Wat zijn de factoren die het LoRaWAN-bereik beïnvloeden

This blog post describes the range of physical properties of wireless networks – especially the LoRaWAN range. De gepresenteerde informatie ondersteunt het planningsproces en de beoordeling van use-cases van LoRaWAN.

We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, en voorbeelden van onafhankelijke metingen uit de echte wereld evalueren.

Criteria voor het beschrijven van een netwerk in radiotechnologie

Er zijn in principe drie kenmerken die kunnen worden gebruikt om een ​​netwerk in radiotechnologie te beschrijven:

• 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: bijvoorbeeld, LoRaWAN kan gegevens over lange afstanden verzenden met relatief weinig energie, maar tegen zeer lage gegevenssnelheden.

WiFi en Bluetooth kunnen hoge gegevenssnelheden bereiken, maar het stroomverbruik is relatief hoog en het bereik is klein. Alle smartphonegebruikers kennen deze honger naar energie maar al te goed. De basisstations van de grote telecomoperators bieden hoge datasnelheden en relatief lange afstanden, maar moeten daarvoor veel energie leveren. Daarom, de voeding is een belangrijke factor in dergelijke installaties.

De krachtoverbrengingsbalans:

De vermogensoverdrachtbalans geeft de kwaliteit van het radiotransmissiekanaal aan. Door zendvermogen toe te voegen (zendvermogen, Tx), gevoeligheid van de ontvanger (ontvanger vermogen, Rx), antenne winst, en verlies van vrije ruimte path (FSPL),het kan worden berekend.

LoRaWAN berekent de balans van de krachtoverbrenging.
Padverlies vertegenwoordigt de hoeveelheid energie die verloren gaat in de vrije ruimte over een afstand tussen Tx en Rx. Hoe verder weg Tx is van Rx, hoe lager de energie is. Padverlies wordt meestal uitgedrukt als :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) waar:

FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / C) 2 (1)

waar betekent::

FSPL = Verlies vrije ruimtepad
d = afstand tussen Tx en Rx in meters
f = frequentie in Hertz

Er is ook een veelgebruikte logaritmische formule voor demping van vrije ruimte :FSPL (dB) = 20log10 (NS) + 20log10 (F) -147.55 (2)

Twee keer de afstand (NS) betekent een verlies van 6dB.

Aan de ontvangende kant (Rx), de gevoeligheid van de ontvangende kant is de grootte die de balans van de vermogenstransmissie beïnvloedt. De Rx-gevoeligheid beschrijft het minimaal mogelijke ontvangen vermogen en de tolerantie voor thermische ruis:
Rx-gevoeligheid = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)

waar betekent::
BW = bandbreedte in Hz,
NF = ruisfactor in dB,
SNR = signaal-ruisverhouding. Het geeft aan hoe ver het signaal is
moet liggen met het lawaai.

LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. Het extreme geval van padverlies zonder rekening te houden met antenneversterking en andere soorten verzwakking van de vrije ruimte: krachtoverbrengingsbalans = Max is weergegeven in de quation (4).
Rx-gevoeligheid (dB) – Max. Tx macht (dB) (4)

Een voorbeeld van het berekenen van een LoRaWAN-vermogenstransmissiebalans:

Tx vermogen = 14 dBm
ZW = 125 KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (de gateways in LoRaWAN-netwerken hebben lagere NF-waarden)
SNR = -20 (voor SF = 12)

Deze getallen ingevoerd in formule (3) resulteren in een Rx-gevoeligheid van -137 dBm

Rx sensitivity = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm

De krachtoverbrengingsbalans kan dan als volgt worden berekend met behulp van formule: (4):

power transmission balance = -137dB – 14dB = -151dB

Met de opgegeven waarden, de krachtoverbrengingsbalans van het LoRaWAN-bereik is: 151 dB, zodat hij afstanden kan overbruggen tot 800 km onder optimale omstandigheden (pure demping van vrije ruimte). Het LoRaWAN-bereik is: 702 km op het wereldrecord.

Natuurlijk, deze ideale waarden worden niet bereikt onder reële omstandigheden. Verschillende factoren zijn hierbij essentieel.

Factoren die van invloed zijn op het LoRaWAN-bereik

• Vrije ruimte dempingsfactor

Door de afstand te verdubbelen, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, dus radiopropagatieverzwakking volgt een logaritmische functie (zie formule hieronder).

Afgezien van het energieverlies veroorzaakt door het LoRaWAN-bereik, reflectie en breking van radiogolven op objecten kunnen er ook voor zorgen dat radiogolven elkaar overlappen.

• Structurele dempingsfactor

Structurele dempingscoëfficiënt Structurele demping, dat is, de verzwakking van radiosignalen als ze door verschillende obstakels gaan, beïnvloedt de ontvangst van verzonden signalen en zorgt ervoor dat het signaalbereik sterk wordt verminderd. Bijvoorbeeld, de glasdemping is slechts 2dB. Dit beïnvloedt veel minder dan een betonnen muur 30 centimeter dik. Onderstaande tabel toont de verschillende materialen en hun typische demping.

• Fresnel-zonefactor

Het is essentieel om een ​​zo recht mogelijke zichtlijn tussen zender en ontvanger tot stand te brengen als u lange afstanden effectief wilt overbruggen en een goede balans van krachtoverbrenging wilt krijgen. Bepaalde ruimtegebieden tussen de zichtlijnen van de radiotransmissie zijn Fresnel-gebieden. De voortplanting van de golven wordt negatief beïnvloed Als er objecten in deze gebieden zijn, ondanks het gebruikelijke visuele contact tussen de zend- en ontvangstantennes. Voor elk object in de Fresnel-riem, het signaalniveau daalt en het LoRaWAN-bereik krimpt (zie figuur).

Omnidirectionele antennes is een veelgebruikte technologie voor gebruik in LoRaWAN-netwerken. Dus, uitgestraalde energie diffundeert in het horizontale vlak en de netwerkknooppunten en gateways bevinden zich daar. In Europa, Het zendvermogen van de ISM-band is beperkt tot: 14 dBm bij 868 MHz. 2.15 dBi is de maximale antenneversterking.

• Factor spreidingsfactor

In LoRaWAN-netwerken, de specifieke instelling van de gegevensoverdrachtsnelheid maakt gebruik van spreidingsfactoren (SF). Het LoRaWAN-netwerk gebruikt SF7 tot SF12. Vanwege de chirped spread spectrum modulatie en de verschillende faseverschuivingsfrequenties die worden gebruikt in de chirp, het LoRaWAN-netwerk is ongevoelig voor interferentie, multipath propagatie en fading. In LoRaWAN-netwerken, de Tx-kant gebruikt chirp om gegevens te coderen, terwijl de Rx-kant inverse chirp gebruikt om signalen te decoderen. Hoeveel chirps worden er per seconde gebruikt, de definitie van de bitsnelheid en de hoeveelheid energie die door elk symbool wordt uitgestraald en het LoRaWAN-bereik dat kan worden bereikt, zijn hierboven weergegeven. Bijvoorbeeld, de bitsnelheid van SF9 is vier keer langzamer dan die van SF7, wat kan worden bereikt door de schaalbaarheid van LoRaWAN. Hoe langzamer de bitsnelheid, hoe hoger de energie en hoe groter het bereik van elke dataset.

Conclusie van de LoRaWAN-bereikfactoren

Transportegalisatie verwijst naar het maximale transmissiebereik van het LoRaWAN-netwerk.

Vrije ruimte demping bereik van invloed. Door de afstand te verdubbelen, de demping van de vrije ruimte neemt toe met 6dB.

De reflectie en breking van radiogolven op obstakels en de grond beïnvloeden het niveau en het bereik van het signaal. In LoRaWAN-netwerken, het ene uiteinde van een radioverbinding is meestal dicht bij de grond.

Het signaalniveau aan de Rx-zijde wordt beïnvloed in de eerste Fresnel en de afstand wordt korter.

De SF-waarde en het zenderbereik zijn afhankelijk van de voortplantingsomstandigheden. LoRaWAN-assortiment maakt automatisch netwerkbeheer mogelijk, ADR gebruiken om het bereik van zenders aan te passen. Signaal - ruis verhouding (SNR), ruisfactor (NF) en bandbreedte (BW) zal de Rx-gevoeligheid beïnvloeden.

Hoe het LoRa- en LoRaWAN-bereik te vergroten

Om de netwerkdekking van LoRaWAN-technologie te verbeteren, de volgende punten moeten worden opgemerkt::

Gateway-locatie: Zorgt voor zichtbaarheid tussen Tx- en Rx-antennes. Verhoog de hoogte van antennes om de zichtbaarheid tussen antennes te verbeteren. Antennes zijn geschikt om buiten te worden gebruikt in plaats van binnen.

Antenne keuze: Klassieke staafvormige antennes concentreren energie op een horizontaal vlak. Vermijd obstakels in de buurt van de antenne. Ook, deze moeten altijd aan een kolom worden bevestigd, niet de zijkant van het gebouw. Het bereik moet worden vergroot als de antenne zorgvuldig is geselecteerd en geoptimaliseerd voor antennepolarisatie en maximaal gedefinieerde antenneversterking.

Kies verbindingsmaterialen: gebruik kwaliteitsstekkers (N-stekkers) en kabels (LMR 400 of gelijkwaardig, verlies minder dan 1.5 per 100 dB). Om het verlies van verbindingsmateriaal te verminderen, het is ook belangrijk om de verbindingen tussen stations en antennelengtes zo kort mogelijk te houden.

In het algemeen, zoals beschreven in dit artikel, Er moeten LoRaWAN-gateways worden geïnstalleerd om te zorgen voor voldoende overspannings- en bliksembeveiliging.