Esta publicación de blog describe el rango de propiedades físicas de las redes inalámbricas. – especialmente la gama LoRaWAN. La información presentada apoya el proceso de planificación y la evaluación de casos de uso de LoRaWAN.
We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, y evaluar ejemplos de mediciones independientes del mundo real.
Criterios para describir una red en tecnología de radio
Hay básicamente tres características que se pueden utilizar para describir una red en tecnología de radio:
• Range
• Data transfer speed
• Energy consumption
It’s hard to place equal importance on all three criteria because the laws of physics have clear limits on this: por ejemplo, LoRaWAN puede transmitir datos a largas distancias con relativamente poca energía, pero a velocidades de datos muy bajas.
WiFi y Bluetooth pueden alcanzar altas velocidades de datos, pero el consumo de energía es relativamente alto y el rango es pequeño. Todos los usuarios de teléfonos inteligentes están demasiado familiarizados con este hambre de energía. Las estaciones base de los grandes operadores de telecomunicaciones proporcionan altas tasas de datos y distancias relativamente largas, pero deben proporcionar mucha energía para hacerlo.. Por lo tanto, la fuente de alimentación es un factor importante en este tipo de instalaciones.
El equilibrio de la transmisión de energía
El balance de transmisión de potencia indica la calidad del canal de transmisión de radio.. Añadiendo potencia de transmisión (potencia del transmisor, Tx), Sensibilidad del receptor (potencia del receptor, Rx), ganancia de la antena, y pérdida de trayectoria de espacio libre (FSPL),se puede calcular.
LoRaWAN calcula el balance de transmisión de potencia.
La pérdida de trayectoria representará la cantidad de energía perdida en el espacio libre en una distancia entre Tx y Rx. Cuanto más lejos esté Tx de Rx, cuanto menor es la energía. La pérdida de ruta generalmente se expresa como :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) dónde:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / C) 2 (1)
Donde significa:
FSPL = Pérdida de trayectoria de espacio libre
d = distancia entre Tx y Rx en metros
f = frecuencia en hercios
También existe una fórmula logarítmica ampliamente utilizada para la atenuación en el espacio libre. :FSPL (dB) = 20log10 (D) + 20log10 (F) -147.55 (2)
El doble de la distancia (D) significa una pérdida de 6dB.
En el extremo receptor (Rx), la sensibilidad del extremo receptor es el tamaño que afecta el equilibrio de la sensibilidad de energía. La sensibilidad Rx describe la mínima potencia recibida posible y la tolerancia al ruido térmico.:
Sensibilidad Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
Donde significa:
BW = ancho de banda en Hz,
NF = factor de ruido en dB,
SNR = relación señal / ruido. Indica qué tan lejos está la señal
debe mentir con el ruido.
LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. El caso extremo de pérdida de trayecto sin considerar la ganancia de antena y otros tipos de atenuación en el espacio libre: balance de transmisión de potencia = Max se ha representado en la cita (4).
Sensibilidad Rx (dB) – Max. Poder TX (dB) (4)
Un ejemplo de cálculo de un balance de transmisión de potencia LoRaWAN:
Potencia Tx = 14 dBm
BW = 125 KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (las puertas de enlace en las redes LoRaWAN tienen valores NF más bajos)
SNR = -20 (para SF = 12)
Estos números ingresados en la fórmula (3) resultar en una sensibilidad Rx de -137 dBm
Sensibilidad Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
El balance de transmisión de potencia se puede calcular de la siguiente manera usando la fórmula (4):
balance de transmisión de potencia = -137dB – 14dB = -151dB
Con los valores especificados, el equilibrio de transmisión de potencia de la gama LoRaWAN es 151 dB, para que pueda superar distancias de hasta 800 km en condiciones óptimas (atenuación pura del espacio libre). La gama LoRaWAN es 702 km en el récord mundial.
Por supuesto, estos valores ideales no se alcanzan en condiciones reales. Varios factores son esenciales en este.
Factores que afectan el alcance de LoRaWAN
Factor de atenuación del espacio libre
Doblando la distancia, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, por lo que la atenuación de la propagación de radio sigue una función logarítmica (ver la fórmula a continuación).
Además de la pérdida de energía causada por la gama LoRaWAN, La reflexión y la refracción de las ondas de radio en los objetos también pueden hacer que las ondas de radio se superpongan..
Factor de amortiguación estructural
Coeficiente de atenuación estructural Atenuación estructural, es decir, la atenuación de las señales de radio a medida que atraviesan diferentes obstáculos, afecta la recepción de las señales transmitidas y asegura que el rango de la señal se reduce considerablemente. Por ejemplo, la atenuación del vidrio es de solo 2dB. Esto afecta mucho menos que un muro de hormigón. 30 centímetros de espesor. La siguiente tabla muestra los distintos materiales y su atenuación típica..
Factor de zona de Fresnel
Es esencial establecer la mayor línea de visión recta posible entre el transmisor y el receptor si desea cubrir largas distancias de manera efectiva y obtener un buen equilibrio de transmisión de potencia.. Ciertas áreas del espacio entre las líneas de visión de la transmisión de radio son regiones de Fresnel.. La propagación de las ondas se verá afectada negativamente si hay objetos en estas áreas, a pesar del contacto visual habitual entre las antenas transmisora y receptora. Para cada objeto en el cinturón de Fresnel, el nivel de la señal cae y el rango de LoRaWAN se reduce (ver figura).
Las antenas omnidireccionales son una tecnología común que se utiliza en las redes de la gama LoRaWAN.. Por lo tanto, La energía radiada se difunde en el plano horizontal y los nodos de la red y las puertas de enlace se encuentran allí.. En Europa, La potencia de transmisión de la banda ISM está limitada a 14 dBm a 868 mhz. 2.15 dBi es la ganancia máxima de antena.
Factor de dispersión del factor
En redes LoRaWAN, la configuración específica de la tasa de transferencia de datos utiliza factores de dispersión (SF). La red LoRaWAN usa SF7 a SF12. Debido a su modulación de espectro ensanchado chirrido y las diferentes frecuencias de cambio de fase utilizadas en el chirp, la red LoRaWAN es insensible a las interferencias, propagación y desvanecimiento por trayectos múltiples. En redes de la gama LoRaWAN, el lado Tx usa chirp para codificar datos, mientras que el lado Rx usa chirrido inverso para decodificar señales. ¿Cuántos chirridos se utilizan por segundo?, la definición de la tasa de bits y la cantidad de energía irradiada por cada símbolo y el rango LoRaWAN que se puede lograr se han representado arriba. Por ejemplo, la tasa de bits de SF9 es cuatro veces más lenta que SF7, lo que se puede lograr mediante la escalabilidad de LoRaWAN. Cuanto más lenta sea la tasa de bits, cuanto mayor sea la energía y mayor sea el rango de cada conjunto de datos.
Conclusión de los factores de rango de LoRaWAN
La ecualización de transporte se refiere al rango de transmisión máximo de la red LoRaWAN.
Rango de influencia de la atenuación del espacio libre. Doblando la distancia, la atenuación del espacio libre aumenta en 6dB.
La reflexión y refracción de las ondas de radio sobre los obstáculos y el suelo afectan el nivel y el alcance de la señal.. En redes LoRaWAN, un extremo de un enlace de radio suele estar cerca del suelo.
El nivel de la señal en el lado de Rx se verá afectado en el primer Fresnel y la distancia se acortará.
El valor SF y el alcance del transmisor dependen de las condiciones de propagación.. La gama LoRaWAN permite la gestión automática de la red, usando ADR para ajustar el rango de transmisores. Relación señal-ruido (SNR), factor de ruido (NF) y ancho de banda (BW) afectará la sensibilidad de Rx.
Cómo aumentar el alcance de LoRa y LoRaWAN
Con el fin de mejorar la cobertura de red de la tecnología LoRaWAN, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
Ubicación de la puerta de enlace: Establece visibilidad entre antenas Tx y Rx. Aumente la altura de las antenas para mejorar la visibilidad entre antenas. Las antenas son adecuadas para su uso en exteriores en lugar de en interiores.
Elección de antena: Las antenas clásicas en forma de varilla concentran la energía en un plano horizontal. Evite obstáculos cerca de la antena. También, estos siempre deben estar adjuntos a una columna, no al costado del edificio. El alcance debe aumentarse si la antena se selecciona cuidadosamente y se optimiza para la polarización de la antena y la ganancia máxima definida de la antena..
Elija materiales de conexión: utilizar enchufes de calidad (N-tapones) y cables (LMR 400 o equivalente, pérdida menor que 1.5 por 100 dB). Para reducir la pérdida de material de conexión., También es importante mantener las conexiones entre estaciones y longitudes de antena lo más cortas posible..
En general, como se describe en este artículo, Se deben instalar puertas de enlace de la gama LoRaWAN para garantizar una protección adecuada contra sobretensiones y rayos..
