В этом сообщении в блоге описывается ряд физических свойств беспроводных сетей. – особенно линейка LoRaWAN. Представленная информация поддерживает процесс планирования и оценки примеры использования LoRaWAN.
Мы также объясним факторы, влияющие на радиус действия, и их взаимосвязь., и оцените примеры независимых измерений из реального мира.
Критерии описания сети в радиотехнике
В основном есть три характеристики, которые можно использовать для описания сети в радиотехнологии.:
• Диапазон
• Скорость передачи данных
• Потребление энергии
Трудно придать одинаковое значение всем трем критериям, потому что законы физики налагают на них четкие ограничения.: Например, LoRaWAN может передавать данные на большие расстояния с относительно небольшими затратами энергии., но при очень низких скоростях передачи данных.
Wi-Fi и Bluetooth могут обеспечить высокую скорость передачи данных, но потребляемая мощность относительно высока, а диапазон невелик. Все пользователи смартфонов слишком хорошо знакомы с этой жаждой энергии.. Базовые станции крупных операторов связи обеспечивают высокие скорости передачи данных и относительно большие расстояния, но для этого должны обеспечивать большое количество энергии.. Следовательно, источник питания является важным фактором в таких установках.
Баланс передачи мощности
Баланс передачи мощности указывает на качество канала радиопередачи.. Добавляя мощность передачи (мощность передатчика, Tx), чувствительность приемника (мощность приемника, Rx), усиление антенны, и потери на свободном пути (FSPL),это можно рассчитать.
LoRaWAN рассчитывает баланс передачи электроэнергии.
Потери на пути представляют собой количество энергии, потерянной в свободном пространстве на расстоянии между Tx и Rx.. Чем дальше Tx от Rx, чем ниже энергия. Потери на трассе обычно выражаются как :FSPL = (4πd / λ) 2 знак равно (4πdf / c) 2(1) куда:
FSPL = (4πd / λ) 2 знак равно (4πdf / c) 2 (1)
Где означает:
FSPL = потеря пути в свободном пространстве
d = расстояние между Tx и Rx в метрах
f = частота в герцах
Существует также широко используемая логарифмическая формула затухания в свободном пространстве. :FSPL (дБ) = 20log10 (d) + 20log10 (ж) -147.55 (2)
Вдвое большее расстояние (d) означает потерю 6 дБ.
На приемном конце (Rx), Чувствительность принимающей стороны - это размер, который влияет на баланс потери мощности. Чувствительность приемника описывает минимально возможную принимаемую мощность и допуск по тепловому шуму.:
Чувствительность Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
Где означает:
BW = полоса пропускания в Гц,
NF = коэффициент шума в дБ,
SNR = отношение сигнал / шум. Он сообщает, насколько далеко сигнал
должен лежать с шумом.
Rx LoRaWAN более чувствителен и, следовательно, лучше, чем WLAN. Крайний случай потерь на трассе без учета усиления антенны и других типов ослабления в свободном пространстве: баланс передачи мощности = Макс был представлен в предложении (4).
Чувствительность Rx (дБ) – Максимум. Мощность передачи (дБ) (4)
Пример расчета баланса передачи мощности LoRaWAN:
Мощность передачи = 14 дБм
BW = 125 кГц = 10log10 (125000) знак равно 51
NF = 6 дБ (шлюзы в сетях LoRaWAN имеют более низкие значения NF)
SNR = -20 (для SF = 12)
Эти числа введены в формулу (3) в результате чувствительность Rx -137 дБм
Чувствительность Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 знак равно -137 дБм
Затем баланс передачи электроэнергии можно рассчитать следующим образом по формуле (4):
баланс передачи мощности = -137 дБ – 14дБ = -151 дБ
С указанными значениями, баланс передачи мощности диапазона LoRaWAN составляет 151 дБ, поэтому он может преодолевать расстояния до 800 км в оптимальных условиях (чистое затухание в свободном пространстве). Диапазон LoRaWAN 702 км при мировом рекорде.
Конечно, эти идеальные значения не достигаются в реальных условиях. При этом необходимо учитывать несколько факторов..
Факторы, влияющие на радиус действия LoRaWAN
Коэффициент затухания в свободном пространстве
Удвоив расстояние, Затухание в свободном пространстве LoRaWAN увеличивается на 6 дБ, поэтому затухание при распространении радиоволн следует логарифмической функции (см. формулу ниже).
Помимо потерь энергии, вызванных диапазоном LoRaWAN, отражение и преломление радиоволн на объектах также может вызывать перекрытие радиоволн.
Структурный коэффициент демпфирования
Коэффициент структурного затухания Затухание конструкции, то есть, ослабление радиосигналов при прохождении через различные препятствия, влияет на прием передаваемых сигналов и обеспечивает значительное уменьшение дальности сигнала. Например, затухание в стекле составляет всего 2 дБ. Это влияет гораздо меньше, чем бетонная стена 30 сантиметры толщиной. В таблице ниже показаны различные материалы и их типичное затухание..
Фактор зоны Френеля
Если вы хотите эффективно преодолевать большие расстояния и получить хороший баланс передачи мощности, важно установить как можно более прямую линию видимости между передатчиком и приемником.. Определенные области пространства между линиями прямой видимости радиопередачи являются областями Френеля.. Если в этих областях будут находиться объекты, это отрицательно скажется на распространении волн., несмотря на обычный визуальный контакт между передающей и приемной антеннами. Для каждого объекта в поясе Френеля, уровень сигнала падает и диапазон LoRaWAN сужается (см. рисунок).
Всенаправленные антенны - распространенная технология, которая используется в сетях диапазона LoRaWAN.. Таким образом, излучаемая энергия диффундирует в горизонтальную плоскость, и там расположены сетевые узлы и шлюзы.. В Европе, Мощность передачи диапазона ISM ограничена 14 дБм при 868 МГц. 2.15 дБи - максимальное усиление антенны.
Фактор коэффициента распространения
В сетях LoRaWAN, конкретная настройка скорости передачи данных использует коэффициенты распространения (SF). Сеть LoRaWAN использует от SF7 до SF12. Из-за его модуляции с расширенным спектром и различных частот фазового сдвига, используемых в чирпе, сеть LoRaWAN нечувствительна к помехам, многолучевое распространение и замирание. В сетях диапазона LoRaWAN, сторона Tx использует chirp для кодирования данных, в то время как сторона Rx использует обратный щебет для декодирования сигналов. Сколько щебетаний используется в секунду, определение скорости передачи и количества энергии, излучаемой каждым символом, и диапазон LoRaWAN, который может быть достигнут, были представлены выше. Например, битрейт SF9 в четыре раза медленнее, чем SF7, что может быть достигнуто за счет масштабируемости LoRaWAN. Чем медленнее битрейт, чем выше энергия и больше диапазон каждого набора данных.
Вывод факторов дальности LoRaWAN
Транспортное выравнивание относится к максимальной дальности передачи сети LoRaWAN..
Диапазон влияния затухания в свободном пространстве. Удвоив расстояние, затухание в свободном пространстве увеличивается на 6 дБ.
Отражение и преломление радиоволн от препятствий и земли влияет на уровень и дальность действия сигнала.. В сетях LoRaWAN, один конец радиолинии обычно находится близко к земле.
На уровень сигнала на стороне Rx будет влиять первый сигнал Френеля, и расстояние будет сокращено..
Значение SF и дальность действия передатчика зависят от условий распространения.. Диапазон LoRaWAN позволяет автоматическое управление сетью, использование ADR для настройки диапазона передатчиков. Отношение сигнал шум (SNR), коэффициент шума (NF) и пропускная способность (BW) повлияет на чувствительность Rx.
Как увеличить радиус действия LoRa и LoRaWAN
В целях улучшения покрытия сети технологии LoRaWAN, необходимо отметить следующие моменты:
Расположение шлюза: Устанавливает видимость между антеннами Tx и Rx. Увеличьте высоту антенн, чтобы улучшить видимость между антеннами.. Антенны подходят для использования на открытом воздухе, а не в помещении..
Выбор антенны: Классические стержневые антенны концентрируют энергию в горизонтальной плоскости.. Избегайте препятствий возле антенны. Также, они всегда должны быть прикреплены к столбцу, не сторона здания. Дальность должна быть увеличена, если антенна тщательно выбрана и оптимизирована для поляризации антенны и максимального определенного усиления антенны..
Выбираем соединительные материалы: используйте качественные пробки (N-заглушки) и кабели (LMR 400 или эквивалент, потеря меньше чем 1.5 на 100 дБ). Чтобы уменьшить потерю соединительного материала, также важно, чтобы соединения между станциями и антенны были как можно короче..
В основном, как указано в этой статье, Шлюзы диапазона LoRaWAN должны быть установлены для обеспечения соответствующей защиты от перенапряжения и молнии..
