共存LoRaWAN和超高频射频识别

LoRaWAN®是一个低功率广域网(LPWAN)的协议,它提供了一个引人注目的远程、大链接保证金和低功耗[1]。近年来,我们看到了一个爆炸性的扩张在部署LoRaWAN网络地址的需要今天的物联网(物联网)应用程序。

LoRaWAN协议栈的一个插图所示图1。物理层sub-GHz ISM波段可以实现,例如,在北美902 - 928 mhz。

ISM波段是未经授权的,任何人都可以在他们,只要他们遵守监管要求对传输功率,功率密度和频率-跳跃。在一些地区,停顿时间和责任周期也规范。这些要求的目的是尽量减少干扰的各种无线系统操作在同一频带[2]。但尽管有这些规定,不同系统之间的干扰仍能发生,特别是当一个listen-before-talk (LBT)机制不是必需的。

图1:LoRaWAN协议栈

之一,吸引了注意力的潜在干扰信号的射频识别系统,特别是超高频射频识别系统运行在相同的902 MHz - 928 MHz频段在北美,EPC代[3]。这些密集的RFID系统经常部署在大型零售商店、机场、博物馆等大型设施需要库存的功能。然而,有潜力巨大的并发部署LoRaWAN-based物联网解决方案在相同的位置。

Semtech和其他LoRaWAN生态系统公司执行一个联合调查LoRaWAN性能的多个和密集部署超高频射频识别系统的共存。调查评估的研究部分LoRaWAN网络上的RFID系统的影响,并试图确定一个优化的解决方案来减轻干扰。从这次调查的研究部分的解决方案是由几个现场试验验证测试。验证的解决方案还提供了一个参考当LoRaWAN网络与其他大功率系统生成频率选择干扰共存。

本研究涉及多个阶段的调查、理论计算、控制实验室测量,通道计划优化,并在店零售商店进行实地测量。

本文关注的是配置,方法,结果,结论从通道优化和现场测量方面的研究。

背景

罗拉®的设备和LoRaWAN协议

通常部署在star-of-stars LoRaWAN网络拓扑中,网关和终端设备之间传递消息和一个中央网络服务器[4]。网关是通过标准的IP连接连接到网络服务器。他们充当透明的桥梁,简单地将射频数据包转换为IP数据包,反之亦然。的无线通信利用远程罗拉物理层的特点,使终端设备之间的单跳链路和一个或多个网关。LoRa-based终端设备能够双向通信。也有支持多播处理组,这样可以有效的利用频谱的特定任务。

图2:LoRaWAN网络架构

如引言所述,LoRaWAN物理层依赖于罗拉/移频键控终端设备和网关之间的联系,它使用sub-GHz ISM波段[5]。尽管健壮的同信道和相邻信道干扰,一些处罚仍然可以测量强陷共存时,共享同一频谱和空间。

的LoRaWAN北美地区参数有一个固定的上行和下行信道计划。总共有64 125 khz上行通道,蔓延902.3 mhz至914.9 mhz乐队,200 khz信道间隔。下行,8 500 khz指定渠道,占领923.3 mhz至927.5 mhz范围,信道间隔600千赫。

EPC Gen2 RFID系统

超高频射频识别系统部署在这项研究在室内库存相关的应用程序。在这项研究中,我们主要考虑被动RFID系统。审讯者(“读者”)与一个或多个标签通过调制载波使用反相振幅键控(PR-ASK),本身使用脉冲间隔编码(派)的参考时间间隔25 ms。这个实现定义的EPC Gen2空气接口规范对于高密度多审问者的环境。

询问机可以和使用PR-ASK调制与标签通信。询问机开关连续波(CW)模式下行信息后交付。承运人所使用的语气然后标记Tag-to-Interrogator通信期间(即。”,“后向散射通信)。

实现理想的范围,有效辐射功率(ERP)的询问信号可以相当高。RFID系统在这个研究发表4瓦(36 dBm)的输出功率的帮助下6 dBi天线。此外,它使用的信道间隔500 khz,伪随机跳跃在至少50通道,一个通道停留时间接近400 ms,允许的最大停留时间。

主标签显然从审讯者集中在250 khz频率连续波,如图3所示。这些显然是一个函数的ERP的入射能量。通常这些都是远低于询问信号功率。

图3:被动RFID通道实现

在美国,被动RFID审讯人员被认为是跳频设备,降低病死率的指导方针下47岁的15.247部分[6]。每一个RFID审问者随机跳50通道之一。默认500 khz的信道间隔,RFID审讯人员用频谱从902.75 mhz 927.25 mhz,覆盖24.5 mhz的频率范围。这使得750 khz band-edges保护带。

共处LoRaWAN和RFID

LoRaWAN射频识别的影响

共存RFID审问者发射4 W ERP和共享同一频谱和空间会影响接下来的场景下罗拉数据包的接收。

同信道干扰

如张挂4所示,这个signal-to-interference-and-noise比(SINR)可以退化RFID询问航空股相同的频道频率罗拉信号。典型LoRa-based芯片实现需要5到-19.5 dB信号干扰比(先生)[7]。当这种情况发生时,过滤不能用于增加干扰的抑制。

图4:RFID与罗拉运营商询问同信道。

邻道干扰

图5:RFID审讯者在罗拉相邻通道。

如图6所示,可以有干扰时罗拉运营商位于审问者之间的信号。这种情况可以从RFID审问者由于电力泄漏到罗拉频道。此外,强烈的信号也会影响LoRa-based接收机自动增益控制机制。类型参考区间(塔里)在图6是25我们密集的审讯者的环境。

图6:RFID审讯员通道面具

非线性损伤(IM3 IM5)

第三,基于互调产品,由于非线性的前端,也可能造成一个问题。中所描绘的一样图7,潜在的影响是相当大的,因为大量的共存干扰来源和ERP的干扰信号。

图7:同信道损伤的罗拉审问者IM3 / IM5

LoRaWAN在射频识别的影响

由于相对较低的发射功率LoRa-based终端设备、网关和RFID审讯人员密度高,LoRaWAN传输射频识别系统的影响是可以忽略不计。

功能更好的共存

LoRaWAN特性

LoRaWAN包括功能设计为自适应和与系统生成频率选择共存干扰,如UHF-RFID系统。

1. 罗拉调制提供了强大的同信道和邻道抑制:如上所述SX1262数据表,同频道拒绝5-19 dB单载波干扰,根据扩散因子(SF)、邻道抑制是60 - 72分贝。
2. 如LoRaWAN MAC协议所述,自适应数据速率的自适应通道计划(ADR)命令是强制性的。这个特性允许的网络服务器禁用渠道有很强的干扰称为提高整体包传输质量的一种手段。bet188软件下载

超高频射频识别功能

1. 超高频RFID审讯人员都是网络控制,并提供一个可配置的通道计划。一些高端产品支持改变RFID通道计划在操作过程中不丢失数据。
2. 结束节点(RFID标签)是一个被动的设备和不存储通道计划。这意味着标签可以适应任何频道计划审问者使用。

阻塞LoRaWAN-based系统的性能

试验台的信息

本节介绍了实验室的描述LoRa-based接收机性能试验台模拟射频识别审讯者的存在干扰,同信道和邻道的场景。

设备和工具:

• 矢量信号发生器——SMBV100a
• 射频外壳
• 测试设备(DUT)——LoRa-based PicoCell网关
• 测试设备(DUT)——SX1272核盾牌和L152RE mb。
• 可编程衰减器- rcdat - 6000 - 90
• 射频电缆
• 网关主机-覆盆子π

波形:

• 波形RFID审讯人员捕获在一个真正的零售商店的特别提款权包被用于询问信号的一代。

图8说明了试验台实现:

图8:试验台设置实验室测量

网关的性能

上行测试的目的是量化的排斥和健壮性PicoCell网关作为受害者的接收器。

SMBV100a模拟一个RFID审问者发射机通过播放一个捕获并进行后期处理询问机波形。捕获数据的波形提取的零售商店,使用一个eight-tap巴特沃斯滤波器与50千赫带宽和载波频率为912.25 mhz。

罗拉上行包有以下参数:

• 带宽:125千赫。
• 载波频率:914.5 mhz
• 传播因素:SF7 SF10
• 码率:4/5
• 在物理层包长度:16字节负载。

基线性能是通过测量包错误率10%(每)测试设备,没有一个RFID审讯者。接下来,所需的信号电平被设定为6 dB, 26 dB, 46 dB以上这个名义灵敏度阈值。询问航空公司随后注入PicoCell网关在不同频率偏移量。干预力量也改变,直到罗拉/名义上10%。结果说明了一个RFID的功率电平审问者事件在PicoCell网关,可以容忍作为频率的函数偏移量。

使用SF7相对排斥性能如下图9所示。罗拉水平不同的传动功率的信号,干扰信号的水平是恒定在同一频率偏移一点。它提出了一个线性损伤退化、模拟数字转换前的SINR (ADC)由于过滤不足

图9:同信道和邻道抑制性能的Pico网关接收机相对干扰信号电平,科幻小说= 7。

如图9所示,为一个相邻信道干扰的抵消250 khz, PicoCell网关可以容忍一个射频识别信号,比预期的高成本则高达55 - dB罗拉信号。然而,在同一个频道上进行干扰时,拒绝通常是减少到5分贝。

PicoCell网关接收方拒绝饱和时,接收到的功率性能的影响是-30 dBm - -20 dBm。这是由于增加的噪声地板时,信号发生器在高输出功率传输。这也适用于现实世界的场景,审讯者在高功率传输。

SF10结果如图10所示,相对排斥的指标:

图10:同信道和邻道抑制性能的Pico网关接收机相对干扰信号电平,科幻小说= 10

结束节点的性能

下行接收机性能进行了两个SX1272DVK1xAS开发工具包被配置为下行数据包发送器和目标接收器,分别。

再一次,这个测试的目的是测量结束节点接收器在附近的RFID审讯者的存在的表现。除了所有参数在上行测试,接收方低噪声放大器(LNA)是固定的,证明潜在的性能改进通过支持了放大器增益的信号灵敏度。

罗拉数据包有以下参数:

• 带宽:500千赫。
• 载波频率:923.3 mhz
• 传播因素:SF7 SF10
• 码率:4/5
• 在物理层包长度:16字节负载。

图11:同信道SX1272接收机和邻道抑制性能,在绝对的干涉信号的水平

恒间距不同的放大器收益设置建议射频识别干扰是一个线性的撞击器,减少了SINR。因此,接收机性能的函数信号干扰比(SIR)与给定频率间隔。

结果表明,阻止免疫的绝对水平增加我们铲齿放大器增益,失去了一些敏感性。这表明一个分区或微细胞网关部署将减轻多个共存干扰的影响源。

类似于上行结果,相邻信道拒绝通常50 dB比同信道被拒绝。同频道拒绝SF7以大约5分贝。

总结

从实验室测量,收发器在LoRaWAN演示了对鲁棒性干扰(> 50 dB排斥差异)干扰和罗拉时信号不共享相同的频率。它还表明,绝对拒绝性能可以提高灵敏度的成本;因此,减少网关间距是首选在部署,罗拉和UH-RFID信号共存。

通道计划优化

根据从实验室测量结果中指出总结以上,系统特性中描述功能更好的共存,很明显,一个优化通道计划可以帮助减轻相邻,同信道干扰的影响高功率射频识别系统。

默认RFID渠道计划

默认500 khz RFID通道计划使用50通道,间距为500千赫。第一个通道是902.75 mhz,最后一个通道的频率为927.25 mhz。

选择四个LoRaWAN上行通道,因此四个下行通道,按照LoRaWAN区域规范us902 - 928区域。RFID渠道和LoRaWAN上行/下行通道表1中列出。规范化间距LoRaWAN和RFID频道也上市。正常化是罗拉信道带宽,这是125千赫的上行链路和下行500千赫。

原则上,如果规范化间距大于0.5,信号可以通过过滤分离(如果我们不考虑RFID询问信号带宽),和干扰场景变成了相邻干扰。否则,干扰场景同信道干扰。

表1:默认RFID通道计划500 khz间距。

这个频道计划,LoRaWAN上行通道1,3,4,6适合传输的块的最小间距1.2倍之间的带宽LoRaWAN通道频率和RFID通道频率。其他四个渠道经验的退化性能由于同信道障碍或非线性三阶inter-modulation (IM3)。下行,8通道都被射频识别信号,从最近的RFID和没有足够的分离通道由于其较大的信号带宽。

这个通道计划被称为500 khz的计划现场测量部分。

优化RFID渠道计划

缩减的空间之间的RFID审讯人员从500千赫到450 khz,仔细选择四个上行通道及其对应的下行通道,我们成功地避免了同信道干扰,同时保持完全符合LoRaWAN规范。

表2:优化RFID通道计划450 khz间距,释放四个上行和下行四个频道。

我们选择902.5 mhz, 902.9 mhz, 903.3兆赫和903.7 mhz的上行通道的计划。这些渠道与RFID渠道或IM3 / IM5产品重叠。

相应的下行通道在923.9 mhz, 925.1 mhz, 926.3兆赫和927.5 mhz。没有一个RFID频道重叠与LoRaWAN下行。然而,IM3 / IM5产品可能撞上LoRaWAN下行流量。

通道计划被称为450 khz的计划场Measurement部分。

合规

两通道计划应符合FCC规定在北美,特别是47 CFR 15.247联邦监管。

RFID审问者在跳频扩频(FHSS)模式。RFID审问者通过了FCC认证与通道的计划。

LoRaWAN网关在数字传输系统(DTS)运行模式,和LoRaWAN传感器在混合模式下运行。网关和传感器参考设计通过了FCC pre-certification测试。英吉利海峡的计划提出了部分符合LoRaWAN区域参数us902 - 908区域。

现场测量

这个领域测量的目的是测量LoRaWAN系统性能在典型的零售商店密集UHF-RFID审问者部署。

测试网站信息

测试网站描述

两个大型零售商店选择测试LoRaWAN性能。两个商店也有类似的密集的RFID系统部署。

储存

一个大型零售商店被选中执行基准测试的讨论基线测量和结果本文的部分。存储大小大约有410英尺到330英尺,包括开放商店地板和证券领域。

为了更好的效率和RFID盘点的准确性,有额外的射频绝缘沿墙安装分离回股票和开放地板区域。此外,一些内部墙壁是混凝土。这导致更高的衰减比典型的干墙结构。

Store-2

另一个零售商店测试LoRaWAN部署。可以发现更多细节评估与优化通道计划部分。商店的规模大约有520英尺到380英尺。射频识别系统类似于使用存储1中部署并运行。

设备的位置

LoRaWAN网关/设备

LoRa-based的潜在位置传感器包括地方如冷藏冰箱的食品杂货店与酒类贩卖店(独立),传感器/探测器在服务器的房间,鼠标陷阱在非公有制领域,和运动探测器靠近试衣间和酒类贩卖店。

从长远来看,这种LoRaWAN网络也可以支持罗拉™边缘[8]基于远程库存和地理定位功能。

店内附近五个网关部署以太网交换机在股票领域和在试衣间区域,通常在12到15英尺的高度。详细的位置映射错误!引用源没有找到。在下面。

射频识别装置

RFID审讯人员是安装在天花板上,40英尺间距水平25英尺,覆盖整个车间。在股票领域,他们也接收视频流。每一个覆盖一个股票过道。

硬件配置

以下LoRa-based硬件用于现场测量。

1. 结束节点:SX1272 mb盾牌和mb,有14 dBm的输出功率。
2. 结束节点:SX1276 mb盾牌和mb板,与20 dBm的输出功率。
3. 罗拉Pico网关。

基线测量和结果

基线测量是在储存,进行描述的测试网站描述。

为此我们调查的一部分,我们评估了RFID系统造成的性能下降。

图12:储存的地图和传感器位置

总共有九个传感器节点部署的测试,在图中以橙色盒子在图12中上行链路和下行测试。

上行数据测量

所有8通道(通道鹿)使在这个测试。

我们首先关闭射频识别系统和测量了上行包成功率(PSR (FSR)。只有一个网关(GW-1)启用。所有结束节点生成的上行帧使用流传SF7和SF10之间传播因素。

表3:包成功率与RFID系统上行

PSR表演很好;然而,一些节点被射频绝缘分开。PSR达到80%以上,所有节点通过一个网关放置在桌子的角落里。

注意:测量都是基于循环传播因素。如果启用了ADR,我们期望看到进一步改善性能。

不同的传播因素的PSR如图13所示,连同详细分析节点收到的数据包的位置1。一般来说,更好的性能预计使用更高的扩频因子时,除了SF10。(长time-on-air信号使用SF10增加碰撞与另一端传输节点的概率)。

图13:包成功率为位置1节点分组通过传播因素,利用射频识别。

然后我们把RFID系统,使用500千赫(默认)渠道计划,期待一个大退化由于强烈的干扰。为了解决这个问题干扰问题,我们部署多个LoRa-based网关提供冗余和多样性。

multi-gateway场景评估5 PicoCell网关的位置在股票领域,加载湾,冷链区域、员工休息室,和服装。结果如表4所示。

表4:与单个或多个网关PSR上行,默认500 khz RFID

而依靠单一网关没有提供良好的性能,(例如,使用只有GW-1会导致0%的PSR节点位置1),提供的冗余部署额外的网关,允许整个PSR保持超过80%。

我们详细分析了一个典型的结束节点的结果:location-8 PSR测量与GW-1为79%。结果,分组通过传播因素,如图14所示。增加噪声,传输成为SINR-sensitive系统,提供了一个更好的成功率较高的传播因素。

图14:包成功率location-8节点分组的上行传播因素,500 khz RFID。

下行测量

类似的表现预期下行射频识别时,即一个网关可以覆盖整个商店。

为此,我们测试了下行与RFID系统性能。性能测量与两个渠道:927.5兆赫和924.5 mhz,射频识别系统和运行默认500 khz间距。924.5 mhz下行通道由两个相邻受损RFID渠道在924.25兆赫和924.75 mhz。SF7被用在表5所示的结果。

表5:与单个网关PSR下行,500 khz RFID的计划。

我们调查的性能不同的传播因素location-7节点,与924.5 mhz通道,如图15所示。

图15:包成功率location-7节点分组下行传播因素,500 khz RFID。

我们可以看到,增加扩散因子提高了鲁棒性噪声/干扰,有效地提高了成功率从32%使用SF7超过75%在使用科幻10/11。然而,重要的是要注意,SF12性能退化。这主要是由于长期time-on-air,增加LoRaWAN信号和射频识别传输之间的碰撞。

评估与优化通道计划

这个测试的目的是测量LoRaWAN网络的性能在零售商店密集部署RFID审讯者。

Semtech评估网络服务器[9]被选为LoRaWAN网络服务器(LNS)测量。

这个LoRaWAN测量中产生较大的零售商店,所述测试网站描述以上。四通道中使用这个测试:测试500 khz RFID通道计划时,我们使用通道1,3,4,6;测试450 khz RFID通道计划时,我们使用通道1,3,5,7。

如图16所示,四个网关安装在商店:右下角网关(GW-1)安装大约七英尺高。其他三个网关安装高于RFID审讯人员,以便将RFID审讯人员的干扰降低到最小程度。后面股票地区位于上层部分,在底部部分员工区域。

在地图上,我们明显的节点位置的前4个字符设备行。

图16:地图和传感器/网关Store-2的位置

一些节点需要特别注意:

1. CC5E模拟鼠标陷阱接近退出在走廊。它远非任何网关。
2. D135坐在一个大冰箱的厚门是由一个金属结构。
3. D924被放置在一个低温冰箱。

在接下来的结果部分,每个PSR / FSR价值是通过收集的数据生成一个四小时的窗口。超过2000包被测量。

上行数据测量

测量上行PSR时,两个RFID通道计划实施和相比,所述通道计划优化。

表6:使用LoRaWAN PSR在上行。

450千赫计划提供了更好的性能,提高平均PSR从92%降至约97%。

我们也测量了上行有限重发确认。重新尝试的最大数量是7。因此,如果上行分组失败或下行承认失败对于任何给定的帧,不超过8传输可以尝试

表7:PSR上行使用LoRaWAN和上行/重传确认。

大多数的节点是错误;只有股票的捕鼠器和一个冰箱里经历了一些框架损失500 k通道计划。我们没有看到框架损失与优化通道计划和确认上行。

下行测量

下行性能如表8所示。默认通道的平均PSR 60%的计划。这个改进为450 khz优化通道计划81%。

表8:使用LoRaWAN PSR在下行。

结果总结

使用一个实际的网关安装和四个网关在零售商店,我们实现了FSR对上行链路大于95%,80%以上FSR下行,如表9所示。

表9:总结平均FSR在多个结束节点

对于任务关键型应用程序,很明显,450 khz计划可以提供非常高的服务质量没有显著损失。bet188软件下载

LoRaWAN-based应用程序通常专注于上行链路传输。下行主要是用于配置和网络控制,启用了反馈。通常,失败可以观察到下行传输网络(例如,加入接受消息,失败或失败的ADR命令)和下行重发可以轻松地安排。

LoRaWAN网络可以正常运行传输质量提出在表9所示。bet188软件下载

有趣的是,没有从RFID系统性能下降时,信道间隔从500千赫到450千赫与LoRaWAN网络共存。

结论

在本文中,我们调查的共处共存LoRaWAN网络和UHF-RFID系统。基于上一节中提供的数据表和实验室测量阻塞LoRaWAN-based系统的性能我们提出了一个优化通道计划LoRaWAN和RFID系统,部分中描述通道计划优化。此外,我们能够证明LoRaWAN和大功率射频识别系统良好的性能可以共存。LoRaWAN成功率超过96%的上行链路和下行为80%,没有观察到对RFID系统的影响。

应用程序在一个大型零售商店等地方,仓库或机场、RFID和LoRaWAN更好地适合于不同的应用程序。例如,RFID非常适合瓶颈数据捕获,例如,扫描一辆卡车在装载湾。就其本身而言,LoRaWAN对于无处不在的报道,分别在室内和室外,跟踪和在院子里找到一个项目或仓库。此外,LoRaWAN可以支持其他传感器和监控应用程序。这个调查/演示说明了这两个系统可以工作在相同的位置和频带,更好的满足用户的需求。