20、LoRa技术的链路级和小区级性能分析

LoRa技术的链路级和小区级性能分析

1. 引言

近年来，无线技术和移动流量显著增长，移动流量已成为互联网总流量的主要部分，且随着物联网（IoT）应用的出现，这一趋势还将持续。这种增长表现为基站的高密度部署（涵盖4G基站和Wi-Fi接入点等异构技术），以及高密度的无线设备，不仅限于传统用户终端。随着物联网应用的兴起，许多智能物体，如家用电器、摄像头和监测传感器等，都配备了无线技术。

新兴的LoRa技术是适用于高密度场景的无线技术的典型代表。LoRa专为低功耗广域网（WAN）设计，其特点是单个设备的数据速率要求低、小区范围大且应用领域多样，这可能导致同一小区内存在大量设备。因此，LoRa提供了多种正交化传输的方式，包括载波频率、扩频因子（SF）、带宽（BW）和编码率（CR），以实现无冲突的同时通信。然而，尽管Semtech专利的LoRa物理层（PHY）具有鲁棒性，但在可安装多个网关的广域网场景中，该技术的可扩展性仍在研究中。目前的研究大多假设使用多个传输信道和扩频因子可使系统视为独立子系统的简单叠加，但实际上LoRa的扩频因子是伪正交的，在近远条件下，不同扩频因子的传输重叠可能导致无法正确接收。

本文主要有两个贡献：一是对LoRa调制进行链路级表征；二是利用链路级特性，对多链路LoRa系统进行完整的小区级模型研究。在链路级方面，研究表明不同扩频因子的数据包碰撞会导致数据包丢失。通过修改软件收发器，量化了不同扩频因子组合下捕获效应和数据包丢失的功率差异，发现同频干扰抑制阈值比理论值低约10 dB，低至28 dB。在小区级分析中，开发了简单而准确的LoRa性能模型，推导了单网关或多网关LoRa小区的聚合容量和数据提取率，模型考虑了竞争站之间的异构传输时间和异构碰撞概率，并通过LoRaS