يصف منشور المدونة هذا نطاق الخصائص الفيزيائية للشبكات اللاسلكية – وخاصة مجموعة LoRaWAN. المعلومات المقدمة تدعم عملية التخطيط والتقييم حالات استخدام LoRaWAN.
وسنشرح أيضًا العوامل التي تؤثر على نطاق الراديو وعلاقاتها, وتقييم أمثلة للقياسات المستقلة من العالم الحقيقي.
معايير وصف الشبكة في تكنولوجيا الراديو
هناك ثلاث خصائص أساسية يمكن استخدامها لوصف شبكة في مجال تكنولوجيا الراديو:
• يتراوح
• سرعة نقل البيانات
• استهلاك الطاقة
من الصعب إعطاء أهمية متساوية لجميع المعايير الثلاثة لأن قوانين الفيزياء لها حدود واضحة في هذا الشأن: على سبيل المثال, يمكن لـ LoRaWAN نقل البيانات عبر مسافات طويلة بطاقة قليلة نسبيًا, ولكن بمعدلات بيانات منخفضة جدًا.
يمكن لشبكة WiFi وBluetooth تحقيق معدلات بيانات عالية, لكن استهلاك الطاقة مرتفع نسبيًا والمدى صغير. جميع مستخدمي الهواتف الذكية على دراية بهذا الجوع للطاقة. توفر المحطات الأساسية لمشغلي الاتصالات الكبار معدلات بيانات عالية ومسافات طويلة نسبيًا ولكن يجب أن توفر الكثير من الطاقة للقيام بذلك. لذلك, يعد مصدر الطاقة عاملاً مهمًا في مثل هذه المنشآت.
توازن نقل الطاقة
يشير توازن نقل الطاقة إلى جودة قناة الإرسال الراديوي. عن طريق إضافة قوة الإرسال (قوة الارسال, تكساس), المتلقي حساسية (قوة المتلقي, آر إكس), كسب الهوائي, وفقدان مسار المساحة الحرة (FSPL),يمكن حسابها.
يقوم LoRaWAN بحساب توازن نقل الطاقة.
يمثل فقدان المسار مقدار الطاقة المفقودة في الفضاء الحر على مسافة بين Tx وRx. كلما ابتعد Tx عن Rx, كلما كانت الطاقة أقل. عادة ما يتم التعبير عن فقدان المسار كـ :فسبل = (4πد / ل) 2 = (4πdf/ج) 2(1) أين:
فسبل = (4πد / ل) 2 = (4بي دي إف / ج) 2 (1)
حيث يعني:
FSPL = فقدان مسار الفضاء الحر
d = المسافة بين Tx وRx بالأمتار
f = التردد بالهرتز
هناك أيضًا صيغة لوغاريتمية مستخدمة على نطاق واسع للتوهين في الفضاء الحر :FSPL (ديسيبل) = 20log10 (د) + 20log10 (F) -147.55 (2)
ضعف المسافة (د) يعني خسارة 6 ديسيبل.
في الطرف المتلقي (آر إكس), حساسية الطرف المتلقي هي الحجم الذي يؤثر على توازن نقل الطاقة. تصف حساسية Rx الحد الأدنى الممكن من الطاقة المستقبلة والتسامح مع الضوضاء الحرارية:
حساسية آر إكس = -174 + 10log10 (الأسلحة البيولوجية) + نف + SNR (3)
حيث يعني:
BW = عرض النطاق الترددي بالهرتز,
NF = عامل الضوضاء بالديسيبل,
SNR = نسبة الإشارة إلى الضوضاء. إنه يخبرنا عن مدى الإشارة
يجب أن تكمن مع الضوضاء.
يعد Rx الخاص بـ LoRaWAN أكثر حساسية وبالتالي أفضل من شبكة WLAN. الحالة القصوى لخسارة المسير دون النظر إلى كسب الهوائي والأنواع الأخرى من التوهين في الفضاء الحر: توازن نقل الطاقة = تم تمثيل الحد الأقصى في المعادلة (4).
حساسية آر إكس (ديسيبل) – الأعلى. قوة تكساس (ديسيبل) (4)
مثال على حساب توازن نقل الطاقة LoRaWAN:
قوة تكساس = 14 ديسيبل
عرض النطاق الترددي = 125 كيلو هرتز = 10log10 (125000) = 51
نف = 6 ديسيبل (تحتوي البوابات في شبكات LoRaWAN على قيم NF أقل)
SNR = -20 (لSF = 12)
تم إدخال هذه الأرقام في الصيغة (3) يؤدي إلى حساسية Rx -137 ديسيبل
حساسية آر إكس = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 ديسيبل
يمكن بعد ذلك حساب توازن نقل الطاقة على النحو التالي باستخدام الصيغة (4):
توازن نقل الطاقة = -137 ديسيبل – 14ديسيبل = -151 ديسيبل
بالقيم المحددة, توازن نقل الطاقة في نطاق LoRaWAN هو 151 ديسيبل, حتى يتمكن من التغلب على مسافات تصل إلى 800 كم في ظل الظروف المثالية (توهين الفضاء الحر النقي). نطاق LoRaWAN هو 702 كم في الرقم القياسي العالمي.
بالطبع, لا يتم تحقيق هذه القيم المثالية في ظل ظروف حقيقية. عدة عوامل ضرورية في هذا الشأن.
العوامل التي تؤثر على نطاق LoRaWAN
عامل توهين المساحة الحرة
عن طريق مضاعفة المسافة, يزيد توهين المساحة الحرة لـ LoRaWAN بمقدار 6 ديسيبل, لذا فإن توهين انتشار الراديو يتبع دالة لوغاريتمية (انظر الصيغة أدناه).
إلى جانب فقدان الطاقة الناجم عن نطاق LoRaWAN, يمكن أن يؤدي انعكاس وانكسار موجات الراديو على الأشياء أيضًا إلى تداخل موجات الراديو.
عامل التخميد الهيكلي
معامل التوهين الهيكلي التوهين الهيكلي, إنه, توهين إشارات الراديو أثناء مرورها عبر عوائق مختلفة, يؤثر على استقبال الإشارات المرسلة ويضمن تقليل نطاق الإشارة بشكل كبير. على سبيل المثال, التوهين الزجاجي هو 2 ديسيبل فقط. وهذا يؤثر أقل بكثير من جدار خرساني 30 سم سميكة. يوضح الجدول أدناه المواد المختلفة والتوهين النموذجي لها.
عامل منطقة فريسنل
من الضروري إنشاء أكبر قدر ممكن من خط الرؤية المستقيم بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال إذا كنت تريد تغطية مسافات طويلة بفعالية والحصول على توازن جيد في نقل الطاقة. مناطق معينة من الفضاء بين خطوط رؤية الإرسال الراديوي هي مناطق فريسنل. وسوف يتأثر انتشار الموجات سلباً في حالة وجود أجسام في هذه المناطق, على الرغم من الاتصال البصري المعتاد بين هوائيات الإرسال والاستقبال. لكل كائن في حزام فريسنل, ينخفض مستوى الإشارة ويتقلص نطاق LoRaWAN (أنظر للشكل).
تعتبر الهوائيات متعددة الاتجاهات تقنية شائعة يتم استخدامها في شبكات نطاق LoRaWAN. هكذا, تنتشر الطاقة المشعة إلى المستوى الأفقي وتقع عقد الشبكة وبواباتها هناك. في أوروبا, تقتصر قدرة نقل نطاق ISM على 14 ديسيبل عند 868 ميجا هرتز. 2.15 dBi هو أقصى كسب للهوائي.
عامل انتشار العامل
في شبكات LoRaWAN, يستخدم الإعداد المحدد لمعدل نقل البيانات عوامل الانتشار (سادس). تستخدم شبكة LoRaWAN SF7 إلى SF12. نظرًا لتعديل طيف انتشار الزقزقة وترددات تحول الطور المختلفة المستخدمة في التغريدة, شبكة LoRaWAN غير حساسة للتداخل, انتشار متعدد المسارات والتلاشي. في شبكات نطاق LoRaWAN, يستخدم الجانب Tx غرد لتشفير البيانات, بينما يستخدم الجانب Rx غردًا معكوسًا لفك تشفير الإشارات. كم عدد الزقزقات المستخدمة في الثانية الواحدة, تم تمثيل تعريف معدل البت وكمية الطاقة التي يشعها كل رمز ونطاق LoRaWAN الذي يمكن تحقيقه أعلاه. على سبيل المثال, معدل البت لـ SF9 أبطأ بأربع مرات من SF7، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال قابلية التوسع في LoRaWAN. كلما كان معدل البت أبطأ, كلما زادت الطاقة وزاد نطاق كل مجموعة بيانات.
استنتاج عوامل نطاق LoRaWAN
يشير معادلة النقل إلى الحد الأقصى لنطاق الإرسال لشبكة LoRaWAN.
نطاق توهين المساحة الحرة للتأثير. عن طريق مضاعفة المسافة, يزداد التوهين في المساحة الحرة بمقدار 6 ديسيبل.
يؤثر انعكاس وانكسار موجات الراديو على العوائق والأرض على مستوى الإشارة ومداها. في شبكات LoRaWAN, عادةً ما يكون أحد طرفي وصلة الراديو قريبًا من الأرض.
سوف يتأثر مستوى الإشارة على الجانب Rx في فريسنل الأول وسيتم تقصير المسافة.
تعتمد قيمة SF ومدى المرسل على ظروف الانتشار. يتيح نطاق LoRaWAN إدارة الشبكة تلقائيًا, باستخدام ADR لضبط نطاق أجهزة الإرسال. إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR), عامل الضوضاء (نف) وعرض النطاق الترددي (الأسلحة البيولوجية) سيؤثر على حساسية Rx.
كيفية زيادة نطاق LoRa وLoRaWAN
من أجل تحسين تغطية الشبكة لتقنية LoRaWAN, ويجب ملاحظة النقاط التالية:
موقع البوابة: يحدد الرؤية بين هوائيات Tx وRx. زيادة ارتفاع الهوائيات لتحسين الرؤية بين الهوائيات. الهوائيات مناسبة للاستخدام في الهواء الطلق وليس في الداخل.
اختيار الهوائي: تعمل الهوائيات الكلاسيكية على شكل قضيب على تركيز الطاقة على مستوى أفقي. تجنب العقبات بالقرب من الهوائي. أيضًا, يجب أن يتم إرفاقها دائمًا بعمود, وليس جانب المبنى. ينبغي زيادة المدى إذا تم اختيار الهوائي بعناية وتحسينه لاستقطاب الهوائي والحد الأقصى لكسب الهوائي المحدد.
اختر مواد التوصيل: استخدام المقابس الجودة (المقابس N) والكابلات (LMR 400 أو ما يعادلها, خسارة أقل من 1.5 لكل 100 ديسيبل). من أجل تقليل فقدان مواد الاتصال, ومن المهم أيضًا الحفاظ على الاتصالات بين المحطات وأطوال الهوائيات قصيرة قدر الإمكان.
على العموم, كما هو موضح في هذه المقالة, يجب تثبيت بوابات نطاق LoRaWAN لضمان الحماية الكافية من الجهد الزائد والصواعق.
