LoRaWAN网关在城市环境中的覆盖范围
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本文通过驾驶测试，说明了在不同通信距离处，LoRa节点不同增益条件对丢包率的影响，从而对RAK7249网关在城市环境中的LoRaWAN覆盖范围的影响。本次驾驶路线长约25km，本次测试是在城市道路空间、大型水体附近区域以及高大植被和建筑物附近区域的混合测试环境下进行的。此场景下传播特性变化很大，可覆盖不同场景（服务水平和非服务水平）的应用。
一、测试条件
1、 网关
LoRaWAN网关： RAK7249室外网关；
网关放置位置： 位于山顶建筑物的顶部；
海拔高度：比进行驾驶测试的道路高约500米；
网关所用天线：RAK 5.8dBi 玻璃钢LoRa天线。
网关详细参数见图1。
2、节点
如表1所示，共4个节点，包括2个EU868频段的节点，2个CN470频段的节点。
EU868频段的节点：一个带有3dBi的天线，另一个带0dBi的天线（天线增益非常低，几乎可以忽略不计）；CN470频段的节点：一个带有3dBi的天线，另一个带0dBi的天线（天线增益非常低，几乎可以忽略不计）。
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节点1 |
节点2 |
节点3 |
节点4 |
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频段 |
EU868(868.3 MHz) |
CN470(487.3 MHz) |
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增益 |
3dBi |
0dBi |
3dBi |
0dBi |
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Tx Power |
17/23 dBm |
17/23 dBm |
17/23 dBm |
17/23 dBm |
|
海拔高度 |
~ 20 – 50 m |
~ 20 – 50 m |
~ 20 – 50 m |
~ 20 – 50 m |
表1 LoRa节点具体参数
节点工作方式：所有节点都使用Class A，并每60秒左右发送15字节的消息。
节点采用LoRaWAN追踪器模块RAK5205，再加上室外防水外壳，形态如图2所示。
节点要么采用3dBi天线，要么采用0dBi的天线。
如图3所示，节点的固定方式为，节点安装在顶部且在处于静止状态的车辆中进行测试（车辆移动不会降低节点的性能）。
3、 实际测试地图
实际测试地点在北京市。LoRaWAN网关放置于蟒山国家森林公园，携带LoRa节点的车辆从昌平区的南邵镇行驶到回龙观镇，具体行驶路线如图4所示。
二、测试结果
1、 EU868频段（节点1和节点2）
测试时的主要参数如下：
Spreading Factor： 从SF7 到 SF12
测试距离： 7km, 10km, 14km, 和 20km
节点 Tx Power： 17dBm, 23dBm
对于节点1和节点2（EU868频段），测试结果如表2所示：
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节点1 |
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距离 |
速率(SF) |
Tx Power |
丢包率 |
RSSI AVG |
SNR AVG |
天线增益 |
|
7 km |
SF12 |
17 dBm |
0% |
-94.5 dBm |
8.5 |
3 dBm |
|
SF7 |
17 dBm |
0% |
-94.9 dBm |
9.3 |
3 dBm |
|
|
10 km |
SF12 |
17 dBm |
0% |
-96.6 dBm |
5.0 |
3 dBm |
|
SF7 |
17 dBm |
0% |
-99.0 dBm |
4.7 |
3 dBm |
|
|
14 km |
SF7 |
17 dBm |
0% |
-107.6 dBm |
-3.1 |
3 dBm |
|
20 km |
SF12 |
17 dBm |
0% |
-112.1 dBm |
-11.6 |
3 dBm |
|
节点 2 |
||||||
|
20 km |
SF12 |
17 dBm |
75% |
-113 dBm |
-16.5 |
1.5 dBm |
表2 TX功率17dBm时，节点1和节点2的测试结果
与预期的一样，随着距离的增加，RSSI下降，SNR 信噪比变为负值。最后，速率需要从SF7切换到SF12，以便在距离网关更远处的位置成功接收数据包。
使用3dBi的天线，我们在距离网关20公里处仍有0%的数据包丢失。而0dBi天线，丢包率则达到了75%，这是不可接受的。
可见，对于LoRa节点来说，增益大的通信距离会远一些。
但是，需要注意的是，实际应用中，有可能部署的设备密度较高，当部署的设备较为密集的时候，如果LoRa节点采用增益大的天线，则可能会互相干扰。
当然，在TX功率从17dBm增加到23dBm的情况下，如表3所示，我们得到了与表2类似的结果。但是，由于功率增加，信号效果更好一些。
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节点1 |
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|
距离 |
速率(SF) |
Tx Power |
丢包率 |
RSSI AVG |
SNR AVG |
天线增益 |
|
7 km |
SF12 |
23 dBm |
0% |
-92.3 dBm |
10.7 |
3 dBm |
|
SF7 |
23 dBm |
0% |
-92.7 dBm |
11.0 |
3 dBm |
|
|
10 km |
SF12 |
23 dBm |
0% |
-98.6 dBm |
7.0 |
3 dBm |
|
SF7 |
23 dBm |
0% |
-99.0 dBm |
6.9 |
3 dBm |
|
|
14 km |
SF7 |
23 dBm |
0% |
-108.5 dBm |
-4.2 |
3 dBm |
|
20 km |
SF12 |
23 dBm |
0% |
-113.3 dBm |
-9.9 |
3 dBm |
|
节点2 |
||||||
|
20 km |
SF12 |
23 dBm |
65% |
-113.0 dBm |
-15.6 |
1.5 dBm |
表3 TX功率23dBm时，节点1和节点2的测试结果
2、 CN470频段（节点3和节点4）
测试时的主要参数如下：
Spreading Factor： 从SF7 到 SF12
测试距离： 7km, 10km, 和 22km
节点 Tx Power： 17dBm, 23dBm
对于节点3和节点4（CN470频段），测试结果如下表所示：
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节点3 |
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|
距离 |
速率(SF) |
Tx Power |
丢包率 |
RSSI AVG |
SNR AVG |
天线增益 |
|
7 km |
SF12 |
17 dBm |
0% |
-85.1 dBm |
9.5 |
3 dBm |
|
SF7 |
17 dBm |
0% |
-90.9 dBm |
8.1 |
3 dBm |
|
|
10 km |
SF12 |
17 dBm |
0% |
-88.6 dBm |
9.2 |
3 dBm |
|
SF7 |
17 dBm |
0% |
-91.0 dBm |
8.7 |
3 dBm |
|
|
节点4 |
||||||
|
22 km |
SF7 |
17 dBm |
0% |
-119.8 dBm |
-4.8 |
1.5 dBm |
表 4 TX功率17dBm时，节点3和节点4的测试结果
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节点3 |
||||||
|
距离 |
速率(SF) |
Tx Power |
丢包率 |
RSSI AVG |
SNR AVG |
天线增益 |
|
7 km |
SF12 |
23 dBm |
0% |
-80.5 dBm |
19.6 |
3 dBm |
|
SF7 |
23 dBm |
0% |
-78.6 dBm |
20.5 |
3 dBm |
|
|
10 km |
SF12 |
23 dBm |
0% |
-88.6 dBm |
15.4 |
3 dBm |
|
SF7 |
23 dBm |
0% |
-91.5dBm |
14.1 |
3 dBm |
|
|
节点4 |
||||||
|
22 km |
SF7 |
23 dBm |
0% |
-119.2 dBm |
-5.0 |
1.5 dBm |
表 5 TX功率23dBm时，节点3和节点4的测试结果
CN470频段的测试结果与EU868频段的测试结果具有相同的趋势。唯一值得注意的例外是，在22km处，节点3和节点4在接收数据包时都没有问题（最坏的情况下，[email protected]时，节点4的丢包率为1%），此时速率为SF7 。
三、总结
当LoRa节点采用足够增益的天线时，LoRaWAN网关即使在城市中，也可以覆盖到>20km的范围。
部署的时候，需要注意的是，当LoRa节点为0增益时，则会导致丢包率在距离比较远的时候不可接受。
但由于如果部署的节点密度较高，可能会导致互相干扰，因此，应该在综合考虑节点密度的前提下，尽可能为LoRa节点配备增益高的天线，这样可以降低丢包率，提高LoRaWAN网关实际覆盖的范围。