LoRa技术功耗问题及多普勒频率偏移

一、功耗问题

       LoRa技术的低功耗优势帮助各种低功耗设备使用寿命增加,尤其水表类应用要求8~12年的电池寿命。对应用来说,需要计算电池的寿命并优化系统功耗。下面的部分就介绍LoRa应用中常见的功耗计算。
       LoRa的功耗计算主要是统计终端设备中所有的耗电器件,在不同模式下的功耗,以及其在不同模式下的工作频率。比如一个LoRa设备中的耗电设备为LoRa芯片、MCU和传感器;常见的三个工作模式为发射TX、接收RX、休眠Sleep。
       再通过LoRa计算工具,计算每个包的飞行时间长度,以及通过该系统的协议部分计算设备的接收时间和睡眠时间。这样可以计算出平均功耗。再利用已知的电池电量除以平均功耗得到LoRa设备的寿命。
      下面根据一个案例来计算一下LoRa设备的寿命。
     【例8-15】一个应用系统中选择的LoRa芯片为SX1268,MCU选择STM32L151配置在8MHz时钟。系统的应用为异步下行唤醒低功耗设备,工作在SF=9、BW=125kHz的配置下。每秒钟该设备会醒来进行CAD监听是否有唤醒长前导包,CAD长度为两个码元。该设备平均每小时被唤醒一次,唤醒后按照22dBm的输出功率发送一个30.25码元长度的数据包。若电池电量为1000mA·h时,则系统的工作寿命为多少天?
       解:通过LoRa计算工具和查询产品说明书,得到:
       码元长度4.1ms。所以各状态时间占空比为:
TRX=4.1ms×2ms/1s=8.2ms
TTX=4.1ms×30.25/3600=0.034ms
       所以TSleep=1000ms-TRX-TTX=991.77ms。
将所有数据填入表8-7中。根据上述数据,则平均电流为
        使用寿命为:
        电池容量1000mA·h/0.058mA=17180h=716d
        在实际应用中由于电池存在不稳定性,一般采用计算寿命的一半,即为358d。
 
       无论什么样的LoRa应用,都可以采用上述的方式用表格来计算使用寿命和不同状态下的耗电情况,从而进行系统的优化。计算时最好将从产品说明书中和LoRa计算工具中获得的数据填入表格8-7中,并根据例8-16中的计算方法编辑表格公式,这样可以快速重复计算多种参数的电量和应用情况。
表8-7     LoRa设备功耗计算表
注:可计算出平均电流为0.058

二 、多普勒频率偏移

       LoRa采用扩频技术,具有非常好的抗多普勒效应能力,特别是针对于超高速的场景中,优势非常明显。
       “多普勒效应”由奥地利物理学家多普勒首先发现并加以研究而得名。其内容为:由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率之间发生变化。
 
       如图8-42所示,在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移,blueshift)。在运动的波源后面,产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移,redshift)。波源的速度越高,所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。所有波动现象(包括光波)都存在多普勒效应。
 
图8-42多普勒效应示意图

1、频率偏差问题

       不同的通信方式和芯片设计,对抗多普勒容忍程度是不同的,比如GSM制式标准允许的中心频率偏差为±300Hz;WCDMA制式标准允许的中心频率偏差为±800Hz,而LoRa允许的频率偏差为带宽的25%,如LoRaWAN网络的带宽为125kHz,其可以容忍的最大频率偏差为31.25kHz,是GSM的100多倍,是WCDMA的40倍。
       如图8-43所示,多普勒频率公式为
      式中:fd为多普勒频移(Hz);v为物体运动速度(m/s);λ为电磁波波长(m);α为入射电磁波角度(rad)。
 多普勒频移公式示意图
图8-43    多普勒频移公式示意图
       LoRa可以承受的最大移动速度是多少呢?可以这样计算,LoRa在中国的中心频率为490MHz,如需要偏移31.25kHz,根据式(8-29)计算,则需要的移动速度为 。只有当一个设备以20000m/s的速度正面向网关移动时,才会丢包。显然,这个速度在地球表面是不可能存在的,所以LoRa在对抗多普勒现象上有巨大的优势。第三宇宙速度为16.7km/s,即使一个LoRa设备超过第三宇宙速度,其传输的数据依然可以被正常解调。
       即使是LoRa与近地卫星的通信,不会因为多普勒频率效应引起丢包。因为卫星是绕着地球飞行,在LoRa设备上空飞行时,其入射电波角度接近90°。即使正面0°入射,其飞行速度约为7.9km/s还是小于LoRa极限的19km/s,不会存在丢包现象。

2、频率偏移问题

       在对抗多普勒现象时还有一个关键的参数需要讨论,我们称之为频率偏移(Frequencydrift),是指在一个信号包时间内由于多普勒或自身器件的热效应引起的频率偏移。尤其是在飞行时间较长的信号中,面对一个加速变化的物体时发生的现象。例如一个遥控飞机,其飞行加速度可以达到20m/s2,那么1s时间内,其速率变化为20m/s,在490MHzLoRa频段1s时间内频率变化为
       当一个飞行时长为1s的LoRa信号包被高速遥控飞机接收时,其包头和包尾的频率差为32.7Hz。针对这个问题,LoRa芯片内部具有低速率模式可以提高一个数据包内的频率偏移的容忍度,打开低速率后,容忍度提高了16倍。
表达式为
当BW=125kHz、SF=12时,上式表达为
       一个LoRa数据包内最大可以容忍163Hz的频率偏差,对于移动速度变化大的情况下依然可以保证稳定的LoRa通信。

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