This blog post describes the range of physical properties of wireless networks – especially the LoRaWAN range. Les informations présentées appuient le processus de planification et l'évaluation des cas d'utilisation de LoRaWAN.
We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, et évaluer des exemples de mesures indépendantes du monde réel.
Il existe essentiellement trois caractéristiques qui peuvent être utilisées pour décrire un réseau en technologie 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: par exemple, LoRaWAN peut transmettre des données sur de longues distances avec relativement peu d'énergie, mais à des débits de données très bas.
WiFi et Bluetooth peuvent atteindre des débits de données élevés, mais la consommation d'énergie est relativement élevée et la portée est petite. Tous les utilisateurs de smartphones ne connaissent que trop bien cette soif d'énergie. Les stations de base des grands opérateurs de télécommunications fournissent des débits de données élevés et des distances relativement longues mais doivent fournir beaucoup d'énergie pour ce faire. Donc, l'alimentation est un facteur important dans de telles installations.
Le bilan de transmission de puissance indique la qualité du canal de transmission radio. En ajoutant la puissance d'émission (puissance d'émission, Tx), sensibilité du récepteur (puissance du récepteur, Rx), gain de l'antenne, et perte de trajet en espace libre (FSPL),il peut être calculé.
LoRaWAN calcule le bilan de transmission de puissance.
La perte de chemin représente la quantité d'énergie perdue dans l'espace libre sur une distance entre Tx et Rx. Le plus éloigné Tx est de Rx, plus l'énergie est faible. L'affaiblissement sur le trajet est généralement exprimé par :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) où:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / c) 2 (1)
Où signifie:
FSPL = perte de chemin d'espace libre
d = distance entre Tx et Rx en mètres
f = fréquence en Hertz
Il existe également une formule logarithmique largement utilisée pour l'atténuation en espace libre :FSPL (dB) = 20log10 (ré) + 20log10 (F) -147.55 (2)
Deux fois la distance (ré) signifie une perte de 6dB.
A la réception (Rx), la sensibilité de l'extrémité réceptrice est la taille qui affecte l'équilibre de transmission de puissance. La sensibilité Rx décrit la puissance reçue minimale possible et la tolérance au bruit thermique:
Sensibilité Rx = -174 + 10log10 (NB) + NF + SNR (3)
Où signifie:
BW = bande passante en Hz,
NF = facteur de bruit en dB,
SNR = rapport signal sur bruit. Il indique à quelle distance se trouve le signal
doit mentir avec le bruit.
LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. Le cas extrême de l'affaiblissement sur le trajet sans tenir compte du gain d'antenne et d'autres types d'affaiblissement en espace libre: balance de transmission de puissance = Max a été représenté dans la quation (4).
Sensibilité Rx (dB) – Max. Puissance d'émission (dB) (4)
Un exemple de calcul d'un bilan de transmission d'énergie LoRaWAN:
Puissance d'émission = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (les passerelles des réseaux LoRaWAN ont des valeurs NF plus faibles)
SNR = -20 (pour SF = 12)
Ces nombres entrés dans la formule (3) entraîner une sensibilité Rx de -137 dBm
Rx sensitivity = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Le bilan de transmission de puissance peut alors être calculé comme suit à l'aide de la formule (4):
power transmission balance = -137dB – 14dB = -151dB
Avec les valeurs spécifiées, le bilan de transmission de puissance de la gamme LoRaWAN est 151 dB, ainsi il peut surmonter des distances allant jusqu'à 800 km dans des conditions optimales (atténuation pure en espace libre). La gamme LoRaWAN est 702 km au record du monde.
Bien sûr, ces valeurs idéales ne sont pas atteintes dans des conditions réelles. Plusieurs facteurs sont essentiels à ce.
En doublant la distance, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, donc l'atténuation de propagation radio suit une fonction logarithmique (voir formule ci-dessous).
Outre la perte d'énergie causée par la gamme LoRaWAN, la réflexion et la réfraction des ondes radio sur les objets peuvent également provoquer le chevauchement des ondes radio.
Coefficient d'atténuation structurelle Atténuation structurelle, C'est, l'atténuation des signaux radio lorsqu'ils traversent différents obstacles, affecte la réception des signaux transmis et garantit que la portée du signal est considérablement réduite. Par exemple, l'atténuation du verre n'est que de 2dB. Cela affecte beaucoup moins qu'un mur en béton 30 centimètres d'épaisseur. Le tableau ci-dessous présente les différents matériaux et leur atténuation typique.
Il est essentiel d'établir une ligne de visée aussi droite que possible entre l'émetteur et le récepteur si vous souhaitez couvrir efficacement de longues distances et obtenir un bon équilibre de transmission de puissance.. Certaines zones de l'espace entre les lignes de visée de la transmission radio sont des régions de Fresnel. La propagation des ondes sera affectée négativement S'il y a des objets dans ces zones, malgré le contact visuel habituel entre les antennes d'émission et de réception. Pour chaque objet de la ceinture de Fresnel, le niveau du signal baisse et la plage LoRaWAN se rétrécit (voir figure).
Les antennes omnidirectionnelles sont une technologie courante à utiliser dans les réseaux de la gamme LoRaWAN. Ainsi, l'énergie rayonnée se diffuse dans le plan horizontal et les nœuds et passerelles du réseau s'y trouvent. En Europe, La puissance de transmission de la bande ISM est limitée à 14 dBm à 868mhz. 2.15 dBi est le gain d'antenne maximum.
Dans les réseaux LoRaWAN, le réglage spécifique du taux de transfert de données utilise des facteurs de propagation (SF). Le réseau LoRaWAN utilise SF7 à SF12. En raison de sa modulation à spectre étalé chirp et des différentes fréquences de déphasage utilisées dans le chirp, le réseau LoRaWAN est insensible aux interférences, propagation et évanouissement par trajets multiples. Dans les réseaux de la gamme LoRaWAN, le côté Tx utilise le chirp pour coder les données, tandis que le côté Rx utilise le chirp inverse pour décoder les signaux. Combien de bips sont utilisés par seconde, la définition du débit et de la quantité d'énergie rayonnée par chaque symbole et la plage LoRaWAN pouvant être atteinte ont été représentées ci-dessus. Par exemple, le débit binaire de SF9 est quatre fois plus lent que SF7, ce qui peut être atteint grâce à l'évolutivité de LoRaWAN. Plus le débit est lent, plus l'énergie est élevée et la portée de chaque ensemble de données est grande.
L'égalisation du transport fait référence à la portée de transmission maximale du réseau LoRaWAN.
Plage d'influence de l'atténuation en espace libre. En doublant la distance, l'atténuation en espace libre augmente de 6dB.
La réflexion et la réfraction des ondes radio sur les obstacles et le sol affectent le niveau et la portée du signal. Dans les réseaux LoRaWAN, une extrémité d'une liaison radio est généralement proche du sol.
Le niveau du signal du côté Rx sera affecté dans le premier Fresnel et la distance sera raccourcie.
La valeur SF et la portée de l'émetteur dépendent des conditions de propagation. La gamme LoRaWAN permet une gestion automatique du réseau, utilisation de l'ADR pour ajuster la portée des émetteurs. Rapport signal sur bruit (SNR), facteur de bruit (NF) et bande passante (NB) affectera la sensibilité Rx.
Afin d'améliorer la couverture réseau de la technologie LoRaWAN, les points suivants doivent être notés:
Emplacement de la passerelle: Établit la visibilité entre les antennes Tx et Rx. Augmenter la hauteur des antennes pour améliorer la visibilité entre les antennes. Les antennes sont adaptées pour être utilisées à l'extérieur plutôt qu'à l'intérieur.
Choix d'antenne: Les antennes classiques en forme de tige concentrent l'énergie sur un plan horizontal. Éviter les obstacles près de l'antenne. Aussi, ceux-ci doivent toujours être attachés à une colonne, pas le côté du bâtiment. La portée doit être augmentée si l'antenne est soigneusement sélectionnée et optimisée pour la polarisation de l'antenne et le gain d'antenne maximum défini.
Choisissez les matériaux de connexion: utiliser des bouchons de qualité (N-bouchons) et câbles (LMR 400 ou équivalent, perte inférieure à 1.5 par 100 dB). Afin de réduire la perte de matériel de connexion, il est également important de garder les connexions entre les stations et les longueurs d'antenne aussi courtes que possible.
En général, comme indiqué dans cet article, Les passerelles de la gamme LoRaWAN doivent être installées pour assurer une protection adéquate contre les surtensions et la foudre.
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