物联网技术测试对比:纵行科技ZETA完胜LoRa,助力石油勘探

找油是石油工业的第一步,也是最关键的一步。最大的困难是油和人之间,隔着厚厚的土壤和岩石,既看不见也摸不着。为了寻找石油,地质专家们要翻山越岭做地质普查,就像医生先观察病人的体表特征;接着在可能性大的区域,进行地表的化学生物指标分析,就像给人体做抽血化验,然后给可能存在石油的地层做一个透视扫描。这种方法被称为“地球物理勘探”。

而寻找石油最常用的一种方式就是地震波探测。地震波探测就是在可能有石油的地方,人工制造地震,当地震波往地下传播时,在软硬地层中的传播速度不同,在不同岩层中反射的声波也不同,并且反射时间也存在差异。通过在地面按照一定的规律在上万平方千米内,放置地震波采集器收集这些信息,采集器部署的越密,采集到的数据就越准确,继而推测分析出地层结构和油藏情况。

传统的数据采集方案,是通过有线传输,但是有线施工难度大,成本高,部署的数量少,分析精度低。

实地测试:

近期某客户计划采用无线方案,进行传感器的数据收集,但是无线采集面临新的挑战:

野外环境,受各种地表遮挡,信号衰减严重,要求覆盖能力强,传输距离远。

无人机在空中不能停留,采集周期短(10s),即要求通信速率高。

地震波采集器放置密度高,单位平方公里内上万个终端,要求单站容量大。

地震波采集器放置时间长,要求功耗低。该客户在技术选型时,选择了纵行科技研发国产LPWAN技术ZETA和国外技术LoRa,针对对ZETA和LoRa进行了横向比较测试,结果表明ZETA分别以两倍以上距离和速率完胜LoRa。测试详情如下:

测试环境:

农村野外,模拟石油勘探场景。网关高度约5.5米,终端放置在地面,发射功率17dBm。

具体测试结果如下:

数据分析:

1.极限灵敏度:在此测试环境下,ZETA SDR网关的极限接收灵敏度优于lora 30db,覆盖距离为LoRa的3倍。除了信号调制解调制式上的差异, 由于占用带宽不同,信号底噪也贡献了19db的差异。

2.覆盖距离:ZETA AM-FSK的0丢包极限覆盖距离为11km(1.7米高度),该点RSSI为-135dbm。测试中存在严重衰减的位置,网关接收的极限场强为-139dbm。Lora相应的结果为3.4km(1.7米高度),-104dbm;极限接收场强-109dbm,2.6km(地面)。

3.提升空间:当前测试条件lora芯片理论最大速率为293bps@-137dBm,SF=12,BW=125kHz。在该速率下,SF=12已经是lora芯片的可达到最好灵敏度的配置极限。而ZETA AM-FSK相应为600bps@-139dBm,4FSK(M=4),BW=7.5kHz。考虑到中国法规相对法规200kHz的带宽限制。ZETA通过合理配置M(调制阶数)和BW,还有很高的速率提升空间。

4.频谱效率:LoRa SF=12, 293bps/125kHz=0.0029b/s/Hz;ZETA, M=4, 600bps/7.5kHZ=0.08b/s/Hz, 是LoRa的28倍。

理论分析:

1.由信噪比S/N = Eb/N0 * Rb/B (Eb:每比特的能量,N0噪声功率谱密度,Rb信息传输速率,B:基带带宽) 可知,速率不变的情况下,扩频通信能够减小SNR(接收机解调门限)。

2.由接收灵敏度PN (min) = −174 + 10logB + NF + SNR(-174:自然噪声底,B:基带带宽,NF:噪声系数,SNR: 信噪比)可知,扩频后不能提升接收灵敏度,因为带宽增加及带来的底噪跟SNR的减小相抵消。

小结:

实际上,考虑到普通晶振的时钟精度,LoRa所需的典型的信道带宽为125kHz或以上,而在免授权频段(470MHz-510MHz),很难找到底噪相对干净的125kHz带宽,但7.5kHz是很容易的,从而导致在实际应用中LoRa的接收灵敏度比ZETA的AMFSK差很多。本次测试的数据结果,证实了这一分析。

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