【选型】ZETA助力石油勘探，以两倍以上距离和速率完胜LoRa

时间： 2022-09-28 来源：ZiFiSense纵行科技公众号

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，用炸弹放炮，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，通过在地面收集这些信息，就能推测分析出，地层结构和油藏情况。这就好比给人体做CT，核磁共振，X光片。

为了获得更好的地震效果，不仅要把几千枚炸药生埋于地下，而且要按照一定的规律分布在上万平方千米的范围内放置上地震波采集器，采集器部署的越密，采集到的数据就越准确。

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，进行数据收集，但是无线采集面临新的批战：

1. 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;

2. 无人机在空中不能停留，采集周期短（10s)，即要求通信速率高;

3. 震波釆集器放置密度高，单位平方公里内上万个终端，要求单站容星大；

4. 震波采集器放置时间长，要求功耗低。

技术选型

该客户在技术选型时，对ZETA和LoRa进行横向比较测试，结果表明ZETA分别以两倍以上距离和速率完胜LoRa，以下为测试详情：

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。

测试结果

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

在当前测试条件下，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. 扩频可以降低解调SNR要求

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. 增加带宽不能提高接收灵敏度

由接收灵敏度PN（min）=-174+10logB+NF+SNR（-174：自然瞬声底，B：基带带宽，NF：噪声系数，SNR：信噪比）可知，增加带宽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。

本文小结

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AM-FSK差很多。本次测试的数据结果，证实了这一分析。

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