全球免费低频段运行,包括433MHZ、470MHZ等。实现远距离、广覆盖、低功耗(电池寿命长)、大量接用户接入低成本,进而扩展传感网络。LoRa网络主要由LoRa Node、LoRa网关、LoRa Server组成,应用数据可双向传输。如图1所示。

图1.Lora网络架构

随着物联网的快速发展对信通技术提出更高的要求,尤其是对于具有低宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的无线通信技术LPWAN(低功耗广域网),而LoRa目前已成为了物联网中最重要的LPWAN通信技术之一,广泛用于智能抄表、智能停车、车辆追踪、智能楼宇、智慧农业、智慧城市、智慧社区等物联网应用领域。

二、 LoRa网络覆盖性测试分析和测试方法

LoRa网络覆盖性能通用的测试方法是将LoRa网关固定在某一个固定的位置,然后移动LoRa Node到预先规划的测试点位,分别统计LoRa Server与LoRa Node来获取上行、下行的信号强度(RSSI)、信噪比(SNR)、丢包率、GPS坐标等数据,再针对这些数据进行整合分析得出信号强度覆盖图、信噪比覆盖图以及丢包情况覆盖图,从而得出LoRa网络整体的覆盖情况,为实施和部署LoRa网络时提供参考。针对物联网中LoRa应用的不同场景,下面将对常见的三组典型测试场景进行探讨。

1. 空旷通信环境覆盖测试

此类环境相互通信的双方中间没阻挡。主要针对城市效区、平原、河流、湖泊等,或者选取制高点实现大范围覆盖场景。调整好节点天线发射功率、天线增益,室外终端随车移动到各预先选定的测试点验证。在无遮挡或遮挡较少情况下,这种测试方法可以实测出LoRa网络最远有效的覆盖半径。下面以杭州市钱塘江边一带的空旷区域为例进行覆盖测试。

图2中红色五角星为网关架设位置,绿色区域(-95dBm~)表示该信号非常好,完全不会丢包,可以高速传输;蓝色表示(-105dBm~-95dBm)表示该区域经过少量阻挡后信号有衰减但是不影响正常通信,可以稳定收发包;紫色表示(-115dBm~-105dBm)表示该区域经过一定阻挡与距离后信号衰减较多但是信号也还可以,虽会出现10%以内少量丢包,但是不会影响正常通信;黄色区域(~-115dBm)则表示该区域的信号非常微弱了,会出现50%以上丢包,基本无法正常通信,本次测试基本是在地下隧道以及16公里以外的时候出现。

图2.号强度覆盖图

图3中红色五角星为网关架设位置,绿色区域(0dB~)表示SNR大于0,收发包完全正常,抗干扰性比较强,蓝色表示(-10dB~0dBm)表示信噪比在-10到0之间,网关与Node之间有一定的阻挡;紫色表示(-20dB~-10dB)表示信噪比在-20到-10之间,阻挡比较厉害,会出现少量丢包;黄色区域(~-20dB)则表示该区域的信噪比非常低,基本无法正常收发包,本次测试基本是在地下隧道以及16公里以外的时候出现。

图3.信噪比覆盖图

图4中红色五角星为网关架设位置,绿色区域表示没有任何丢包;紫色表示会出现少量丢包,但是在10%以内,可以正常通信;黄色区域则表示该区域基本无法正常收发包,本次测试基本是在地下隧道以及16公里以外的时候出现。

图4.丢包情况覆盖图

此项测试表明LoRa网关布置在郊区制高点的位置,采用全向天线,LoRa的覆盖能力很强,在遮挡较少的郊区能够覆盖半径在10到15公里。

2. 楼宇内跨楼层通信环境覆盖测试

此类环境多为同一幢楼宇内部,主要考虑跨楼层信号穿透通信能力。主要应用场景如小区水、电、燃气等的抄表和统计,写字楼等楼宇内部烟感报警等应用场景。其中LoRa网关节点固定在中间楼层位置,LoRa Node在各楼层预先规划好的点位进行测试。一般每个楼层都会选取多个点位进行测试,如:靠电梯附近、靠窗户附近、中间内部房间、走廊、电梯井、地下车库。下面以新华三杭州基地为例进行楼宇内跨楼层覆盖测试。

图5中红色五角星为网关架设地址,绿色区域(-95dBm~)表示该信号非常好,完全不会丢包,可以高速传输;蓝色表示(-105dBm~-95dBm)表示该区域经过少量阻挡后信号有衰减但是不影响正常通信,可以稳定收发包;紫色表示(-115dBm~-105dBm)表示该区域经过一定阻挡与距离后信号衰减较多但是信号也还可以,虽会出现10%以内少量丢包,但是不会影响正常通信;黄色区域(~-115dBm)则表示该区域的信号非常微弱了,会出现50%以上丢包,基本无法正常通信,一般是在遮挡严重的地下车库角落位置。

图5.信号强度覆盖图

图6中红色五角星为网关架设地址,绿色区域(0dB~)表示SNR大于0,收发包完全正常,抗干扰性比较强,蓝色表示(-10dB~0dBm)表示信噪比在-10到0之间,网关与Node节点之间有一定的阻挡;紫色表示(-20dB~-10dB)表示信噪比在-20到-10之间,阻挡比较厉害,会出现少量丢包;黄色区域(~-20dB)则表示该区域的信噪比非常低,基本无法正常收发包,一般是在遮挡严重的地下车库角落位置。

图6.信噪比覆盖图

图7中红色五角星为网关架设地址,绿色区域表示没有任何丢包;紫色表示会出现少量丢包,但是在10%以内,可以正常通信;黄色区域则表示该区域基本无法正常收发包,一般是在遮挡严重的地下车库角落位置。

图7.丢包情况覆盖图

此项测试表明LoRa的覆盖能力很强,一栋大楼上布置一个LoRa网关基本可以覆盖整栋大楼的所有场所。

3. 城市密集区域环境覆盖测试

选择非常成熟的市区环境,包括各种交通路口、小区、办公大楼、商场、城市综合体等,楼宇的层高在20层左右,建筑非常密集区域。主要应用场景城市智慧交通、路灯控制、井盖监控等场景。LoRa Node节点在城市内走动定位各种测试点,包括空旷、交通路口、阻挡、小区、商场、办公大楼等。根据建筑密度的不同支持2-20Km覆盖,为保证实际业务效果,建议每20km部署一个LoRa基站。具体测试方法可以参考1-2。

结束语

LoRa网络覆盖性能测试是LoRa产品测试中一项耗时耗力,又是一项挑战性很高的工作。通过这些测试结果不仅验证了我们产品是否满足了客户的需求,同时也将作为后期实际网络中合理规划节点的一个重要依据。

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