Bài đăng trên blog này mô tả phạm vi thuộc tính vật lý của mạng không dây – đặc biệt là phạm vi LoRaWAN. Thông tin được trình bày hỗ trợ quá trình lập kế hoạch và đánh giá trường hợp sử dụng của LoRaWAN.
Chúng tôi cũng sẽ giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến phạm vi vô tuyến và mối quan hệ của chúng, và đánh giá các ví dụ về các phép đo độc lập từ thế giới thực.
Tiêu chí mô tả mạng trong kỹ thuật vô tuyến
Về cơ bản có ba đặc điểm có thể được sử dụng để mô tả một mạng trong công nghệ vô tuyến:
• Phạm vi
• Tốc độ truyền dữ liệu
• Tiêu thụ năng lượng
Thật khó để đặt tầm quan trọng như nhau trên cả ba tiêu chí vì các định luật vật lý có giới hạn rõ ràng về điều này: Ví dụ, LoRaWAN có thể truyền dữ liệu trên một khoảng cách xa với năng lượng tương đối ít, nhưng với tốc độ dữ liệu rất thấp.
WiFi và Bluetooth có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao, nhưng điện năng tiêu thụ tương đối cao và phạm vi nhỏ. Tất cả người dùng điện thoại thông minh chỉ quá quen thuộc với cơn đói năng lượng này. Các trạm cơ sở của các nhà khai thác viễn thông lớn cung cấp tốc độ dữ liệu cao và khoảng cách tương đối dài nhưng phải cung cấp nhiều năng lượng để làm như vậy. Vì vậy, nguồn điện là một yếu tố quan trọng trong việc cài đặt như vậy.
Sự cân bằng truyền lực
Sự cân bằng truyền công suất cho biết chất lượng của kênh truyền vô tuyến. Bằng cách thêm công suất truyền (công suất máy phát, Tx), độ nhạy máy thu (nguồn thu, Rx), ăng-ten, và mất không gian trống đường dẫn (FSPL),nó có thể được tính toán.
LoRaWAN tính toán cân bằng truyền tải điện.
Suy hao đường dẫn sẽ đại diện cho lượng năng lượng bị mất trong không gian trống trên một khoảng cách giữa Tx và Rx. Tx càng xa Rx, năng lượng càng thấp. Mất đường dẫn thường được biểu thị bằng :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / c) 2(1) ở đâu:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / NS) 2 (1)
Ở đâu có nghĩa là:
FSPL = Mất đường dẫn dung lượng trống
d = khoảng cách giữa Tx và Rx tính bằng mét
f = tần số tính bằng Hertz
Ngoài ra còn có một công thức logarit được sử dụng rộng rãi cho sự suy giảm không gian tự do :FSPL (dB) = 20log10 (NS) + 20log10 (NS) -147.55 (2)
Gấp đôi khoảng cách (NS) có nghĩa là mất 6dB.
Khi kết thúc nhận (Rx), độ nhạy của đầu nhận là kích thước ảnh hưởng đến sự cân bằng bức xạ công suất. Độ nhạy Rx mô tả công suất nhận được tối thiểu có thể có và khả năng chịu tiếng ồn nhiệt:
Độ nhạy Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
Ở đâu có nghĩa là:
BW = băng thông tính bằng Hz,
NF = hệ số tiếng ồn tính bằng dB,
SNR = tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Nó cho biết tín hiệu khoảng bao xa
phải nói dối với tiếng ồn.
LoRaWAN’s Rx nhạy hơn và do đó tốt hơn WLAN. Trường hợp cực đại của suy hao đường dẫn mà không tính đến độ lợi của ăng-ten và các loại suy hao trong không gian tự do khác: cân bằng truyền tải điện = Max đã được biểu diễn trong câu hỏi (4).
Độ nhạy Rx (dB) – Max. Năng lượng TX (dB) (4)
Ví dụ về tính toán cân bằng truyền tải điện LoRaWAN:
Công suất Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (các cổng trong mạng LoRaWAN có giá trị NF thấp hơn)
SNR = -20 (cho SF = 12)
Những số này được nhập vào công thức (3) dẫn đến độ nhạy Rx là -137 dBm
Độ nhạy Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Cân bằng truyền tải điện sau đó có thể được tính như sau bằng công thức (4):
cân bằng truyền lực = -137dB – 14dB = -151dB
Với các giá trị được chỉ định, cân bằng truyền tải công suất phạm vi LoRaWAN là 151 dB, vì vậy nó có thể vượt qua khoảng cách lên đến 800 km trong điều kiện tối ưu (sự suy giảm không gian trống thuần túy). Phạm vi LoRaWAN là 702 km đạt kỷ lục thế giới.
Tất nhiên, những giá trị lý tưởng này không đạt được trong điều kiện thực tế. Một số yếu tố cần thiết về điều này.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phạm vi LoRaWAN
Hệ số suy giảm không gian trống
Bằng cách tăng gấp đôi khoảng cách, Độ suy giảm dung lượng trống của LoRaWAN tăng thêm 6dB, vì vậy sự suy giảm lan truyền vô tuyến tuân theo một hàm logarit (xem Công thức bên dưới).
Bên cạnh sự mất mát năng lượng do phạm vi LoRaWAN gây ra, sự phản xạ và khúc xạ của sóng vô tuyến trên các vật thể cũng có thể làm cho sóng vô tuyến chồng lên nhau.
Hệ số giảm chấn kết cấu
Hệ số suy giảm kết cấu Suy hao kết cấu, đó là, sự suy giảm của tín hiệu vô tuyến khi chúng đi qua các chướng ngại vật khác nhau, ảnh hưởng đến việc tiếp nhận các tín hiệu đã truyền và đảm bảo rằng phạm vi tín hiệu bị giảm đáng kể. Ví dụ, độ suy giảm của kính chỉ là 2dB. Điều này ảnh hưởng ít hơn nhiều so với một bức tường bê tông 30 dày cm. Bảng dưới đây cho thấy các vật liệu khác nhau và sự suy giảm điển hình của chúng.
Yếu tố vùng kênh
Điều cần thiết là phải thiết lập càng nhiều đường thẳng giữa máy phát và máy thu càng tốt nếu bạn muốn bao phủ khoảng cách xa một cách hiệu quả và có được sự cân bằng truyền tải điện năng tốt. Các vùng không gian nhất định giữa các đường ngắm của đường truyền vô tuyến là vùng Fresnel. Sự lan truyền của sóng sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực Nếu có các vật thể trong các khu vực này, bất chấp sự tiếp xúc trực quan thông thường giữa ăng-ten truyền và nhận. Đối với mỗi đối tượng trong vành đai Fresnel, mức tín hiệu giảm xuống và phạm vi LoRaWAN thu hẹp (xem hình).
Ăng-ten đa hướng là công nghệ phổ biến được sử dụng trong các mạng dải LoRaWAN. Như vậy, năng lượng bức xạ khuếch tán vào mặt phẳng nằm ngang và các nút mạng và cổng kết nối nằm ở đó. Ở châu Âu, Công suất truyền băng tần ISM được giới hạn ở 14 dBm ở 868mhz. 2.15 dBi là độ lợi ăng ten tối đa.
Yếu tố lan truyền yếu tố
Trong mạng LoRaWAN, cài đặt cụ thể của tốc độ truyền dữ liệu sử dụng Yếu tố lây lan (SF). Mạng LoRaWAN sử dụng SF7 đến SF12. Do điều chế trải phổ chirped của nó và các tần số dịch pha khác nhau được sử dụng trong chirp, mạng LoRaWAN không nhạy cảm với sự can thiệp, lan truyền đa đường và làm mờ dần. Trong các mạng phạm vi LoRaWAN, phía Tx sử dụng chirp để mã hóa dữ liệu, trong khi phía Rx sử dụng chirp nghịch đảo để giải mã tín hiệu. Có bao nhiêu tiếng kêu được sử dụng mỗi giây, định nghĩa về tốc độ bit và lượng năng lượng được phát ra bởi mỗi ký hiệu và phạm vi LoRaWAN có thể đạt được đã được trình bày ở trên. Ví dụ, tốc độ bit của SF9 chậm hơn bốn lần so với SF7, điều này có thể đạt được nhờ khả năng mở rộng của LoRaWAN. Tốc độ bit càng chậm, năng lượng càng cao và phạm vi của mỗi tập dữ liệu càng lớn.
Kết luận về các yếu tố phạm vi LoRaWAN
Cân bằng truyền tải đề cập đến phạm vi truyền tối đa của mạng LoRaWAN.
Phạm vi ảnh hưởng của khoảng suy giảm không gian trống. Bằng cách tăng gấp đôi khoảng cách, sự suy giảm không gian trống tăng 6dB.
Sự phản xạ và khúc xạ của sóng vô tuyến trên chướng ngại vật và mặt đất ảnh hưởng đến mức và phạm vi của tín hiệu. Trong mạng LoRaWAN, một đầu của liên kết vô tuyến thường gần mặt đất.
Mức tín hiệu ở phía Rx sẽ bị ảnh hưởng trong Fresnel đầu tiên và khoảng cách sẽ bị rút ngắn.
Giá trị SF và phạm vi phát phụ thuộc vào điều kiện lan truyền. Phạm vi LoRaWAN cho phép quản lý mạng tự động, sử dụng ADR để điều chỉnh phạm vi của máy phát. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), yếu tố tiếng ồn (NF) và băng thông (BW) sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy Rx.
Cách tăng phạm vi LoRa và LoRaWAN
Để cải thiện phạm vi phủ sóng mạng của công nghệ LoRaWAN, những điểm sau đây phải được lưu ý:
Vị trí cửa ngõ: Thiết lập khả năng hiển thị giữa các ăng-ten Tx và Rx. Tăng chiều cao của ăng-ten để cải thiện khả năng hiển thị giữa các ăng-ten. Anten thích hợp để sử dụng ở ngoài trời hơn là trong nhà.
Lựa chọn ăng-ten: Ăng ten hình que cổ điển tập trung năng lượng trên một mặt phẳng nằm ngang. Tránh chướng ngại vật gần ăng-ten. Cũng, những thứ này phải luôn được gắn vào một cột, không phải mặt bên của tòa nhà. Phạm vi phải được tăng lên nếu ăng ten được lựa chọn cẩn thận và tối ưu hóa cho phân cực ăng ten và độ lợi ăng ten xác định tối đa.
Chọn vật liệu kết nối: sử dụng phích cắm chất lượng (N-phích cắm) và dây cáp (LMR 400 hoặc tương đương, mất ít hơn 1.5 mỗi 100 dB). Để giảm sự mất mát của vật liệu kết nối, điều quan trọng là giữ cho kết nối giữa các trạm và độ dài ăng ten càng ngắn càng tốt.
Nói chung, như được nêu trong bài viết này, Các cổng phạm vi LoRaWAN nên được lắp đặt để đảm bảo chống quá áp và chống sét đầy đủ.