Um die Empfindlichkeit von LoRaWAN-Wasserqualitätssensoren zu erhöhen, können Verbesserungen am Hardware-Design, der Parameterkonfiguration und der Signalverarbeitung vorgenommen werden. Die konkreten Methoden sind wie folgt:

1. Optimieren Sie das Hardware-Design

Der Einsatz rauscharmer Verstärker (LNA): Ein LNA verstärkt Signale, bevor sie in den Empfängerkreis gelangen, wodurch Störungen reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Beispielsweise optimiert ein industrielles IoT-Gerät die LNA-Verstärkungsverteilung, um einen stabilen Ausgangspegel über einen Dynamikbereich von -110 dBm bis -90 dBm zu gewährleisten und die Bitfehlerrate effektiv auf unter 10⁻⁶ zu senken.

Auswahl von Antennen mit hoher Verstärkung: Diese Antennen verbessern die Signalübertragungs- und Empfangseffizienz und erweitern so die Reichweite. Beispielsweise erreichen Endgeräte mit Ringpatchantennen in komplexen Gebäudeumgebungen einen um 22 % größeren Signalradius als herkömmliche Patchantennen.

Antennenlayout optimieren: Ein gut durchdachtes Antennenlayout reduziert die Leitungsverluste und erhöht die effektive Strahlungsleistung. Beispielsweise kann die effektive Strahlungsleistung durch 3D-gedruckte Antennentechnologie um 8–10 % gesteigert werden.

Nutzen Sie die Diversity-Empfangstechnologie mit mehreren Antennen: Diese Technologie empfängt Signale über mehrere Antennen und kombiniert diese anschließend, um die Empfangsempfindlichkeit zu verbessern. Beispielsweise kann die Diversity-Empfangstechnologie im IEEE-802.15.4-2020-Standard die Empfangsempfindlichkeit um bis zu 125 dBm steigern.

2. Kommunikationsparameter korrekt konfigurieren.

Anpassung des Spreizfaktors: Je höher der Spreizfaktor, desto höher die Empfangsempfindlichkeit. Eine Erhöhung des Spreizfaktors kann jedoch auch die Datenübertragungsrate verringern. Daher sollte je nach Anwendungsfall ein Kompromiss gefunden werden.

Bandbreite optimieren: Eine geringere Bandbreite verbessert zwar die Empfangsempfindlichkeit, verringert aber gleichzeitig die Datenübertragungsrate. In der Praxis sollte die Bandbreite durch Feldtests angepasst werden, um eine optimale Kommunikationsleistung bei gleichzeitig minimalem Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen.

Dynamische Kanalauswahl: Zur dynamischen Auswahl von Kanälen mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ≥ 8 dB werden regelmäßig Kanalqualitätsbewertungen durchgeführt. Kanäle mit hohen Störungen werden vermieden, um die Empfangsempfindlichkeit zu erhöhen.

3. Optimierung des Signalverarbeitungsalgorithmus

Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC): Der FEC-Algorithmus codiert Daten im Sender und decodiert sie im Empfänger, um Übertragungsfehler zu korrigieren. Dadurch wird die Störfestigkeit des Signals verbessert und indirekt die Empfangsempfindlichkeit erhöht. Beispielsweise erhöht die Aufrüstung der Kanalcodierung von CRC-16 auf CRC-24 die Bitfehlerkorrekturrate von 10⁻⁴ auf 10⁻⁶.

Adaptive Modulation und Codierung (AMC) wird eingesetzt: AMC passt Modulationsordnung und Codierungsverfahren dynamisch an die Kanalzustandsinformationen an. Bei guten Kanalbedingungen wird ein Modulations- und Codierungsverfahren mit hoher Datenrate verwendet; bei schlechten Kanalbedingungen hingegen ein Modulations- und Codierungsverfahren mit niedriger Datenrate und hoher Zuverlässigkeit, um die Empfangsempfindlichkeit und die Datenübertragungseffizienz zu verbessern.