Questo post sul blog descrive la gamma di proprietà fisiche delle reti wireless – in particolare la gamma LoRaWAN. Le informazioni presentate supportano il processo di pianificazione e la valutazione di casi d'uso di LoRaWAN.
We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, e valutare esempi di misurazioni indipendenti dal mondo reale.
Criteri per descrivere una rete in tecnologia radio
Ci sono fondamentalmente tre caratteristiche che possono essere utilizzate per descrivere una rete in tecnologia radio:
• 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: Per esempio, LoRaWAN può trasmettere dati su lunghe distanze con relativamente poca energia, ma a velocità di trasmissione dati molto basse.
WiFi e Bluetooth possono raggiungere velocità di trasmissione dati elevate, ma il consumo di energia è relativamente alto e la gamma è piccola. Tutti gli utenti di smartphone conoscono fin troppo bene questa fame di energia. Le stazioni base dei grandi operatori di telecomunicazioni forniscono velocità dati elevate e distanze relativamente lunghe, ma devono fornire molta energia per farlo. Perciò, l'alimentazione è un fattore importante in tali installazioni.
L'equilibrio della trasmissione di potenza
Il bilancio della trasmissione di potenza indica la qualità del canale di trasmissione radio. Aggiungendo potenza di trasmissione (potenza del trasmettitore, Tx), sensibilità del ricevitore (potenza del ricevitore, Rx), guadagno dell'antenna, e perdita del percorso dello spazio libero (FSPL),si può calcolare.
LoRaWAN calcola il bilancio della trasmissione di potenza.
La perdita di percorso rappresenterà la quantità di energia persa nello spazio libero su una distanza tra Tx e Rx. Il più lontano Tx è da Rx, più bassa è l'energia. La perdita di percorso è solitamente espressa come :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) dove:
FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / C) 2 (1)
dove significa:
FSPL = Perdita del percorso dello spazio libero
d = distanza tra Tx e Rx in metri
f = frequenza in Hertz
Esiste anche una formula logaritmica ampiamente utilizzata per l'attenuazione dello spazio libero :FSPL (dB) = 20log10 (D) + 20log10 (F) -147.55 (2)
Il doppio della distanza (D) significa una perdita di 6dB.
Alla fine della ricezione (Rx), la sensibilità dell'estremità ricevente è la dimensione che influenza l'equilibrio della tansimissione di potenza. La sensibilità Rx descrive la potenza ricevuta minima possibile e la tolleranza al rumore termico:
Sensibilità Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)
dove significa:
BW = larghezza di banda in Hz,
NF = fattore di rumore in dB,
SNR = rapporto segnale/rumore. Indica quanto è lontano il segnale
deve giacere con il rumore.
LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. Il caso estremo di perdita di percorso senza considerare il guadagno dell'antenna e altri tipi di attenuazione dello spazio libero: bilanciamento della trasmissione di potenza = Max è stato rappresentato nella quotazione (4).
Sensibilità Rx (dB) – Max. Potenza Tx (dB) (4)
Un esempio di calcolo di un equilibrio di trasmissione di potenza LoRaWAN:
Potenza Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (i gateway nelle reti LoRaWAN hanno valori NF inferiori)
SNR = -20 (per SF = 12)
Questi numeri inseriti nella formula (3) comporta una sensibilità Rx di -137 dBm
Sensibilità Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Il bilancio della trasmissione di potenza può quindi essere calcolato come segue utilizzando la formula (4):
bilanciamento della trasmissione di potenza = -137dB – 14dB = -151dB
Con i valori specificati, il bilanciamento della trasmissione di potenza della gamma LoRaWAN è 151 dB, in modo che possa superare distanze fino a 800 km in condizioni ottimali (pura attenuazione dello spazio libero). La gamma LoRaWAN è 702 km al record del mondo.
Certo, questi valori ideali non sono raggiunti in condizioni reali. Diversi fattori sono essenziali su questo.
Fattori che influenzano la gamma LoRaWAN
Fattore di attenuazione dello spazio libero
Raddoppiando la distanza, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, quindi l'attenuazione della propagazione radio segue una funzione logaritmica (vedi Formula sotto).
Oltre alla perdita di energia causata dalla gamma LoRaWAN, la riflessione e la rifrazione delle onde radio sugli oggetti possono anche causare la sovrapposizione delle onde radio.
Fattore di smorzamento strutturale
Coefficiente di attenuazione strutturale Attenuazione strutturale, questo è, l'attenuazione dei segnali radio mentre attraversano diversi ostacoli, influisce sulla ricezione dei segnali trasmessi e garantisce che la gamma del segnale sia notevolmente ridotta. Per esempio, l'attenuazione del vetro è di soli 2dB. Questo colpisce molto meno di un muro di cemento 30 centimetri di spessore. La tabella seguente mostra i vari materiali e la loro tipica attenuazione.
Fattore di zona di Fresnel
È essenziale stabilire la maggior linea di vista possibile tra trasmettitore e ricevitore se si desidera coprire efficacemente lunghe distanze e ottenere un buon bilanciamento della trasmissione di potenza. Alcune aree dello spazio tra le linee di vista della trasmissione radio sono regioni di Fresnel. La propagazione delle onde sarà influenzata negativamente Se ci sono oggetti in queste aree, nonostante il consueto contatto visivo tra le antenne trasmittente e ricevente. Per ogni oggetto nella cintura di Fresnel, il livello del segnale scende e la gamma LoRaWAN si riduce (Guarda la figura).
Le antenne omnidirezionali sono una tecnologia comune da utilizzare nelle reti della gamma LoRaWAN. così, l'energia irradiata si diffonde nel piano orizzontale e lì si trovano i nodi della rete e i gateway. In Europa, La potenza di trasmissione della banda ISM è limitata a 14 dBm a 868 mhz. 2.15 dBi è il guadagno massimo dell'antenna.
Fattore di diffusione del fattore
Nelle reti LoRaWAN, l'impostazione specifica della velocità di trasferimento dei dati utilizza i fattori di diffusione (SF). La rete LoRaWAN utilizza da SF7 a SF12. Grazie alla sua modulazione a spettro diffuso cinguettio e alle diverse frequenze di sfasamento utilizzate nel chirp, la rete LoRaWAN è insensibile alle interferenze, propagazione e dissolvenza multipercorso. Nelle reti della gamma LoRaWAN, il lato Tx usa chirp per codificare i dati, mentre il lato Rx utilizza il chirp inverso per decodificare i segnali. Quanti cinguettii vengono utilizzati al secondo, la definizione del bit rate e della quantità di energia irradiata da ciascun simbolo e l'intervallo LoRaWAN che può essere raggiunto sono stati rappresentati sopra. Per esempio, il bit rate di SF9 è quattro volte più lento di SF7, che può essere raggiunto dalla scalabilità di LoRaWAN. Più lento è il bitrate, maggiore è l'energia e maggiore è l'intervallo di ciascun set di dati.
Conclusione dei fattori di gamma LoRaWAN
L'equalizzazione del trasporto si riferisce al raggio di trasmissione massimo della rete LoRaWAN.
Intervallo di influenza dell'attenuazione dello spazio libero. Raddoppiando la distanza, l'attenuazione dello spazio libero aumenta di 6dB.
La riflessione e la rifrazione delle onde radio sugli ostacoli e sul terreno influenzano il livello e la portata del segnale. Nelle reti LoRaWAN, un'estremità di un collegamento radio è solitamente vicina al suolo.
Il livello del segnale sul lato Rx sarà influenzato nel primo Fresnel e la distanza sarà ridotta.
Il valore SF e la portata del trasmettitore dipendono dalle condizioni di propagazione. La gamma LoRaWAN consente la gestione automatica della rete, utilizzando l'ADR per regolare la portata dei trasmettitori. Rapporto segnale-rumore (SNR), fattore di rumore (NF) e larghezza di banda (BW) influenzerà la sensibilità Rx.
Come aumentare la gamma LoRa e LoRaWAN
Al fine di migliorare la copertura di rete della tecnologia LoRaWAN, i seguenti punti devono essere annotati:
Posizione del gateway: Stabilisce la visibilità tra le antenne Tx e Rx. Aumentare l'altezza delle antenne per migliorare la visibilità tra le antenne. Le antenne sono adatte per essere utilizzate all'aperto piuttosto che al chiuso.
Scelta dell'antenna: Le classiche antenne a bastoncino concentrano l'energia su un piano orizzontale. Evitare ostacoli vicino all'antenna. Anche, questi dovrebbero essere sempre attaccati a una colonna, non il lato dell'edificio. La portata dovrebbe essere aumentata se l'antenna è accuratamente selezionata e ottimizzata per la polarizzazione dell'antenna e il guadagno massimo definito dell'antenna.
Scegli i materiali di collegamento: usa spine di qualità (N-tappi) e cavi (LMR 400 o equivalente, perdita inferiore a 1.5 per 100 dB). Al fine di ridurre la perdita di materiale di collegamento, è anche importante mantenere i collegamenti tra le stazioni e le lunghezze delle antenne il più brevi possibile.
Generalmente, come descritto in questo articolo, I gateway della gamma LoRaWAN devono essere installati per garantire un'adeguata protezione da sovratensione e fulmini.
