LoRa移动物联网基站无线覆盖的研究

陈金健

（苏州大学 计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006）

当今时代是信息技术高速发展的新时代，物联网传输技术逐渐在社会上崭露头角，并且得到日渐广泛的应用。就当前物联网传输技术的特点和优势来看，主要分为巨连接、小流量、低耗能和低成本，能够充分满足社会可持续发展的需求。最初物联网技术主要以业务的形式体现，但是随着社会科学技术的不断发展，逐渐涌现出LoRa、LTE-MTC、NB-loT、SigFox等物联网传输系统，使技术不断进步。

1 LoRa的组网机构

1.1 LoRa技术概述

LoRa技术的全称为Lang Rang，翻译为基于扩频技术的超远距离无线传输方案，是LPWAN技术中的重要内容。物联网传输技术主要对无线技术进行合理应用，以广域网、局域网的形式实现信息的传播。就广域网的技术形式来看，主要体现在2G网络、3G网络和4G网络等；就局域网的技术形式来看，主要为蓝牙、WiFi等。广域网和局域网的应用分别有各自的优势和缺陷，但是应用LoRa技术能够将二者的优势相结合，在低耗能的基础上实现最远距离的信息传播，并且增加通信的节点，降低通信的成本。

1.2 LoRa结构分析

LoRa主要由两部分结构组成，分别是网关基站和终端，二者之间主要通过无线技术实现传输。物联网信息会通过采集器和传感器实现传输，在网关基站中实现处理，再通过移动网络、光纤等传播形式回送到应用平台。就网关基站对物联网信息的回传而言，可以采用多样化的传输途径。为了搭建起高效的LoRa系统，需要对无线覆盖的范围进行合理规划，为此必须详细了解LoRa发射参数、LoRa接收参数、传播模型、链路预算、频段、天线增益等参数。

2 LoRa移动物联网基站无线覆盖的设计

2.1 无线覆盖的参数规划

在本次LoRa移动物联网基站无线覆盖的设计中，主要采用的频段严格依据LoRa系统的规范，将频段规定为470～520 MHz，上下行的频段传播方式采用的是异频传输，并且将传输的间隔和信道的间隔分别设计为10 MHz和125 kHz，根据不同频段的差异，将LoRa移动物联网基站的最大发射功率设计为+20 dBm，并且根据频段环境的不同进行相应的调整。LoRa移动物联网基站的整体设计采用的是低频段和大区制布网方式，因此，能够保证LoRa移动物联网基站的大容量和穿透力。由于LoRa移动物联网基站的设备轻便，因此，对环境的要求相对较低，能够实现多元化环境的安装。

2.2 LoRa发射参数

LoRa移动物联网基站处于400 MHz的低频段，不仅容量大，而且穿透力极强，因此，需要对各个基站之间的距离进行合理的设计，避免基站之间的信号产生干扰，因此，在LoRa移动物联网基站的设计中选择全向天线，其增益效果为3 dB，选择50 mW的天线口输出功率，且设计基站之间的室外高度为25～50 m。由于不同的生产厂家生产出的终端设备存在差异，因此，发射功率也会存在于LoRa系统规范不相符的情况，此时，需要对无线覆盖的距离进行相应的调整，避免发射信号的浪费。

2.3 LoRa接受参数

LoRa移动物联网基站的边缘速率存在差异，对参数接受的灵敏度也存在不同。根据生产厂商扩频因子接收灵敏度的参考值，可得到以下数据：扩频因子为SF7时，接受灵敏度大于等于－121 dBm，数据的边缘速率为5 470 bit/s；扩频因子为SF8时，接受灵敏度大于等于－124 dBm，数据的边缘速率为3 125 bit/s；扩频因子为SF9时，接受灵敏度大于等于－126 dBm，数据的边缘速率为1 760 bit/s；扩频因子为SF10时，接受灵敏度大于等于－129 dBm，数据的边缘速率为980 bit/s；扩频因子为SF11时，接受灵敏度大于等于－131 dBm，数据的边缘速率为440 bit/s；扩频因子为SF12时，接受灵敏度大于等于－134 dBm，数据的边缘速率为250 bit/s。

2.4 传播模型的设计

由于LoRa移动物联网基站的频率为400 MHz，因此，传播模型的设计可以通过频段为150～1 500 MHz的奥村模型进行检验。奥村模型的公式为L=69.55=26.16lgt（MHz）－13.82ghb（m）－a（hm）（dB）+（44.9－6.55lghb（m））lgd（km）+Ccell.

中小城市的模型为a（hm）（dB）=（1.1lgf（MHz）－0.7）hm－（1.56lgf（MHz）－0.8）hm.

农村、郊区和大城市的模型为a（hm）（dB）=8.29lg（1.54hm）2－1.1；a（hm）（dB）=3.2lg（11.75hm）2－4.97.

最终得出城区计算公式为L=120.78+35.7lgd（km）。

2.5 链路的预算设计

链路的预算设计主要分为两个部分，一部分为上行链路预算，另一部分为下行链路预算。链路预算的设计主要设计到的参数有基站最大发射功率、终端最大发射功率、馈线损耗、连接器损耗、天线增益、底嗓修正、基站灵敏度、阴影衰落余量、传播损耗等，最终得到基站天线的高度和终端典型接受高度分别为25 m和1.5 m。

3 无线覆盖的案例分析

3.1 基站站点的规模分析

通过上述设计参数进行区域试点，选取的区域试点面积为22.14 km2，LoRa移动物联网基站的边缘速率和无线覆盖率分别为5 bit/s、97%以上，则SF7，SF8，SF9，SF10，SF11和SF12的室外覆盖半径分别为1.38 km、1.82 km、2.14 km、2.45 km、2.91 km和3.12 km；室内覆盖的半径分别为0.42 km、0.52 km、0.58 km、0.67 km、0.74 km和0.96 km。

3.2 无线覆盖的效果分析

本次选择的LoRa移动物联网基站无线覆盖试点区域为终端比较密集的市区，因此，基站之间存在较大的干扰，会使无线信号发生衰减，为了进一步提升LoRa移动物联网基站无线覆盖的准确性，将5 bit/s的扩频因子边缘速率作为标准的覆盖目标，并且将无线的覆盖半径设计为450 m左右，再通过电子软件对无线覆盖的效果进行仿真检验。通过仿真检验发现，无线室外覆盖率达到98.6%，而本次规划设定LoRa移动物联网基站的无线覆盖率达到97%，因此，试点的仿真检验结果满足无线覆盖规划设计的要求。为了保证室内一层和地下一层的全部覆盖，需要保证LoRa移动物联网基站的频段为500 MHz，最终得到LoRa移动物联网基站无线空旷覆盖的距离为4.2 km，而覆盖的范围为500 m。

4 结论

综上所述，针对LoRa移动物联网基站无线覆盖的研究是非常必要的。本文主要分析LoRa技术及其组网结构，然后就无线覆盖的参数进行规划。研究可得，通过对LoRa移动物联网基站无线覆盖的规划，可以得到LoRa发射信号的指标、LoRa接受信号的指标、传播模型和链路预算参数，从而得出LoRa移动物联网基站无线覆盖的范围为500 m。希望本文能够为研究LoRa移动物联网基站无线覆盖的相关人员提供参考。