Dieser Blogbeitrag beschreibt die Bandbreite der physikalischen Eigenschaften von drahtlosen Netzwerken – insbesondere die LoRaWAN-Reihe. Die dargestellten Informationen unterstützen den Planungsprozess und die Bewertung von Anwendungsfälle von LoRaWAN.
Wir erklären auch die Faktoren, die die Funkreichweite beeinflussen, und ihre Beziehungen, und bewerten Sie Beispiele unabhängiger Messungen aus der realen Welt.
Kriterien zur Beschreibung eines Netzes in der Funktechnik
Grundsätzlich gibt es drei Merkmale, mit denen ein Netzwerk in der Funktechnik beschrieben werden kann:
• Bereich
• Datenübertragungsgeschwindigkeit
• Energieverbrauch
Es ist schwer, allen drei Kriterien die gleiche Bedeutung beizumessen, da die Gesetze der Physik hier klare Grenzen haben: zum Beispiel, LoRaWAN kann mit relativ wenig Energie Daten über große Entfernungen übertragen, aber bei sehr niedrigen Datenraten.
WiFi und Bluetooth können hohe Datenraten erreichen, aber der Stromverbrauch ist relativ hoch und die Reichweite klein. Alle Smartphone-Nutzer kennen diesen Energiehunger nur zu gut. Die Basisstationen der großen Telekommunikationsbetreiber bieten hohe Datenraten und relativ große Entfernungen, müssen dafür aber viel Energie bereitstellen. Deswegen, Die Stromversorgung ist ein wichtiger Faktor bei solchen Installationen.
Die Kraftübertragungsbalance
Die Leistungsübertragungsbilanz zeigt die Qualität des Funkübertragungskanals an. Durch Hinzufügen von Sendeleistung (Sendeleistung, Tx), Empfangsempfindlichkeit (Empfängerleistung, Rx), Antennengewinn, und Freiraumpfadverlust (FSPL),es lässt sich berechnen.
LoRaWAN berechnet die Energieübertragungsbilanz.
Der Pfadverlust stellt die Energiemenge dar, die im freien Raum über eine Distanz zwischen Tx und Rx . verloren geht. Das weiter entfernte Tx ist von Rx, je niedriger die Energie ist. Pfadverlust wird normalerweise ausgedrückt als :FSPL = (4d / λ) 2 = (4df/c) 2(1) wo:
FSPL = (4d / λ) 2 = (4df / C) 2 (1)
Wo bedeutet:
FSPL = Pfadverlust im freien Speicherplatz
d = Abstand zwischen Tx und Rx in Metern
f = Frequenz in Hertz
Es gibt auch eine weit verbreitete logarithmische Formel für die Freiraumdämpfung :FSPL (dB) = 20log10 (D) + 20log10 (F) -147.55 (2)
Doppelte Distanz (D) bedeutet einen Verlust von 6dB.
Auf der Empfangsseite (Rx), Die Empfindlichkeit des Empfangsendes ist die Größe, die die Leistungsübertragungsbilanz beeinflusst. Die Rx-Empfindlichkeit beschreibt die minimal mögliche Empfangsleistung und thermische Rauschtoleranz:
Rx-Empfindlichkeit = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
Wo bedeutet:
BW = Bandbreite in Hz,
NF = Rauschfaktor in dB,
SNR = Signal-Rausch-Verhältnis. Es sagt, wie weit das Signal ungefähr ist
muss mit dem lärm liegen.
Der Rx von LoRaWAN ist empfindlicher und damit besser als WLAN. Der Extremfall von Pfadverlusten ohne Berücksichtigung des Antennengewinns und anderer Arten von Freiraumdämpfung: Leistungsübertragungsbilanz = Max wurde in der qation dargestellt (4).
Rx-Empfindlichkeit (dB) – Max. Sendeleistung (dB) (4)
Ein Beispiel für die Berechnung einer LoRaWAN-Energieübertragungsbilanz:
Sendeleistung = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (die Gateways in LoRaWAN-Netzwerken haben niedrigere NF-Werte)
SNR = -20 (für SF = 12)
Diese in Formeln eingegebenen Zahlen (3) ergeben eine Rx-Empfindlichkeit von -137 dBm
Rx-Empfindlichkeit = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Die Kraftübertragungsbilanz kann dann mit Formeln wie folgt berechnet werden (4):
Leistungsübertragungsbalance = -137dB – 14dB = -151dB
Mit den angegebenen Werten, die Energieübertragungsbilanz der LoRaWAN-Reichweite beträgt 151 dB, so überwindet er Distanzen von bis zu 800 km unter optimalen Bedingungen (reine Freiraumdämpfung). Die LoRaWAN-Reihe ist 702 km beim Weltrekord.
Natürlich, diese Idealwerte werden unter realen Bedingungen nicht erreicht. Dafür sind mehrere Faktoren entscheidend.
Faktoren, die die LoRaWAN-Reichweite beeinflussen
Freiraum-Dämpfungsfaktor
Durch die Verdoppelung der Distanz, Die Freiraumdämpfung von LoRaWAN erhöht sich um 6 dB, also folgt die Funkausbreitungsdämpfung einer logarithmischen Funktion (siehe Formel unten).
Abgesehen vom Energieverlust durch die LoRaWAN-Reichweite, Reflexion und Brechung von Funkwellen an Objekten können auch dazu führen, dass Funkwellen überlappen.
Strukturdämpfungsfaktor
Struktureller Dämpfungskoeffizient Strukturelle Dämpfung, das ist, die Dämpfung von Funksignalen beim Passieren verschiedener Hindernisse, beeinflusst den Empfang von Sendesignalen und sorgt dafür, dass die Signalreichweite stark reduziert wird. Beispielsweise, die Glasdämpfung beträgt nur 2dB. Dies betrifft weit weniger als eine Betonwand 30 Zentimeter dick. Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Materialien und ihre typische Dämpfung.
Fresnel-Zonenfaktor
Eine möglichst gerade Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ist unabdingbar, wenn Sie lange Distanzen effektiv zurücklegen und eine gute Leistungsübertragungsbalance erreichen wollen. Bestimmte Raumbereiche zwischen den Sichtlinien der Funkübertragung sind Fresnel-Regionen. Die Wellenausbreitung wird beeinträchtigt, wenn sich Objekte in diesen Bereichen befinden, trotz üblichem Sichtkontakt zwischen Sende- und Empfangsantenne. Für jedes Objekt im Fresnel-Gürtel, der Signalpegel sinkt und die LoRaWAN-Reichweite schrumpft (Siehe Abbildung).
Omnidirektionale Antennen sind eine gängige Technologie, die in LoRaWAN-Netzwerken verwendet wird. Daher, Strahlungsenergie diffundiert in die horizontale Ebene und die Netzwerkknoten und Gateways befinden sich dort. In Europa, Die Sendeleistung im ISM-Band ist begrenzt auf 14 dBm bei 868 MHz. 2.15 dBi ist der maximale Antennengewinn.
Faktor-Spreading-Faktor
In LoRaWAN-Netzwerken, die spezifische Einstellung der Datenübertragungsrate verwendet Spread Factors (SF). Das LoRaWAN-Netzwerk verwendet SF7 bis SF12. Aufgrund seiner gechirpten Spread-Spectrum-Modulation und der unterschiedlichen Phasenverschiebungsfrequenzen, die im Chirp verwendet werden, das LoRaWAN-Netzwerk ist unempfindlich gegen Störungen, Mehrwegeausbreitung und -fading. In LoRaWAN-Netzen, die Tx-Seite verwendet Chirp, um Daten zu codieren, während die Rx-Seite inverses Chirp verwendet, um Signale zu dekodieren. Wie viele Chirps werden pro Sekunde verwendet, die Definition der Bitrate und der von jedem Symbol abgestrahlten Energiemenge sowie die erreichbare LoRaWAN-Reichweite sind oben dargestellt. Beispielsweise, die Bitrate von SF9 ist viermal langsamer als SF7, was durch die Skalierbarkeit von LoRaWAN erreicht werden kann. Je langsamer die Bitrate, je höher die Energie und die Reichweite jedes Datensatzes.
Fazit der LoRaWAN-Reichweitenfaktoren
Transportentzerrung bezieht sich auf die maximale Übertragungsreichweite des LoRaWAN-Netzwerks.
Einflussbereich der Freiraumdämpfung. Durch die Verdoppelung der Distanz, die Freiraumdämpfung erhöht sich um 6dB.
Die Reflexion und Brechung von Funkwellen an Hindernissen und am Boden beeinflussen den Pegel und die Reichweite des Signals. In LoRaWAN-Netzwerken, ein Ende einer Funkstrecke befindet sich normalerweise in Bodennähe.
Der Signalpegel auf der Rx-Seite wird im ersten Fresnel beeinflusst und die Entfernung wird verkürzt.
Der SF-Wert und der Messumformerbereich hängen von den Ausbreitungsbedingungen ab. Die LoRaWAN-Reihe ermöglicht automatisches Netzwerkmanagement, mit ADR die Reichweite der Sender einstellen. Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Rauschfaktor (NF) und Bandbreite (BW) beeinflusst die Rx-Empfindlichkeit.
So erhöhen Sie die LoRa- und LoRaWAN-Reichweite
Um die Netzabdeckung der LoRaWAN-Technologie zu verbessern, folgende Punkte sind zu beachten:
Gateway-Standort: Stellt Sichtbarkeit zwischen Tx- und Rx-Antennen her. Erhöhen Sie die Höhe der Antennen, um die Sichtbarkeit zwischen den Antennen zu verbessern. Antennen eignen sich eher für den Einsatz im Freien als in Innenräumen.
Antennenauswahl: Klassische stabförmige Antennen konzentrieren die Energie auf eine horizontale Ebene. Vermeiden Sie Hindernisse in der Nähe der Antenne. Ebenfalls, diese sollten immer an eine Säule angehängt werden, nicht die Seite des Gebäudes. Die Reichweite sollte erhöht werden, wenn die Antenne sorgfältig ausgewählt und auf Antennenpolarisation und maximal definierten Antennengewinn optimiert wird.
Verbindungsmaterial wählen: Verwenden Sie hochwertige Stecker (N-Stecker) und Kabel (LMR 400 oder gleichwertig, Verlust weniger als 1.5 pro 100 dB). Um den Verlust von Verbindungsmaterial zu reduzieren, Es ist auch wichtig, die Verbindungen zwischen den Stationen und die Antennenlängen so kurz wie möglich zu halten.
Im Allgemeinen, wie in diesem Artikel beschrieben, Gateways der LoRaWAN-Reihe sollten installiert werden, um einen angemessenen Überspannungs- und Blitzschutz zu gewährleisten.
