LoRa鏈路預(yù)算怎么計算和驗證

NiceRF LoRa2021 在 Sub-GHz 頻段的發(fā)射功率典型值為 21 dBm；在 SF10、BW 125 kHz 條件下，接收靈敏度典型值為 -136 dBm，由此計算得出約 157 dB 的模塊射頻鏈路預(yù)算。加入兩端 SW868-ZD210 天線增益、ANT 端口之外的損耗和設(shè)計余量后，可算出最大允許路徑損耗；再用 860.5 MHz、1.8 km 的自由空間損耗檢查預(yù)算余量。我們在 876 m、1.4 km 和 1.8 km 三個距離點測試了 LoRa2021 的通訊情況，并記錄了各距離點的收包數(shù)量。建議在實際部署前，使用兩塊 LoRa2021 DEMO 板在目標(biāo)應(yīng)用場景中進(jìn)行實地測試，確認(rèn)目標(biāo)距離下的丟包率。

LoRa2021 多頻段無線通信模塊

LoRa2021 鏈路預(yù)算中的三個關(guān)鍵量

模塊射頻預(yù)算等于發(fā)射功率減去接收靈敏度：

B_radio = P_TX - S_RX

P_TX 是模塊實際配置下的發(fā)射功率，單位為 dBm；S_RX 是相同調(diào)制條件下的接收靈敏度，單位也是 dBm。以 LoRa2021 的這組參數(shù)為例，21 dBm - (-136 dBm) ≈ 157 dB。

將兩端天線增益和 ANT 端口之外的損耗加入預(yù)算后，可得到：

最大允許路徑損耗
L_path,max = P_TX + G_TX + G_RX - L_TX - L_RX - L_add - S_RX - M_req

預(yù)測接收功率
P_RX = P_TX + G_TX + G_RX - L_TX - L_RX - L_add - L_path

鏈路余量
M_link = P_RX - S_RX

G_TX 和 G_RX 是兩端天線增益；L_TX 和 L_RX 是兩端射頻連接損耗；L_add 記錄極化失配等另行估算的鏈路損耗；L_path 是目標(biāo)路徑的傳播損耗；M_req 是項目要求保留的設(shè)計余量。

使用自由空間模型或經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜁r，M_link 是計算余量。拿到目標(biāo)環(huán)境的路徑損耗和其他實測損耗后，再代入公式即可得到現(xiàn)場余量。M_link ≥ 0 dB 表示預(yù)測接收功率達(dá)到規(guī)格門限；如果項目要求保留 M_req，則應(yīng)滿足 M_link ≥ M_req。也可以直接檢查 L_path ≤ L_path,max，或 P_RX ≥ S_RX + M_req。

計算前先確定 LoRa2021 的工作參數(shù)

本文從 LoRa2021 的 ANT 端口開始計算。模塊規(guī)格中的發(fā)射功率和接收靈敏度已經(jīng)包含模塊內(nèi)部匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻通道的影響，因此不再重復(fù)計算內(nèi)部損耗。L_TX 和 L_RX 只計入 ANT 端口之外的饋線、連接器和外部匹配損耗；天線失配、外殼和安裝影響在未包含于天線增益數(shù)據(jù)時計入 L_add。

LoRa2021 的 Sub-GHz 發(fā)射功率典型值為 21 dBm、最大值為 22 dBm；Sub-GHz、SF10、BW 125 kHz 條件下的接收靈敏度典型值為 -136 dBm。本例采用這組 SF10、BW 125 kHz 參數(shù)。

LoRa2021 在 1.8 km 路徑上的預(yù)算示例

下面使用 LoRa2021 的發(fā)射功率和接收靈敏度、SW868-ZD210 天線增益，以及 860.5 MHz、1.8 km 的測試條件進(jìn)行計算?，F(xiàn)場收包數(shù)據(jù)用于查看不同距離下的通訊情況。

按表中參數(shù)，先計算模塊射頻預(yù)算、兩端天線增益和自由空間損耗：

B_radio = 21 - (-136) ≈ 157 dB

模塊射頻預(yù)算 + 兩端天線增益 = 157 + 3 + 3 ≈ 163 dB

L_FSPL = 32.4 + 20log10(f_MHz) + 20log10(d_km)

L_FSPL = 32.4 + 20log10(860.5) + 20log10(1.8)
≈ 96.2 dB

163 - 96.2 ≈ 67 dB

扣除 96.2 dB 的自由空間損耗后，還剩約 67 dB。這個數(shù)還沒有扣除兩端連接損耗、其他附加損耗和設(shè)計余量。發(fā)射功率為 21 dBm ± 1 dB，因此計算結(jié)果取約數(shù)；完成樣機(jī)測試后，再把實測損耗代入公式重新計算。

若 ANT 端口之外的發(fā)射端和接收端損耗各按 1 dB、兩端天線保持同極化、其他附加損耗按 0 dB、設(shè)計余量按 15 dB 計算，則：

L_path,max = 21 + 3 + 3 - 1 - 1 - 0 - (-136) - 15
≈ 146 dB

在上述示例條件下，扣除兩端各 1 dB 的連接損耗并預(yù)留 15 dB 后，允許的路徑損耗約為 146 dB。實際項目中，應(yīng)將兩端各 1 dB 換成饋線、連接器和外部匹配的實測損耗，再按可靠性要求設(shè)置設(shè)計余量。

LoRa2021 現(xiàn)場通訊距離和收包結(jié)果

在深圳前海灣附近的現(xiàn)場測試中，我們使用了 LoRa2021、LoRa2021 DEMO V1.0 和 SW868-ZD210 天線。Sub-GHz 測試頻率為 860.5 MHz，發(fā)射功率為 21 dBm ± 1 dB；LoRa 每組發(fā)送 100 個、每包 10 Bytes，距離點為 876 m、1.4 km 和 1.8 km。

LoRa2021 在深圳前海灣附近的現(xiàn)場測試布置

SF10、BW 125 kHz 配置在 1.8 km 測試點收到 100/100 個包。

現(xiàn)場測試距離點：876 m、1.4 km 和 1.8 km

原測試以 1.8 km 為場地可達(dá)的最遠(yuǎn)距離點，每組結(jié)果來自 100 個數(shù)據(jù)包，因此 1.8 km 是本次測試點，不作為 LoRa2021 的通信距離上限。項目復(fù)測時，可根據(jù)目標(biāo)距離增加測試點和每組發(fā)包數(shù)量。

用自由空間損耗估算理想路徑損耗

上面的 1.8 km 示例在 860.5 MHz 條件下得到 96.2 dB 自由空間損耗。距離每增加一倍，自由空間損耗約增加 6 dB，可用于比較不同頻率和距離下的傳播損耗。

自由空間模型計算的是無障礙條件下的理想路徑損耗。建筑物、植被、地形遮擋、地面反射、繞射、天線高度和外殼會改變現(xiàn)場路徑損耗。廠房、樓宇、林地或貼近地面的部署應(yīng)使用相應(yīng)傳播模型，或直接測量路徑損耗。如果現(xiàn)場存在同頻干擾，還可結(jié)合丟包率和頻譜測試判斷通訊情況。

1.8 km 路徑中點的第一菲涅爾區(qū)為 12.6 m

第一菲涅爾區(qū)半徑可按 ITU-R P.526 估算：

r_1 = 550 × sqrt[d_1 × d_2 / ((d_1 + d_2) × f)]

r_1 的單位為米，d_1、d_2 分別是障礙點到兩端的距離，單位為 km，f 的單位為 MHz。對 860.5 MHz、總長 1.8 km 的路徑，在中點取 d_1 = d_2 = 0.9 km，第一菲涅爾區(qū)半徑約為 12.6 m。

在路徑剖面圖上標(biāo)出 12.6 m 的第一菲涅爾區(qū)、兩端天線高度和主要障礙物。如果障礙物進(jìn)入該區(qū)域，應(yīng)使用繞射模型計算附加損耗，或直接進(jìn)行現(xiàn)場測試。

SW868-ZD210 的安裝條件

SW868-ZD210 的工作范圍為 850～880 MHz，標(biāo)稱增益 3.0 dBi，采用垂直極化。部署時兩端天線應(yīng)保持同一極化方向，并盡量遠(yuǎn)離金屬結(jié)構(gòu)。更換天線、外殼或安裝方向后，應(yīng)重新測試通訊情況，或?qū)⑿略鰮p耗計入 L_add。

現(xiàn)場測試使用的 SW868-ZD210 折疊棒狀天線

使用 LoRa2021 DEMO 板進(jìn)行現(xiàn)場測試

預(yù)算表中的每項數(shù)據(jù)都要標(biāo)明來源：規(guī)格書、計算結(jié)果或估算值。連接損耗和附加損耗如果暫時沒有實測數(shù)據(jù)，可先填估算值；樣機(jī)完成后，再用實測數(shù)據(jù)替換。

現(xiàn)場測試需要兩塊 LoRa2021 DEMO 板。開始測試前，先將兩端的調(diào)制方式、頻率、SF、BW 和編碼率設(shè)為一致，并分別記錄發(fā)射功率。到達(dá)每個測試點后，先記下兩塊 DEMO 板顯示的 Tx_cnt 和 Rx_cnt；測試結(jié)束時再記錄一次。結(jié)束值減去開始值，就是本輪發(fā)送數(shù)和接收數(shù)，可用于計算兩個方向的丟包率：

A→B 丟包率 = [A 本輪發(fā)送數(shù) - B 本輪接收數(shù)] ÷ A 本輪發(fā)送數(shù) × 100%
B→A 丟包率 = [B 本輪發(fā)送數(shù) - A 本輪接收數(shù)] ÷ B 本輪發(fā)送數(shù) × 100%

本輪發(fā)送數(shù) = 結(jié)束時 Tx_cnt - 開始時 Tx_cnt
本輪接收數(shù) = 結(jié)束時 Rx_cnt - 開始時 Rx_cnt

由于 Tx_cnt 和 Rx_cnt 會持續(xù)累加，這里用結(jié)束值減去開始值，只統(tǒng)計當(dāng)前測試點的發(fā)送數(shù)和接收數(shù)。

LoRa2021 DEMO V1.0 現(xiàn)場測試板

DEMO 板上的 Tx_cnt 和 Rx_cnt 用于統(tǒng)計發(fā)包數(shù)和收包數(shù)。如果還要記錄每個數(shù)據(jù)包的 RSSI 和 SNR，需要使用能夠讀取并保存這些數(shù)據(jù)的固件或主機(jī)接口。模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度則需要使用頻譜分析儀、信號源等射頻儀器測量。

開始測試前，先確定項目可以接受的最高丟包率、需要連續(xù)測試多久、要覆蓋哪些測試時段，以及是否允許重試。雙向通信需要分別統(tǒng)計 A→B 和 B→A，因為兩端的供電、天線、安裝高度和本地干擾條件可能不同。

選型或設(shè)計評審時，可同時整理預(yù)算參數(shù)、測試結(jié)果和部署要求：

• 實際發(fā)射功率，以及與 SF、BW 相對應(yīng)的接收靈敏度；
• ANT 端口之外的饋線、連接器和外部匹配損耗；
• 自由空間損耗、第一菲涅爾區(qū)和現(xiàn)場障礙物位置；
• 兩個方向的丟包率、每組發(fā)包數(shù)量、測試距離和天線高度；
• 部署地區(qū)對應(yīng)的頻段和發(fā)射功率要求。

如需我們協(xié)助選擇 LoRa2021 的頻段版本和配套天線，或制定現(xiàn)場測試方案，請?zhí)峁┠繕?biāo)頻段、通訊距離、安裝環(huán)境、數(shù)據(jù)量、供電方式和部署地區(qū)。

參考資料

1. NiceRF LoRa2021 產(chǎn)品頁
2. NiceRF LoRa2021 Dual-Band Wireless Communication Module Rev 1.3
3. NiceRF LoRa2021 通訊距離與收包測試
4. NiceRF SW868-ZD210 868 MHz Folding Rod Antenna
5. NiceRF LoRa2021 DEMO Board Operation Tutorial
6. ITU-R P.525-5 Calculation of free-space attenuation
7. ITU-R P.526-16 Propagation by diffraction
8. Semtech AN1200.22 LoRa Modulation Basics（SX1276 官方資源頁）