W tym poście na blogu opisano zakres właściwości fizycznych sieci bezprzewodowych – zwłaszcza zakres LoRaWAN. Przedstawione informacje wspierają proces planowania i oceny przypadki użycia LoRaWAN.
We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, i oceń przykłady niezależnych pomiarów ze świata rzeczywistego.
Kryteria opisu sieci w technice radiowej
Zasadniczo istnieją trzy cechy, które można wykorzystać do opisania sieci w technologii radiowej:
• 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: na przykład, LoRaWAN może przesyłać dane na duże odległości przy stosunkowo niewielkiej energii, ale przy bardzo niskich szybkościach transmisji danych.
Wi-Fi i Bluetooth mogą osiągać wysokie szybkości transmisji danych, ale pobór mocy jest stosunkowo wysoki, a zasięg niewielki. Wszyscy użytkownicy smartfonów doskonale znają ten głód energii. Stacje bazowe dużych operatorów telekomunikacyjnych zapewniają wysokie szybkości transmisji danych i stosunkowo duże odległości, ale muszą dostarczać dużo energii, aby to zrobić. W związku z tym, zasilanie jest ważnym czynnikiem w takich instalacjach.
Bilans przenoszenia mocy
Bilans mocy transmisji wskazuje jakość kanału transmisji radiowej. Dodając moc nadawania (moc nadajnika, Tx), czułość odbiornika (moc odbiornika, Rx), zysk anteny, i utrata wolnej przestrzeni kosmicznej (FSPL),można to obliczyć.
LoRaWAN oblicza bilans przesyłu mocy.
Utrata ścieżki reprezentuje ilość energii utraconej w wolnej przestrzeni na odległość między Tx i Rx. Im dalej Tx jest od Rx, im niższa energia. Utrata ścieżki jest zwykle wyrażana jako :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) gdzie:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / C) 2 (1)
Gdzie znaczy:
FSPL = utrata wolnej przestrzeni kosmicznej
d = odległość między Tx i Rx w metrach
f = częstotliwość w hercach
Istnieje również szeroko stosowany wzór logarytmiczny na tłumienie w wolnej przestrzeni :FSPL (dB) = 20log10 (D) + 20log10 (F) -147.55 (2)
Podwójna odległość (D) oznacza stratę 6dB.
Po stronie odbiorczej (Rx), czułość końca odbiorczego to rozmiar, który wpływa na równowagę tansimisji mocy. Czułość Rx opisuje minimalną możliwą odbieraną moc i tolerancję szumów termicznych:
Czułość Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
Gdzie znaczy:
BW = szerokość pasma w Hz,
NF = współczynnik hałasu w dB,
SNR = stosunek sygnału do szumu. Mówi, jak daleko jest sygnał
musi leżeć z hałasem.
LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. Ekstremalny przypadek utraty ścieżki bez uwzględnienia zysku anteny i innych rodzajów tłumienia w wolnej przestrzeni: bilans przenoszenia mocy = Max został przedstawiony w równaniu (4).
Czułość Rx (dB) – Maks.. Moc nadajnika (dB) (4)
Przykład obliczenia bilansu przesyłu mocy LoRaWAN:
Moc nadawania = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (bramy w sieciach LoRaWAN mają niższe wartości NF)
SNR = -20 (dla SF = 12)
Te liczby wpisane we wzorze (3) skutkować czułością Rx -137 dBm
Czułość Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Bilans przesyłu mocy można następnie obliczyć w następujący sposób, korzystając ze wzoru (4):
bilans transmisji mocy = -137dB – 14dB = -151dB
Z określonymi wartościami, bilans transmisji mocy w zakresie LoRaWAN wynosi 151 dB, dzięki czemu może pokonywać odległości do 800 km w optymalnych warunkach (czyste tłumienie wolnej przestrzeni). Asortyment LoRaWAN to 702 km na rekordzie świata.
Oczywiście, te idealne wartości nie są osiągane w rzeczywistych warunkach. Kilka czynników ma tutaj kluczowe znaczenie.
Czynniki wpływające na zasięg LoRaWAN
Współczynnik tłumienia wolnej przestrzeni
Podwajając dystans, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, więc tłumienie propagacji radiowej jest zgodne z funkcją logarytmiczną (patrz wzór poniżej).
Poza stratami energii spowodowanymi zasięgiem LoRaWAN, odbicie i załamanie fal radiowych na przedmiotach może również powodować nakładanie się fal radiowych.
Współczynnik tłumienia strukturalnego
Współczynnik tłumienia strukturalnego Tłumienie strukturalne, to znaczy, tłumienie sygnałów radiowych przechodzących przez różne przeszkody,, wpływa na odbiór transmitowanych sygnałów i zapewnia znaczne zmniejszenie zasięgu sygnału. Na przykład, tłumienie szkła wynosi tylko 2dB. Wpływa to znacznie mniej niż betonowa ściana 30 centymetry grubości. Poniższa tabela przedstawia różne materiały i ich typowe tłumienie.
Współczynnik strefy Fresnela
Jeśli chcesz skutecznie pokonywać duże odległości i uzyskać dobrą równowagę transmisji mocy, ważne jest, aby ustawić jak najdalej w linii prostej między nadajnikiem a odbiornikiem. Niektóre obszary przestrzeni pomiędzy liniami widzenia transmisji radiowej są obszarami Fresnela. Negatywny wpływ na propagację fal będzie mieć obiekty znajdujące się w tych obszarach, pomimo zwykłego kontaktu wzrokowego między antenami nadawczymi i odbiorczymi. Dla każdego przedmiotu w pasie Fresnela, spada poziom sygnału i zmniejsza się zasięg LoRaWAN (patrz rysunek).
Anteny dookólne to powszechna technologia stosowana w sieciach z zakresu LoRaWAN. Zatem, energia promieniowana dyfunduje do płaszczyzny poziomej i tam znajdują się węzły sieci i bramy. W Europie, Moc transmisji w paśmie ISM jest ograniczona do 14 dBm przy 868mhz. 2.15 dBi to maksymalny zysk anteny.
Współczynnik rozrzutu
W sieciach LoRaWAN, specyficzne ustawienie szybkości transmisji danych wykorzystuje współczynniki rozproszenia (SF). Sieć LoRaWAN wykorzystuje SF7 do SF12. Ze względu na ćwierkaną modulację widma rozproszonego i różne częstotliwości przesunięcia fazowego używane w chirp, sieć LoRaWAN jest niewrażliwa na zakłócenia, wielościeżkowa propagacja i zanikanie. W sieciach z zakresu LoRaWAN, strona Tx używa chirp do kodowania danych, podczas gdy strona Rx używa odwrotnego chirpu do dekodowania sygnałów. Ile ćwierkania jest używanych na sekundę, powyżej przedstawiono definicję przepływności i ilości energii wypromieniowanej przez każdy symbol oraz możliwy do osiągnięcia zakres LoRaWAN. Na przykład, przepływność SF9 jest czterokrotnie wolniejsza niż SF7, co można osiągnąć dzięki skalowalności LoRaWAN. Im wolniejszy bitrate, im wyższa energia i większy zakres każdego zestawu danych.
Podsumowanie współczynników zasięgu LoRaWAN
Wyrównanie transportu odnosi się do maksymalnego zasięgu transmisji sieci LoRaWAN.
Zakres wpływu tłumienia w wolnej przestrzeni. Podwajając dystans, tłumienie w wolnej przestrzeni wzrasta o 6dB.
Odbicie i załamanie fal radiowych od przeszkód i podłoża wpływa na poziom i zasięg sygnału. W sieciach LoRaWAN, jeden koniec łącza radiowego jest zwykle blisko ziemi.
Poziom sygnału po stronie Rx zostanie zmieniony w pierwszym Fresnelu, a odległość zostanie skrócona.
Wartość SF i zasięg nadajnika zależą od warunków propagacji. Zakres LoRaWAN umożliwia automatyczne zarządzanie siecią, używanie ADR do regulacji zasięgu nadajników. Stosunek sygnału do szumu (SNR), współczynnik hałasu (NF) i przepustowość (BW) wpłynie na czułość Rx.
Jak zwiększyć zasięg LoRa i LoRaWAN
W celu poprawy zasięgu sieci w technologii LoRaWAN, należy zwrócić uwagę na następujące punkty:
Lokalizacja bramy: Ustanawia widoczność między antenami Tx i Rx. Zwiększ wysokość anten, aby poprawić widoczność między antenami. Anteny nadają się do użytku na zewnątrz, a nie w pomieszczeniach.
Wybór anteny: Klasyczne anteny w kształcie pręta koncentrują energię w płaszczyźnie poziomej. Unikaj przeszkód w pobliżu anteny. Także, powinny być zawsze dołączone do kolumny, nie z boku budynku. Zasięg należy zwiększyć, jeśli antena jest starannie dobrana i zoptymalizowana pod kątem polaryzacji anteny i maksymalnego zdefiniowanego zysku anteny.
Wybierz materiały łączące: używaj wysokiej jakości wtyczek (Wtyczki N) i kable (LMR 400 lub odpowiednik, strata mniejsza niż 1.5 za 100 dB). W celu zmniejszenia utraty materiału łączącego, ważne jest również, aby połączenia między stacjami i antenami były jak najkrótsze.
Ogólnie, jak opisano w tym artykule, Bramki LoRaWAN powinny być zainstalowane w celu zapewnienia odpowiedniej ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej.
