Quais são os fatores que afetam o alcance LoRaWAN

This blog post describes the range of physical properties of wireless networks – especially the LoRaWAN range. A informação apresentada suporta o processo de planeamento e a avaliação de casos de uso de LoRaWAN.

We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, e avaliar exemplos de medições independentes do mundo real.

Critérios para descrever uma rede em tecnologia de rádio

Existem basicamente três características que podem ser usadas para descrever uma rede em tecnologia de rádio:

• 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: por exemplo, LoRaWAN pode transmitir dados por longas distâncias com relativamente pouca energia, mas com taxas de dados muito baixas.

WiFi e Bluetooth podem atingir altas taxas de dados, mas o consumo de energia é relativamente alto e o alcance é pequeno. Todos os usuários de smartphones estão muito familiarizados com essa fome de energia. As estações base das grandes operadoras de telecomunicações fornecem altas taxas de dados e distâncias relativamente longas, mas devem fornecer muita energia para isso. Portanto, a fonte de alimentação é um fator importante em tais instalações.

O equilíbrio da transmissão de energia

O equilíbrio de transmissão de potência indica a qualidade do canal de transmissão de rádio. Adicionando potência de transmissão (potência do transmissor, Tx), sensibilidade do receptor (poder do receptor, Rx), ganho da antena, e perda de caminho de espaço livre (FSPL),pode ser calculado.

LoRaWAN calcula o equilíbrio de transmissão de energia.
A perda de caminho representará a quantidade de energia perdida no espaço livre ao longo de uma distância entre Tx e Rx. Quanto mais longe o Tx está do Rx, quanto menor é a energia. A perda de caminho é geralmente expressa como :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) Onde:

FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / c) 2 (1)

Onde significa:

FSPL = Perda do Caminho do Espaço Livre
d = distância entre Tx e Rx em metros
f = frequência em Hertz

Há também uma fórmula logarítmica amplamente usada para atenuação de espaço livre :FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147.55 (2)

Duas vezes a distância (d) significa uma perda de 6dB.

Na ponta receptora (Rx), a sensibilidade da extremidade receptora é o tamanho que afeta o equilíbrio da transmissão de energia. A sensibilidade Rx descreve a potência recebida mínima possível e a tolerância a ruído térmico:
Sensibilidade Rx = -174 + 10log10 (BW) + NF + SNR (3)

Onde significa:
BW = largura de banda em Hz,
NF = fator de ruído em dB,
SNR = relação sinal-ruído. Diz a que distância está o sinal
deve mentir com o barulho.

LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. O caso extremo de perda de caminho sem considerar o ganho da antena e outros tipos de atenuação de espaço livre: equilíbrio de transmissão de potência = Max foi representado na pergunta (4).
Sensibilidade Rx (dB) – Max. Potência Tx (dB) (4)

Um exemplo de cálculo de equilíbrio de transmissão de energia LoRaWAN:

Potência Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 dB (os gateways em redes LoRaWAN têm valores NF mais baixos)
SNR = -20 (para SF = 12)

Esses números inseridos na fórmula (3) resultar em uma sensibilidade Rx de -137 dBm

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

O equilíbrio de transmissão de potência pode então ser calculado da seguinte forma usando a fórmula (4):

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

Com os valores especificados, o equilíbrio de transmissão de potência da faixa LoRaWAN é 151 dB, para que possa superar distâncias de até 800 km em condições ideais (atenuação pura de espaço livre). O intervalo LoRaWAN é 702 km no recorde mundial.

Claro, esses valores ideais não são alcançados em condições reais. Vários fatores são essenciais neste.

Fatores que afetam o alcance LoRaWAN

• Fator de atenuação de espaço livre

Dobrando a distância, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, então a atenuação de propagação de rádio segue uma função logarítmica (veja a fórmula abaixo).

Além da perda de energia causada pelo intervalo LoRaWAN, reflexão e refração de ondas de rádio em objetos também podem fazer com que as ondas de rádio se sobreponham.

• Fator de amortecimento estrutural

Coeficiente de atenuação estrutural Atenuação estrutural, isso é, a atenuação dos sinais de rádio à medida que passam por diferentes obstáculos, afeta a recepção de sinais transmitidos e garante que o alcance do sinal seja bastante reduzido. Por exemplo, a atenuação do vidro é de apenas 2dB. Isso afeta muito menos do que uma parede de concreto 30 centímetros de espessura. A tabela abaixo mostra os vários materiais e sua atenuação típica.

• Fator de zona de Fresnel

É essencial estabelecer o máximo possível de linha de visão direta entre o transmissor e o receptor se você deseja cobrir longas distâncias com eficácia e obter um bom equilíbrio de transmissão de potência. Certas áreas de espaço entre as linhas de visão da transmissão de rádio são regiões de Fresnel. A propagação das ondas será afetada negativamente se houver objetos nestas áreas, apesar do contato visual usual entre as antenas de transmissão e recepção. Para cada objeto na faixa de Fresnel, o nível do sinal cai e a faixa LoRaWAN diminui (Veja a figura).

Antenas omnidirecionais é uma tecnologia comum para ser usada em redes de alcance LoRaWAN. Assim, a energia irradiada se difunde no plano horizontal e os nós da rede e os gateways estão localizados lá. Na Europa, A potência de transmissão da banda ISM é limitada a 14 dBm a 868mhz. 2.15 dBi é o ganho máximo da antena.

• Fator de espalhamento do fator

Em redes LoRaWAN, a configuração específica da taxa de transferência de dados usa fatores de dispersão (SF). A rede LoRaWAN usa SF7 a SF12. Devido à sua modulação de espectro espalhado chirped e as diferentes frequências de deslocamento de fase usadas no chirp, a rede LoRaWAN é insensível a interferências, propagação e desvanecimento multipercurso. Em redes de alcance LoRaWAN, o lado Tx usa chirp para codificar dados, enquanto o lado Rx usa chirp inverso para decodificar sinais. Quantos chirps são usados ​​por segundo, a definição da taxa de bits e a quantidade de energia irradiada por cada símbolo e a faixa LoRaWAN que pode ser alcançada foram representadas acima. Por exemplo, a taxa de bits do SF9 é quatro vezes mais lenta do que o SF7, o que pode ser alcançado pela escalabilidade do LoRaWAN. Quanto mais lenta a taxa de bits, quanto maior a energia e maior o intervalo de cada conjunto de dados.

Conclusão dos fatores de alcance LoRaWAN

A equalização de transporte se refere ao alcance máximo de transmissão da rede LoRaWAN.

Faixa de influência da atenuação do espaço livre. Dobrando a distância, a atenuação de espaço livre aumenta em 6dB.

A reflexão e a refração das ondas de rádio nos obstáculos e no solo afetam o nível e o alcance do sinal. Em redes LoRaWAN, uma extremidade de um link de rádio geralmente está perto do solo.

O nível do sinal no lado Rx será afetado no primeiro Fresnel e a distância será encurtada.

O valor SF e a faixa do transmissor dependem das condições de propagação. A faixa LoRaWAN permite o gerenciamento automático de rede, usando ADR para ajustar o alcance dos transmissores. A relação sinal-ruído (SNR), fator de ruído (NF) e largura de banda (BW) afetará a sensibilidade de Rx.

Como aumentar o alcance LoRa e LoRaWAN

A fim de melhorar a cobertura de rede da tecnologia LoRaWAN, os seguintes pontos devem ser observados:

Localização do gateway: Estabelece visibilidade entre as antenas Tx e Rx. Aumente a altura das antenas para melhorar a visibilidade entre as antenas. As antenas são adequadas para serem usadas ao ar livre em vez de dentro de casa.

Escolha da antena: Antenas em forma de haste clássicas concentram energia em um plano horizontal. Evite obstáculos perto da antena. Também, estes devem sempre ser anexados a uma coluna, não o lado do prédio. O alcance deve ser aumentado se a antena for cuidadosamente selecionada e otimizada para polarização da antena e ganho máximo definido da antena.

Escolha os materiais de conexão: use plugues de qualidade (Plugues N) e cabos (LMR 400 ou equivalente, perda menor que 1.5 por 100 dB). A fim de reduzir a perda de material de conexão, também é importante manter as conexões entre as estações e os comprimentos da antena o mais curtos possível.

Em geral, conforme descrito neste artigo, Os gateways de alcance LoRaWAN devem ser instalados para garantir a proteção adequada contra sobretensão e raios.