อะไรคือปัจจัยที่ส่งผลต่อช่วง LoRaWAN

This blog post describes the range of physical properties of wireless networks – especially the LoRaWAN range. ข้อมูลที่นำเสนอสนับสนุนกระบวนการวางแผนและการประเมินของ กรณีการใช้งานของ LoRaWAN.

We’ll also explain the factors affecting radio range and their relationships, และประเมินตัวอย่างการวัดอิสระจากโลกแห่งความเป็นจริง.

หลักเกณฑ์การอธิบายโครงข่ายทางเทคโนโลยีวิทยุ

มีลักษณะโดยทั่วไปสามประการที่สามารถใช้เพื่ออธิบายเครือข่ายในเทคโนโลยีวิทยุ:

• 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: ตัวอย่างเช่น, LoRaWAN สามารถส่งข้อมูลในระยะทางไกลด้วยพลังงานที่ค่อนข้างน้อย, แต่ด้วยอัตราการส่งข้อมูลที่ต่ำมาก.

WiFi และ Bluetooth สามารถบรรลุอัตราข้อมูลสูง, แต่การใช้พลังงานค่อนข้างสูงและช่วงมีขนาดเล็ก. ผู้ใช้สมาร์ทโฟนทุกคนคุ้นเคยกับความหิวโหยนี้มากเกินไป. สถานีฐานของผู้ให้บริการโทรคมนาคมรายใหญ่ให้อัตราข้อมูลสูงและระยะทางค่อนข้างไกล แต่ต้องให้พลังงานมากจึงจะทำเช่นนั้นได้. ดังนั้น, แหล่งจ่ายไฟเป็นปัจจัยสำคัญในการติดตั้งดังกล่าว.

ความสมดุลของการส่งกำลัง

ความสมดุลของการส่งกำลังบ่งบอกถึงคุณภาพของช่องสัญญาณวิทยุ. โดยเพิ่มกำลังส่ง (กำลังส่งสัญญาณ, Tx), ความไวของผู้รับ (กำลังรับ, Rx), เสาอากาศรับ, และการสูญเสียเส้นทางพื้นที่ว่าง (FSPL),สามารถคำนวณได้.

LoRaWAN คำนวณสมดุลการส่งกำลัง.
การสูญเสียเส้นทางจะแสดงปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในพื้นที่ว่างในระยะห่างระหว่าง Tx และ Rx. Tx ที่ห่างไกลจาก Rx, พลังงานที่ต่ำกว่าคือ. การสูญเสียเส้นทางมักจะแสดงเป็น :FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf/c) 2(1) ที่ไหน:

FSPL = (4πd / λ) 2 = (4πdf / ค) 2 (1)

ที่หมายถึง:

FSPL = การสูญเสียเส้นทางอวกาศฟรี
d = ระยะห่างระหว่าง Tx และ Rx เป็นเมตร
f = ความถี่ในหน่วยเฮิรตซ์

นอกจากนี้ยังมีสูตรลอการิทึมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการลดทอนพื้นที่ว่าง :FSPL (เดซิเบล) = 20log10 (NS) + 20บันทึก10 (NS) -147.55 (2)

ห่างกันสองเท่า (NS) หมายถึงการสูญเสีย6dB.

ที่จุดสิ้นสุดการรับ (Rx), ความไวของปลายรับคือขนาดที่ส่งผลต่อความสมดุลของพลังงานแทนซิมิชัน. ความไว Rx อธิบายพลังงานที่ได้รับขั้นต่ำและความทนทานต่อสัญญาณรบกวนจากความร้อน:
ความไว Rx = -174 + 10บันทึก10 (BW) + NF + SNR (3)

ที่หมายถึง:
BW = แบนด์วิดธ์เป็น Hz,
NF = ปัจจัยเสียงในdB,
SNR = อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน. มันบอกว่าสัญญาณอยู่ไกลแค่ไหน
ต้องนอนกับเสียง.

LoRaWAN’s Rx is more sensitive and therefore better than WLAN. กรณีสุดโต่งของการสูญเสียเส้นทางโดยไม่คำนึงถึงเกนของเสาอากาศและการลดทอนพื้นที่ว่างประเภทอื่น: ความสมดุลของการส่งกำลัง = Max ถูกแสดงใน quation (4).
ความไว Rx (เดซิเบล) – Max. พลัง Tx (เดซิเบล) (4)

ตัวอย่างการคำนวณสมดุลการส่งกำลัง LoRaWAN:

พลัง Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51
NF = 6 เดซิเบล (เกตเวย์ในเครือข่าย LoRaWAN มีค่า NF ต่ำกว่า)
SNR = -20 (สำหรับ SF = 12)

ตัวเลขเหล่านี้ป้อนในสูตร (3) ส่งผลให้มีความไว Rx ของ -137 dBm

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

สามารถคำนวณยอดดุลการส่งกำลังได้ดังนี้โดยใช้สูตร (4):

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

ด้วยค่าที่กำหนด, ความสมดุลของการส่งกำลังช่วง LoRaWAN คือ 151 เดซิเบล, จึงสามารถพิชิตระยะทางได้ถึง 800 กม. ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (การลดทอนพื้นที่ว่างบริสุทธิ์). ช่วง LoRaWAN คือ 702 กม.ที่สถิติโลก.

แน่นอน, ค่าอุดมคติเหล่านี้ไม่สามารถบรรลุได้ภายใต้สภาวะจริง. ปัจจัยหลายประการมีความสำคัญต่อสิ่งนี้.

ปัจจัยที่ส่งผลต่อช่วง LoRaWAN

• ปัจจัยการลดทอนพื้นที่ว่าง

โดยเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่า, LoRaWAN’s free-space attenuation increases by 6dB, ดังนั้นการลดทอนการแพร่กระจายคลื่นวิทยุจึงเป็นไปตามฟังก์ชันลอการิทึม (ดูสูตรด้านล่าง).

นอกจากการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากช่วง LoRaWAN, การสะท้อนและการหักเหของคลื่นวิทยุบนวัตถุอาจทำให้คลื่นวิทยุทับซ้อนกันได้.

• ปัจจัยการทำให้หมาด ๆ โครงสร้าง

ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของโครงสร้าง, นั่นคือ, การลดทอนสัญญาณวิทยุเมื่อผ่านสิ่งกีดขวางต่างๆ, ส่งผลต่อการรับสัญญาณที่ส่งและช่วยให้ช่วงสัญญาณลดลงอย่างมาก. ตัวอย่างเช่น, การลดทอนกระจกเพียง2dB. ส่งผลน้อยกว่าผนังคอนกรีตมาก 30 เซนติเมตรหนา. ตารางด้านล่างแสดงวัสดุต่างๆ และการลดทอนโดยทั่วไป.

• ปัจจัยโซนเฟรส

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำหนดแนวสายตาระหว่างตัวส่งและตัวรับให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากคุณต้องการครอบคลุมระยะทางไกลอย่างมีประสิทธิภาพและได้สมดุลการส่งกำลังที่ดี. พื้นที่บางพื้นที่ระหว่างเส้นสายตาของการส่งสัญญาณวิทยุคือบริเวณเฟรสเนล. การแพร่กระจายของคลื่นจะได้รับผลกระทบในทางลบ หากมีวัตถุในบริเวณเหล่านี้, แม้จะมีการสัมผัสทางสายตาตามปกติระหว่างเสาอากาศรับและส่งสัญญาณ. สำหรับแต่ละวัตถุในสายพาน Fresnel, ระดับสัญญาณลดลงและช่วง LoRaWAN ลดลง (ดูรูป).

เสาอากาศรอบทิศทางเป็นเทคโนโลยีทั่วไปที่ใช้ในเครือข่ายช่วง LoRaWAN. ดังนั้น, พลังงานที่แผ่กระจายเข้าสู่ระนาบแนวนอนและโหนดเครือข่ายและเกตเวย์อยู่ที่นั่น. ในยุโรป, กำลังส่งแบนด์ ISM จำกัดอยู่ที่ 14 dBm ที่ 868mhz. 2.15 dBi คืออัตราขยายสูงสุดของเสาอากาศ.

• ปัจจัยการแพร่กระจายปัจจัย

ในเครือข่าย LoRaWAN, การตั้งค่าเฉพาะของอัตราการถ่ายโอนข้อมูลใช้ปัจจัยการแพร่กระจาย (เอสเอฟ). เครือข่าย LoRaWAN ใช้ SF7 ถึง SF12. เนื่องจากการมอดูเลตสเปกตรัมการแพร่กระจายที่ร้องเจี๊ยก ๆ และความถี่การเปลี่ยนเฟสที่แตกต่างกันที่ใช้ใน chirp, เครือข่าย LoRaWAN ไม่ไวต่อสัญญาณรบกวน, การขยายพันธุ์และการซีดจางหลายเส้นทาง. ในเครือข่ายช่วง LoRaWAN, ฝั่ง Tx ใช้เสียงเจี๊ยบในการเข้ารหัสข้อมูล, ในขณะที่ด้าน Rx ใช้ inverse chirp เพื่อถอดรหัสสัญญาณ. มีการใช้เสียงเจี๊ยบกี่ครั้งต่อวินาที, คำจำกัดความของอัตราบิตและปริมาณพลังงานที่แผ่โดยแต่ละสัญลักษณ์และช่วง LoRaWAN ที่สามารถทำได้ดังแสดงไว้ข้างต้น. ตัวอย่างเช่น, อัตราบิตของ SF9 นั้นช้ากว่า SF7 ถึงสี่เท่า ซึ่งสามารถทำได้โดยความสามารถในการปรับขนาดของ LoRaWAN. อัตราบิตที่ช้าลง, ยิ่งพลังงานสูงและช่วงของชุดข้อมูลแต่ละชุดมากขึ้น.

สรุปปัจจัยช่วง LoRaWAN

การปรับสมดุลการขนส่งหมายถึงช่วงการส่งข้อมูลสูงสุดของเครือข่าย LoRaWAN.

ช่วงการลดทอนพื้นที่ว่างของอิทธิพล. โดยเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่า, การลดทอนพื้นที่ว่างเพิ่มขึ้น 6dB.

การสะท้อนและการหักเหของคลื่นวิทยุบนสิ่งกีดขวางและพื้นดินส่งผลต่อระดับและระยะของสัญญาณ. ในเครือข่าย LoRaWAN, ปลายด้านหนึ่งของลิงค์วิทยุมักจะอยู่ใกล้พื้นดิน.

ระดับสัญญาณด้าน Rx จะได้รับผลกระทบใน Fresnel แรกและระยะทางจะสั้นลง.

ค่า SF และช่วงของตัวส่งสัญญาณขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการขยายพันธุ์. ช่วง LoRaWAN ช่วยให้สามารถจัดการเครือข่ายได้โดยอัตโนมัติ, ใช้ ADR เพื่อปรับช่วงของเครื่องส่งสัญญาณ. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR), ปัจจัยเสียง (NF) และแบนด์วิดธ์ (BW) จะส่งผลต่อความไวของ Rx.

วิธีเพิ่มช่วง LoRa และ LoRaWAN

เพื่อปรับปรุงความครอบคลุมเครือข่ายของเทคโนโลยี LoRaWAN, ต้องสังเกตประเด็นต่อไปนี้:

ที่ตั้งเกตเวย์: สร้างการมองเห็นระหว่างเสาอากาศ Tx และ Rx. เพิ่มความสูงของเสาอากาศเพื่อปรับปรุงการมองเห็นระหว่างเสาอากาศ. เสาอากาศเหมาะสำหรับใช้ในกลางแจ้งมากกว่าในอาคาร.

การเลือกเสาอากาศ: เสาอากาศรูปแท่งแบบคลาสสิกเน้นพลังงานบนระนาบแนวนอน. หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางใกล้เสาอากาศ. อีกด้วย, สิ่งเหล่านี้ควรแนบกับคอลัมน์เสมอ, ไม่ใช่ข้างตึก. ควรเพิ่มช่วงหากเลือกเสาอากาศอย่างระมัดระวังและปรับให้เหมาะสมสำหรับโพลาไรซ์ของเสาอากาศและอัตราขยายสูงสุดของเสาอากาศที่กำหนด.

เลือกวัสดุเชื่อมต่อ: ใช้ปลั๊กคุณภาพ (N-ปลั๊ก) และสายเคเบิล (LMR 400 หรือเทียบเท่า, ขาดทุนน้อยกว่า 1.5 ต่อ 100 เดซิเบล). เพื่อลดการสูญเสียวัสดุเชื่อมต่อ, สิ่งสำคัญคือต้องรักษาการเชื่อมต่อระหว่างสถานีและความยาวเสาอากาศให้สั้นที่สุด.

โดยทั่วไป, ตามที่ระบุไว้ในบทความนี้, ควรติดตั้งเกตเวย์ช่วง LoRaWAN เพื่อให้แน่ใจว่ามีแรงดันไฟเกินและการป้องกันฟ้าผ่าเพียงพอ.