このブログ投稿では、ワイヤレスネットワークのさまざまな物理的特性について説明しています – 特に LoRaWAN 範囲. 提示された情報は、計画プロセスと評価をサポートします LoRaWANのユースケース.
また、無線範囲とそれらの関係に影響を与える要因についても説明します, 実世界からの独立した測定の例を評価します.
無線技術におけるネットワークの記述基準
基本的に、無線技術でネットワークを説明するために使用できる 3 つの特性があります。:
• 範囲
• データ転送速度
• エネルギー消費
物理法則には明確な制限があるため、3つの基準すべてを同等に重要視することは困難です。: 例えば, LoRaWANは、比較的少ないエネルギーで長距離のデータを送信できます, しかし、非常に低いデータレートで.
WiFiとBluetoothは高いデータレートを実現できます, しかし、消費電力は比較的高く、範囲は狭いです. すべてのスマートフォンユーザーは、このエネルギーへの渇望に精通しすぎています. 大手通信事業者の基地局は、高いデータ レートと比較的長い距離を提供しますが、そのためには多くのエネルギーを提供する必要があります。. したがって, このような設備では、電源が重要な要素です。.
動力伝達バランス
送電バランスは、無線伝送チャネルの品質を示します. 送信電力を追加することにより (送信機の電力, Tx), レシーバー感度 (受信機の電力, 処方箋), アンテナゲイン, および自由空間パスの損失 (FSPL),計算できます.
LoRaWANは送電バランスを計算します.
経路損失は、TxとRxの間の距離にわたって自由空間で失われるエネルギーの量を表します. TxがRxから離れている, エネルギーが低いほど. 経路損失は通常、次のように表されます。 :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/ c) 2(1) どこ:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / NS) 2 (1)
意味:
FSPL =自由空間経路損失
d = TxとRxの間の距離（メートル単位）
f =ヘルツ単位の周波数
自由空間の減衰には広く使用されている対数式もあります :FSPL (dB) = 20log10 (NS) + 20log10 (NS) -147.55 (2)
距離の2倍 (NS) 6dBの損失を意味します.
受信側で (処方箋), 受信側の感度は、電力送信バランスに影響を与えるサイズです. Rx感度は、可能な最小の受信電力と熱雑音耐性を表します:
Rx感度= -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
意味:
BW = Hz単位の帯域幅,
NF = dB単位の雑音指数,
SNR =信号対雑音比. 信号の距離を示します
ノイズと嘘をつく必要があります.
LoRaWANのRxは感度が高いため、WLANよりも優れています. アンテナゲインや他のタイプの自由空間減衰を考慮しない経路損失の極端なケース: 動力伝達バランス=最大値は見積りで表されています (4).
Rx感度 (dB) – マックス. Txパワー (dB) (4)
LoRaWAN送電バランスの計算例:
Txパワー= 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (LoRaWANネットワークのゲートウェイのNF値は低くなっています)
SNR = -20 (SFの場合= 12)
数式に入力されたこれらの数値 (3) 結果としてRx感度は -137 dBm
Rx感度= – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
送電バランスは、次の式を使用して次のように計算できます。 (4):
動力伝達バランス= -137dB – 14dB = -151dB
指定された値で, LoRaWAN範囲の送電バランスは 151 dB, だからそれは最大の距離を克服することができます 800 最適な条件下でのkm (純粋な自由空間の減衰). LoRaWANの範囲は 702 世界記録でkm.
もちろん, これらの理想的な値は、実際の条件下では達成されません。. これにはいくつかの要素が不可欠です.
LoRaWAN 範囲に影響する要因
自由空間減衰係数
距離を2倍にすることで, LoRaWANの自由空間の減衰が6dB増加します, したがって、電波伝搬の減衰は対数関数に従います (以下の式を参照してください).
LoRaWAN範囲によって引き起こされるエネルギー損失に加えて, 物体での電波の反射と屈折も電波の重なりを引き起こす可能性があります.
構造減衰係数
構造減衰係数構造減衰, あれは, さまざまな障害物を通過する際の無線信号の減衰, 送信信号の受信に影響を与え、信号範囲が大幅に縮小されるようにします. 例えば, ガラスの減衰はわずか2dBです. これは、コンクリートの壁よりもはるかに影響が少ないです 30 厚さセンチメートル. 以下の表は、さまざまな材料とそれらの典型的な減衰を示しています.
フレネルゾーン係数
長距離を効果的にカバーし、良好な送電バランスを実現するには、送信機と受信機の間にできるだけ多くの直線を確立することが不可欠です。. 無線送信の視線間の空間の特定の領域はフレネル領域です. これらの領域に物体がある場合、波の伝播は悪影響を受けます, 送信アンテナと受信アンテナの間の通常の視覚的接触にもかかわらず. フレネルベルトの各オブジェクトについて, 信号レベルが低下し、LoRaWAN範囲が縮小します (図を参照してください).
全方向性アンテナは、LoRaWAN範囲ネットワークで使用される一般的なテクノロジーです。. したがって, 放射エネルギーは水平面に拡散し、ネットワークノードとゲートウェイはそこに配置されます. ヨーロッパで, ISMバンドの送信電力はに制限されています 14 868mhzでのdBm. 2.15 dBiは最大アンテナゲインです.
因子拡散因子
LoRaWANネットワークの場合, データ転送速度の特定の設定では、スプレッド係数を使用します (SF). LoRaWANネットワークはSF7からSF12を使用します. チャープスペクトラム拡散変調とチャープで使用されるさまざまな位相シフト周波数のため, LoRaWANネットワークは干渉の影響を受けません, マルチパス伝搬とフェージング. LoRaWAN範囲ネットワーク, Tx側はチャープを使用してデータをエンコードします, Rx側は逆チャープを使用して信号をデコードします. 1秒間に使用されるチャープの数, ビットレートの定義、各シンボルによって放射されるエネルギー量、および達成可能なLoRaWAN範囲は上記のとおりです。. 例えば, SF9のビットレートはSF7の4倍遅く、これはLoRaWANのスケーラビリティによって実現できます。. ビットレートが遅い, エネルギーが高いほど、各データセットの範囲が広くなります.
LoRaWAN 範囲要因の結論
トランスポートイコライゼーションとは、LoRaWANネットワークの最大送信範囲を指します.
影響の自由空間減衰範囲. 距離を2倍にすることで, 自由空間の減衰は6dB増加します.
障害物や地面での電波の反射と屈折は、信号のレベルと範囲に影響を与えます. LoRaWANネットワークの場合, 無線リンクの一方の端は通常、地面に近いです.
Rx側の信号レベルは最初のフレネルで影響を受け、距離は短くなります.
SF値と送信機の範囲は伝搬条件に依存します. LoRaWAN範囲により、自動ネットワーク管理が可能になります, ADRを使用して送信機の範囲を調整する. 信号対雑音比 (SNR), 雑音指数 (NF) と帯域幅 (BW) Rx感度に影響します.
LoRa と LoRaWAN の範囲を広げる方法
LoRaWAN テクノロジーのネットワーク カバレッジを改善するため, 以下の点に注意する必要があります:
ゲートウェイの場所: TxアンテナとRxアンテナ間の可視性を確立します. アンテナの高さを上げて、アンテナ間の視認性を向上させます. アンテナは、屋内ではなく屋外での使用に適しています.
アンテナの選択: 古典的な棒状のアンテナは、水平面にエネルギーを集中させます. アンテナの近くに障害物を避けてください. また, これらは常に列に添付する必要があります, 建物の側面ではありません. アンテナを慎重に選択し、アンテナの偏波と最大定義アンテナゲインに合わせて最適化する場合は、範囲を広げる必要があります。.
接続材料を選択してください: 高品質のプラグを使用する (Nプラグ) およびケーブル (LMR 400 または同等のもの, 損失が少ない 1.5 あたり 100 dB). 接続材料の損失を減らすために, ステーション間の接続とアンテナの長さをできるだけ短くすることも重要です.
一般に, この記事で概説されているように, LoRaWANレンジゲートウェイをインストールして、適切な過電圧と雷保護を確保する必要があります.
