In radiotechnologie kunnen in principe drie kenmerken worden gebruikt om een radionetwerk te karakteriseren:
Bereik/afstand
Gegevensoverdrachtsnelheid
Stroomverbruik.
De criteria voor deze drie indicatoren zijn zeker niet hetzelfde, omdat de wetten van de fysica in dit geval duidelijke grenzen stellen. Bijvoorbeeld: LoRa kan gegevens over lange afstanden verzenden en heeft relatief weinig energie nodig, maar de datasnelheid is laag.
WiFi en Bluetooth halen bijvoorbeeld zeer hoge datasnelheden, maar verbruiken relatief veel energie en hebben een klein bereik. Alle smartphonegebruikers zijn zich terdege bewust van deze energiebehoefte. De basisstations van grote telecomproviders bieden hoge datasnelheden en een relatief groot bereik, maar daarvoor moeten ze grote hoeveelheden energie leveren. Daarom is stroomvoorziening altijd een zeer belangrijke planningsfactor voor dit soort installaties.
Doorgaans kunnen maximaal 2 van de bovenstaande criteria worden geoptimaliseerd. Daarom moet worden besloten welke factoren die van invloed zijn op de overdrachtssnelheid van lora prioriteit moeten krijgen
link begroting
Het linkbudget vertegenwoordigt de kwaliteit van het draadloze transmissiekanaal.
Met behulp van een eenvoudig model kan het linkbudget worden berekend door het zendvermogen (transmitter power Tx), de gevoeligheid van de ontvanger (receiver power Rx), de antenneversterking en het padverlies in de vrije ruimte (free space path loss - FSPL) bij elkaar op te tellen.
In een volgend proces wordt het linkbudget van LoRaWAN berekend.
padverlies radiosignaal
Het padverlies geeft aan hoeveel energie er verloren gaat in de vrije ruimte over de afstand tussen Tx en Rx. Hoe groter de afstand tussen Tx en Rx, hoe lager het energieniveau. Padverlies wordt meestal als volgt uitgedrukt:
FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2(1)
Deze factoren illustreren:
FSPL = wegverlies in de vrije ruimte
d = afstand tussen Tx en Rx in meters
f = frequentie in Hertz
Er is ook een veelgebruikte logaritmische formule voor padverlies in de vrije ruimte:
FSPL(dB)= 20log10(d) 20log10(f)- 147,55(2)
Een verdubbeling van de afstand (d) betekent een padverlies van 6dB (in de vrije ruimte).
Aan de ontvangerkant (Rx) is de gevoeligheid van de ontvanger de waarde die het linkbudget beïnvloedt. De zogenaamde Rx-gevoeligheid beschrijft het minimaal mogelijke ontvangen vermogen en de thermische ruismarge en wordt als volgt berekend:
Rx-gevoeligheid = -174 10log10(BW) NF SNR(3)
Middelen om dit te doen:
BW = bandbreedte in Hz,
NF = ruisfactor in dB,
SNR = signaal-ruisverhouding geeft aan hoeveel sterker het signaal is in vergelijking met de ruis
De Rx-gevoeligheid van LoRaWAN is hoger dan Wifi, dus het is beter.
Vergelijking (4) toont het extreme geval van padverlies, dat geen rekening houdt met antenneversterking en andere soorten verzwakking in de vrije ruimte:
Verbindingsbudget = Maximale Rx-gevoeligheid (dB) - Maximaal zendvermogen (dB) (4)
Rekenvoorbeeld van LoRaWAN link budget:
Tx-vermogen = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10(125000)= 51
NF = 6 dB (gateways in LoRaWAN-netwerken hebben lagere NF-waarden)
SNR = -20 (voor SF = 12)
Deze getallen invoeren in vergelijking (3) geeft een Rx-gevoeligheid van -137 dBm
Rx-gevoeligheid = - 174 51 6 - 20 = -137 dBm
Dan kan het met behulp van uitdrukking (4) als volgt worden berekend
Verbindingsbudget: Verbindingsbudget = -137dB - 14dB = -151dB
De gegeven waarden resulteren in een LoRaWAN Link budget van 151 dB.
Met het speciale 150 dB linkbudget van LoRaWAN kan onder optimale omstandigheden (puur ruimteverlies) een afstand van 800 kilometer worden overbrugd. Het huidige LoRaWAN-wereldrecord staat op 702 kilometer.
Onder echte omstandigheden kunnen deze ideale waarden niet worden bereikt. Wat zijn dan de factoren die de transmissieafstand van lora beïnvloeden? Dit hangt af van verschillende invloedsfactoren.
Factor 1: Wegverlies in de vrije ruimte
Door de afstand te verdubbelen, neemt het padverlies in de vrije ruimte van LoRaWAN toe met 6 dB, dus het doorlaatverlies van het radiosignaal wordt beïnvloed door een logaritmische functie (zie vergelijking (1)).
Naast energieverlies als functie van de afstand kunnen factoren zoals reflectie en breking van radiogolven op objecten ervoor zorgen dat radiogolven elkaar overlappen, wat ook een negatieve invloed kan hebben op het bereik. (Opmerking: Thomas Telkamp heeft een goede uitleg over deze verbanden in de video "LoRa Crash Process" vanaf locatie 15:41).
Factor 2: Padverlies door structurele elementen
Doorgangsverliezen veroorzaakt door structuren, d.w.z. de absorptie van radiosignalen bij het doordringen van verschillende obstakels zoals gebouwen, kunnen de ontvangst van het uitgezonden signaal beïnvloeden en de transmissieafstand aanzienlijk verkleinen. Glas bijvoorbeeld vermindert het signaal slechts met 2dB. Dit beïnvloedt een veel kleiner gebied dan een 30 cm dikke betonnen muur. De onderstaande tabel geeft een overzicht van verschillende materialen en hun typische effecten op radiosignalen.
| Materiaal | Padverlies (dB) |
| Glas (6mm) | 0,8 |
| Glas (13 mm) | 2 |
| Hout (76mm) | 2,8 |
| Baksteen (89mm) | 3,5 |
| Baksteen (178 mm) | 5 |
| Baksteen (267mm) | 7 |
| Beton (102 mm) | 12 |
| Stenen muur (203mm) | 12 |
| Baksteen Beton (192mm) | 14 |
| Stenen muur (406 mm) | 17 |
| Beton (203 mm) | drieëntwintig |
| Gewapend beton (89 mm) | 27 |
| Stenen muur (610 mm) | 28 |
| Beton (305 mm) | 35 |
Factor 3: Fresnel-zone
Om effectief lange afstanden te overbruggen en een goed verbindingsbudget te verkrijgen, is het ook belangrijk om zo vaak mogelijk een directe zichtlijn tussen zender en ontvanger tot stand te brengen. Bij radiotransmissie wordt het specifieke gebied tussen de zichtlijnen de Fresnel-zone genoemd. Als zich objecten in deze zone bevinden, kunnen ze een negatieve invloed hebben op de golfvoortplanting, hoewel ze meestal zorgen voor visueel contact tussen de zend- en ontvangstantennes. Voor elk object dat zich in de Fresnel-zone bevindt, neemt het signaalniveau af en neemt het bereik af (zie onderstaande afbeelding).
In LoRaWAN-netwerken worden vaak omnidirectionele antennes gebruikt. Hierdoor plant de uitgezonden energie zich voort in het horizontale vlak waar de netwerkknooppunten en gateways zich bevinden. In Europa is de vermogenslimiet voor de ISM-band vastgesteld op 14 dBm voor de frequentie 868 MHz. Bovendien is de maximale antenneversterking beperkt tot 2,15 dBi.
Factor 4: Uitbreidingsfactor
LoRaWAN-netwerken gebruiken spreidingsfactoren (SF) om de gegevensoverdrachtsnelheden specifiek in te stellen ten opzichte van het bereik. In LoRaWAN-netwerken worden SF7 tot SF12 gebruikt. Door de chirp-spreadspectrummodulatie (CCS) en de verschillende faseverschuivingsfrequenties die voor de chirp worden gebruikt, is het ongevoelig voor interferentie, multipadpropagatie en fading. De chirp codeert gegevens in het LoRaWAN-netwerk aan de Tx-kant, terwijl de omgekeerde chirp aan de Rx-kant wordt gebruikt voor signaaldecodering. De SF hierboven geeft aan hoeveel chirps er per seconde worden gebruikt en definieert de bitsnelheid, het uitgestraalde vermogen per symbool en het haalbare bereik.
SF9 is bijvoorbeeld 4 keer langzamer dan SF7 in termen van bitrate. SF kan de schaalbaarheid van LoRaWAN bereiken. Hoe langzamer de bitrate, hoe hoger de energie en hoe groter het bereik van elke dataset. LoRaWAN ondersteunt automatische aanpassing van de SF-factor op basis van netwerkconfiguratie, de zogenaamde Adaptive Data Rate (ADR).
Samenvatten
De factoren die de overdrachtssnelheid en -afstand van lora beïnvloeden zijn:
1. Het linkbudget bepaalt het maximale bereik van het LoRaWAN-netwerk.
2. Padverlies in de vrije ruimte beïnvloedt het bereik. Een verdubbeling van de afstand zal de padverliezen met 6 dB doen toenemen.
3. De weerkaatsing en breking van radiogolven op obstakels en de grond beïnvloeden het signaalniveau en het bereik. In een LoRaWAN-netwerk bevindt één kant van de radioverbinding zich meestal dicht bij de grond.
4. Obstakels in de eerste Fresnel-zone zullen het signaalniveau aan de Rx-kant beïnvloeden en het bereik verkorten.
5. De SF-waarde, en dus het bereik van de zender, hangt af van de lanceeromstandigheden. LoRaWAN maakt automatisch netwerkbeheer mogelijk via ADR, waarbij het bereik van de zender wordt geregeld.
6. De gevoeligheid van de Rx hangt af van de signaal-ruisverhouding (SNR), de ruisfactor (NF) en de bandbreedte (BW).
Strategieën voor het optimaliseren van LoRaWAN-bereik
Om het bereik van netwerken met LoRaWAN-technologie te vergroten, moeten de volgende aspecten in overweging worden genomen:
lora gateway locatie: Zorgt voor zichtbaar licht tussen Tx- en Rx-antennes. Verhoog de hoogte van de antennes om optische zichtbaarheid tussen de antennes te verkrijgen. Altijd beter dan een buitenantenne buiten gebruiken.
Antenneselectie: Klassieke staafantennes concentreren energie in een horizontaal vlak. Vermijd obstakels in de buurt van de antenne. Bovendien moeten ze altijd op zuilen worden gemonteerd en nooit aan de zijkant van gebouwen. Als de antenne zorgvuldig wordt gekozen en de antennepolarisatie en maximale antenneversterking optimaal op elkaar zijn afgestemd, zou het bereik moeten verbeteren.
Gebruik connectoren (N-connectoren) en kabels van hoge kwaliteit (LMR 400 of gelijkwaardig, minder dan 1,5 dB verlies per 100 m). Om het verlies aan verbindingsmateriaal te beperken, moet de verbindingslengte tussen het station en de antenne ook zo kort mogelijk worden gehouden.
Co-locatie: Probeer bij installatie in de buurt van andere radiosystemen sterke interferentie te vermijden, zoals van omliggende GSM- of UMTS-stations. Raadpleeg de gebruiksaanwijzing van de fabrikant.
In het algemeen moet kort worden vermeld dat de installatie van de LoRaWAN-gateway moet zorgen voor voldoende overspannings- en bliksembeveiliging.