这篇博文描述了无线网络的物理特性范围 – 特别是 LoRaWAN 系列. 提供的信息支持规划过程和评估 LoRaWAN 的用例.
We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, 并评估来自现实世界的独立测量示例.
描述无线电技术网络的标准
基本上可以使用三个特征来描述无线电技术中的网络:
• 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: 例如, LoRaWAN 可以用相对较少的能量长距离传输数据, 但以非常低的数据速率.
WiFi和蓝牙可以实现高数据速率, 但是功耗比较高，范围小. 所有智能手机用户都非常熟悉这种对能量的渴望. 大型电信运营商的基站提供高数据速率和相对较长的距离，但必须提供大量能量才能做到这一点. 所以, 电源是此类安装中的一个重要因素.
电力传输平衡
功率传输平衡指示无线电传输通道的质量. 通过增加发射功率 (发射功率, 发送), 接收器灵敏度 (接收器功率, 接收), 天线增益, 和自由空间路径损耗 (FSPL),可以计算.
LoRaWAN 计算电力传输平衡.
路径损耗将表示在 Tx 和 Rx 之间的距离内自由空间中损失的能量量. Tx离Rx越远, 能量越低. 路径损耗通常表示为 :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) 在哪里:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / C) 2 (1)
哪里意味着:
FSPL = 自由空间路径损耗
d = Tx 和 Rx 之间的距离（以米为单位）
f = 频率（赫兹）
还有一个广泛使用的自由空间衰减对数公式 :FSPL (D b) = 20log10 (d) + 20日志10 (F) -147.55 (2)
两倍的距离 (d) 表示损失 6dB.
在接收端 (接收), 接收端的灵敏度是影响功率传输平衡的大小. Rx 灵敏度描述了可能的最小接收功率和热噪声容限:
接收灵敏度 = -174 + 10日志10 (体重) + NF + 信噪比 (3)
哪里意味着:
BW = 带宽 (Hz),
NF = 以 dB 为单位的噪声因子,
SNR = 信噪比. 它告诉信号有多远
必须忍受噪音.
LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. 不考虑天线增益和其他类型的自由空间衰减的路径损耗的极端情况: 功率传输平衡= Max 已在公式中表示 (4).
接收灵敏度 (D b) – 最大限度. 发射功率 (D b) (4)
计算 LoRaWAN 功率传输平衡的示例:
发射功率 = 14 分贝
带宽 = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 D b (LoRaWAN 网络中的网关具有较低的 NF 值)
信噪比 = -20 (对于 SF = 12)
这些数字输入公式 (3) 导致 Rx 灵敏度为 -137 分贝
接收灵敏度 = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 分贝
然后可以使用公式如下计算电力传输平衡 (4):
功率传输平衡 = -137dB – 14分贝 = -151dB
使用指定值, LoRaWAN 范围电力传输平衡是 151 D b, 所以它可以克服高达 800 最佳条件下的公里数 (纯自由空间衰减). LoRaWAN 范围是 702 公里的世界纪录.
当然, 在实际条件下无法达到这些理想值. 有几个因素是必不可少的.
影响 LoRaWAN 范围的因素
自由空间衰减系数
通过加倍距离, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, 所以无线电传播衰减遵循对数函数 (见下面的公式).
除了 LoRaWAN 范围造成的能量损失, 无线电波在物体上的反射和折射也会导致无线电波重叠.
结构阻尼系数
结构衰减系数 结构衰减, 那是, 无线电信号通过不同障碍物时的衰减, 影响发射信号的接收，保证信号范围大大缩小. 例如, 玻璃衰减仅为2dB. 这影响远小于混凝土墙 30 厘米厚. 下表显示了各种材料及其典型衰减.
菲涅耳区系数
如果您想有效地覆盖长距离并获得良好的电力传输平衡，则必须在发射器和接收器之间建立尽可能多的直线视线. 无线电传输视线之间的某些空间区域是菲涅耳区域. 如果这些区域有物体，波的传播将受到负面影响, 尽管发射天线和接收天线之间通常有视觉接触. 对于菲涅耳带中的每个对象, 信号电平下降，LoRaWAN 范围缩小 (看图).
全向天线是 LoRaWAN 范围网络中使用的常用技术. 因此, 辐射能量扩散到水平面，网络节点和网关位于那里. 在欧洲, ISM 频段发射功率限制为 14 868mhz 时的 dBm. 2.15 dBi 是最大天线增益.
因子扩展因子
在 LoRaWAN 网络中, 数据传输速率的具体设置使用传播因子 (顺丰). LoRaWAN 网络使用 SF7 到 SF12. 由于其啁啾扩频调制和啁啾中使用的不同相移频率, LoRaWAN 网络对干扰不敏感, 多径传播和衰落. 在 LoRaWAN 范围网络中, Tx 端使用 chirp 对数据进行编码, 而 Rx 端使用反向 chirp 解码信号. 每秒使用多少啁啾, 比特率的定义和每个符号辐射的能量以及可以达到的LoRaWAN范围已经在上面表示了. 例如, SF9的比特率比SF7慢四倍，这可以通过LoRaWAN的可扩展性来实现. 比特率越慢, 每个数据集的能量越高，范围越大.
LoRaWAN 范围因素的结论
传输均衡是指 LoRaWAN 网络的最大传输范围.
自由空间衰减影响范围. 通过加倍距离, 自由空间衰减增加 6dB.
无线电波在障碍物和地面上的反射和折射影响信号的电平和范围. 在 LoRaWAN 网络中, 无线电链路的一端通常靠近地面.
Rx侧的信号电平会在第一个菲涅耳受到影响，距离会缩短.
SF 值和发射器范围取决于传播条件. LoRaWAN 范围允许自动网络管理, 使用 ADR 调整发射器的范围. 信噪比 (信噪比), 噪声系数 (NF) 和带宽 (体重) 会影响接收灵敏度.
如何增加 LoRa 和 LoRaWAN 范围
为了提高LoRaWAN技术的网络覆盖, 必须注意以下几点:
网关位置: 建立 Tx 和 Rx 天线之间的可见性. 增加天线高度以提高天线之间的可见度. 天线适合在室外使用而不是在室内使用.
天线选择: 经典的棒状天线将能量集中在水平面上. 避开天线附近的障碍物. 还, 这些应始终附加到列, 不是建筑物的一侧. 如果天线经过仔细选择并针对天线极化和最大定义的天线增益进行优化，则应增加范围.
选择连接材料: 使用优质插头 (N型插头) 和电缆 (LMR 400 或同等学历, 损失小于 1.5 每 100 D b). 为了减少连接材料的损失, 保持电台和天线长度之间的连接尽可能短也很重要.
一般来说, 如本文所述, 应安装 LoRaWAN 范围网关以确保足够的过压和防雷保护.
