En tecnología radioeléctrica, se pueden utilizar básicamente tres características para caracterizar una red radioeléctrica:
● Alcance/distancia
● Velocidad de transferencia de datos
● Consumo de energía.
Los criterios para estos tres indicadores no son ciertamente los mismos, ya que las leyes de la física establecen límites claros en este caso. Por ejemplo: LoRa puede transmitir datos a grandes distancias y requiere relativamente poca energía, pero la velocidad de transmisión de datos es baja.
Por ejemplo, WiFi y Bluetooth alcanzan velocidades de transmisión de datos muy altas, pero consumen una energía relativamente alta y tienen un alcance reducido. Todos los usuarios de smartphones son conscientes de esta necesidad energética. Las estaciones base de los grandes proveedores de telecomunicaciones ofrecen altas velocidades de transmisión de datos y un alcance relativamente alto, pero para ello deben suministrar grandes cantidades de energía. Por eso, el suministro de energía es siempre un factor de planificación muy importante para este tipo de instalaciones.
Normalmente, se pueden optimizar hasta 2 de los criterios anteriores, por lo que es necesario decidir qué factores que afectan a la velocidad de transferencia de lora deben priorizarse.
presupuesto del enlace
El presupuesto de enlace representa la calidad del canal de transmisión inalámbrica.
Utilizando un modelo sencillo, el balance del enlace puede calcularse sumando la potencia de transmisión (potencia del transmisor Tx), la sensibilidad del receptor (potencia del receptor Rx), la ganancia de la antena y la pérdida de trayectoria en el espacio libre (FSPL).
En un proceso posterior, se calculará el presupuesto de enlace de LoRaWAN.
pérdida del trayecto de la señal de radio
La pérdida de trayectoria representa cuánta energía se pierde en el espacio libre a lo largo de la distancia entre Tx y Rx. Cuanto mayor sea la distancia entre Tx y Rx, menor será el nivel de energía. La pérdida de trayecto suele expresarse de la siguiente manera:
FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2(1)
Estos factores ilustran:
FSPL = pérdida de trayectoria en el espacio libre
d = distancia entre Tx y Rx en metros
f = frecuencia en hercios
También existe una fórmula logarítmica muy utilizada para la pérdida de trayectoria en el espacio libre:
FSPL(dB)= 20log10(d) 20log10(f)- 147,55(2)
Duplicar la distancia (d) significa una pérdida de trayectoria de 6 dB (en espacio libre).
En el lado del receptor (Rx), la sensibilidad del receptor es el valor que afecta al presupuesto del enlace. La llamada sensibilidad Rx describe la potencia recibida mínima posible y el margen de ruido térmico y se calcula de la siguiente manera:
Sensibilidad Rx = -174 10log10(BW) NF SNR(3)
Medios para ello:
BW = Ancho de banda en Hz,
NF = Factor de ruido en dB,
SNR = La relación señal/ruido indica la intensidad de la señal en comparación con el ruido.
La sensibilidad Rx de LoRaWAN es mayor que la de Wifi, por lo que es mejor.
La ecuación (4) muestra el caso extremo de pérdida de trayecto, que no incluye la ganancia de antena ni otros tipos de atenuación en el espacio libre:
Presupuesto de enlace = Máxima sensibilidad Rx (dB) - Máxima potencia de transmisión (dB) (4)
Ejemplo de cálculo del presupuesto de enlace LoRaWAN:
Potencia Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10(125000)= 51
NF = 6 dB (las pasarelas de las redes LoRaWAN tienen valores de NF inferiores)
SNR = -20 (para SF = 12)
Introduciendo estas cifras en la ecuación (3) se obtiene una sensibilidad Rx de -137 dBm
Sensibilidad Rx = - 174 51 6 - 20 = -137 dBm
Entonces, se puede calcular utilizando la expresión (4) de la siguiente manera
Presupuesto de enlace: Presupuesto de enlace = -137dB - 14dB = -151dB
Los valores dados dan como resultado un presupuesto de enlace LoRaWAN de 151 dB.
Con el presupuesto de enlace dedicado de 150 dB de LoRaWAN, se puede cubrir una distancia de 800 kilómetros en condiciones óptimas (pérdida espacial pura). El récord mundial actual de LoRaWAN es de 702 kilómetros.
En condiciones reales, estos valores ideales no pueden alcanzarse. Entonces, ¿cuáles son los factores que afectan a la distancia de transmisión lora? Depende de varios factores que influyen.
Factor 1: Pérdida de trayectoria en el espacio libre
Al duplicar la distancia, la pérdida de trayectoria en espacio libre de LoRaWAN aumenta en 6 dB, por lo que la pérdida de paso de la señal de radio se ve afectada por una función logarítmica (véase la ecuación (1)).
Además de la pérdida de energía en función de la distancia, factores como la reflexión y refracción de las ondas de radio en los objetos pueden hacer que las ondas de radio se solapen, lo que también puede tener un impacto negativo en el alcance. (Nota: Thomas Telkamp tiene una buena explicación de estas conexiones en el vídeo "LoRa Crash Process" a partir del punto 15:41).
Factor 2: Pérdida de trayectoria debida a elementos estructurales
Las pérdidas de paso causadas por las estructuras, es decir, la absorción de las señales de radio al atravesar distintos obstáculos como edificios, pueden afectar a la recepción de la señal transmitida y reducir considerablemente la distancia de transmisión. Por ejemplo, el cristal sólo reduce la señal en 2 dB. Esto afecta a un área mucho menor que un muro de hormigón de 30 cm de grosor. En la tabla siguiente se enumeran diversos materiales y sus efectos típicos sobre las señales de radio.
| Material | Pérdida de trayectoria (dB) |
| Vidrio (6 mm) | 0,8 |
| Vidrio (13 mm) | 2 |
| Madera (76 mm) | 2,8 |
| Ladrillo (89 mm) | 3,5 |
| Ladrillo (178 mm) | 5 |
| Ladrillo (267 mm) | 7 |
| Hormigón (102 mm) | 12 |
| Muro de piedra (203 mm) | 12 |
| Ladrillo Hormigón (192mm) | 14 |
| Muro de piedra (406 mm) | 17 |
| Hormigón (203 mm) | veintitrés |
| Hormigón armado (89 mm) | 27 |
| Muro de piedra (610 mm) | 28 |
| Hormigón (305 mm) | 35 |
Factor 3: Zona de Fresnel
Para cubrir eficazmente largas distancias y obtener un buen balance de enlace, también es importante establecer una línea de visión directa entre el emisor y el receptor con la mayor frecuencia posible. En radiotransmisión, la zona específica de espacio entre líneas de visión se denomina zona de Fresnel. Si hay objetos presentes en estas zonas, pueden tener un impacto negativo en la propagación de las ondas, aunque normalmente proporcionan contacto visual entre las antenas emisora y receptora. Por cada objeto situado en la zona de Fresnel, el nivel de la señal disminuye y el alcance se reduce (ver imagen inferior).
En las redes LoRaWAN se suelen utilizar antenas omnidireccionales. Esto hace que la energía emitida se propague en el plano horizontal donde se encuentran los nodos de la red y las pasarelas. En Europa, el límite de potencia para la banda ISM se define en 14 dBm para la frecuencia de 868 MHz. Además, la ganancia máxima de la antena está limitada a 2,15 dBi.
Factor 4: Factor de dilatación
Las redes LoRaWAN utilizan factores de dispersión (SF) para establecer específicamente las velocidades de transferencia de datos en relación con el alcance. En las redes LoRaWAN se utilizan de SF7 a SF12. Debido a su modulación de espectro ensanchado chirp (CCS) y a las distintas frecuencias de desplazamiento de fase utilizadas para el chirp, es insensible a las interferencias, la propagación multitrayecto y el desvanecimiento. El chirp codifica los datos en la red LoRaWAN en el lado Tx, mientras que el chirp inverso se utiliza en el lado Rx para decodificar la señal. El SF anterior indica cuántos chirps se utilizan por segundo y define la tasa de bits, la potencia radiada por símbolo y el alcance alcanzable.
Por ejemplo, SF9 es 4 veces más lento que SF7 en cuanto a velocidad binaria. SF puede lograr la escalabilidad de LoRaWAN. Cuanto más lento sea el bitrate, mayor será la energía y mayor el alcance de cada conjunto de datos. LoRaWAN admite el ajuste automático del factor SF en función de la configuración de la red, el denominado Adaptive Data Rate (ADR).
Resuma
Los factores que afectan a la velocidad de transmisión de lora y a la distancia son:
1. El presupuesto de enlace especifica el alcance máximo de la red LoRaWAN.
2. La pérdida de trayectoria en el espacio libre afectará al alcance. Si se duplica la distancia, la pérdida de trayectoria aumentará en 6 dB.
3. La reflexión y refracción de las ondas de radio en los obstáculos y el suelo afectarán al nivel y alcance de la señal. En una red LoRaWAN, uno de los lados del radioenlace suele estar situado cerca del suelo.
4. Los obstáculos en la primera zona de Fresnel afectarán al nivel de señal en el lado Rx y acortarán el alcance.
5. El valor de SF, y por tanto el alcance del transmisor, depende de las condiciones de lanzamiento. LoRaWAN permite la gestión automática de la red mediante ADR, regulando el alcance del transmisor.
6. La sensibilidad Rx depende de la relación señal/ruido (SNR), el factor de ruido (NF) y el ancho de banda (BW).
Estrategias para optimizar el alcance de LoRaWAN
Para aumentar el alcance de las redes que utilizan la tecnología LoRaWAN, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
ubicación de la pasarela lora: Proporciona luz visible entre las antenas Tx y Rx. Aumenta la altura de las antenas para conseguir visibilidad óptica entre ellas. Siempre mejor que utilizar una antena exterior en exteriores.
Selección de antenas: Las antenas de varilla clásicas concentran la energía en un plano horizontal. Evite los obstáculos cerca de la antena. Además, siempre deben montarse en columnas y nunca en los laterales de los edificios. Si la antena se elige con cuidado y la polarización de la antena y la ganancia máxima definida de la antena se ajustan entre sí de forma óptima, el alcance debería mejorar.
Utilice conectores de alta calidad (conectores N) y cables (LMR 400 o equivalente, con una pérdida inferior a 1,5 dB por cada 100 m). Para reducir la pérdida de material de conexión, la longitud de conexión entre la estación y la antena también debe ser lo más corta posible.
Coubicación: Cuando lo instale cerca de otros sistemas de radio, intente evitar fuertes interferencias, como las de las estaciones GSM o UMTS cercanas. Consulte las instrucciones de uso del fabricante.
En general, cabe mencionar brevemente que la instalación de la pasarela LoRaWAN debe garantizar una protección adecuada contra sobretensiones y rayos.