В радиотехнике для характеристики радиосети можно использовать в основном три характеристики:
● Дальность/расстояние
● Скорость передачи данных
● Потребляемая мощность.
Критерии для этих трех показателей, конечно, не одинаковы, поскольку законы физики устанавливают четкие границы в данном случае. Например: LoRa может передавать данные на большие расстояния и требует относительно мало энергии, но скорость передачи данных низкая.
Например, WiFi и Bluetooth обеспечивают очень высокую скорость передачи данных, но потребляют относительно много энергии и имеют небольшой радиус действия. Все пользователи смартфонов хорошо знают об этой потребности в энергии. Базовые станции крупных операторов связи обеспечивают высокую скорость передачи данных и относительно большой радиус действия, но для этого они должны поставлять большое количество энергии. Поэтому электропитание всегда является очень важным фактором при планировании установки такого типа.
Как правило, оптимизировать можно не более 2 из вышеперечисленных критериев. Поэтому необходимо решить, какие факторы, влияющие на скорость передачи лора, должны быть приоритетными
бюджет ссылки
Бюджет канала представляет собой качество беспроводного канала передачи данных.
Используя простую модель, можно рассчитать бюджет канала связи, сложив мощность передатчика (transmitter power Tx), чувствительность приемника (receiver power Rx), коэффициент усиления антенны и потери в свободном пространстве (free space path loss, FSPL).
Далее будет рассчитан бюджет канала LoRaWAN.
потери в тракте радиосигнала
Потеря пути представляет собой количество энергии, теряемой в свободном пространстве на расстоянии между Tx и Rx. Чем больше расстояние между Tx и Rx, тем ниже уровень энергии. Потери пути обычно выражаются следующим образом:
FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2 (1)
Эти факторы иллюстрируют:
FSPL = потери пути в свободном пространстве
d = расстояние между Tx и Rx в метрах
f = частота в герцах
Существует также широко используемая логарифмическая формула для потерь пути в свободном пространстве:
FSPL(dB)= 20log10(d) 20log10(f)- 147.55(2)
Удвоение расстояния (d) означает потери на пути 6 дБ (в свободном пространстве).
На стороне приемника (Rx) чувствительность приемника - это значение, которое влияет на бюджет канала. Так называемая чувствительность Rx описывает минимально возможную принимаемую мощность и запас по тепловому шуму и рассчитывается следующим образом:
Чувствительность Rx = -174 10log10(BW) NF SNR(3)
Средства для этого:
BW = полоса пропускания в Гц,
NF = коэффициент шума в дБ,
SNR = отношение сигнал/шум показывает, насколько сильнее сигнал по сравнению с шумом.
Чувствительность Rx у LoRaWAN выше, чем у Wifi, поэтому она лучше.
Уравнение (4) показывает крайний случай потерь в тракте, который не включает усиление антенны и другие виды затухания в свободном пространстве:
Бюджет канала = Максимальная чувствительность Rx (дБ) - Максимальная мощность передачи (дБ) (4)
Пример расчета бюджета канала LoRaWAN:
Мощность Tx = 14 дБм
BW = 125 КГц = 10log10(125000)= 51
NF = 6 дБ (шлюзы в сетях LoRaWAN имеют более низкие значения NF)
SNR = -20 (для SF = 12)
Подставив эти числа в уравнение (3), вы получите чувствительность Rx -137 дБм.
Чувствительность Rx = - 174 51 6 - 20 = -137 дБм
Затем, используя выражение (4), его можно рассчитать следующим образом
Бюджет соединения: Бюджет канала = -137 дБ - 14 дБ = -151 дБ
Приведенные значения приводят к бюджету канала LoRaWAN в 151 дБ.
При выделенном бюджете канала LoRaWAN в 150 дБ расстояние в 800 километров может быть покрыто при оптимальных условиях (чистые пространственные потери). Текущий мировой рекорд LoRaWAN составляет 702 километра.
В реальных условиях эти идеальные значения не могут быть достигнуты. Так какие же факторы влияют на расстояние передачи lora? Оно зависит от нескольких влияющих факторов.
Фактор 1: Потери пути в свободном пространстве
При удвоении расстояния потери пути в свободном пространстве LoRaWAN увеличиваются на 6 дБ, поэтому потери при прохождении радиосигнала зависят от логарифмической функции (см. уравнение (1)).
Помимо потери энергии в зависимости от расстояния, такие факторы, как отражение и преломление радиоволн на объектах, могут привести к перекрытию радиоволн, что также негативно сказывается на дальности действия. (Примечание: Томас Телкамп хорошо объясняет эти связи в видеоролике "Процесс разрушения LoRa", начиная с момента 15:41).
Фактор 2: Потери пути из-за структурных элементов
Потери при прохождении, вызванные конструкциями, то есть поглощение радиосигналов при прохождении через различные препятствия, например здания, могут повлиять на прием передаваемого сигнала и значительно сократить расстояние передачи. Например, стекло уменьшает сигнал всего на 2 дБ. Это влияет на гораздо меньшую площадь, чем бетонная стена толщиной 30 см. В таблице ниже перечислены различные материалы и их типичное влияние на радиосигналы.
| Материал | Потеря пути (дБ) |
| Стекло (6 мм) | 0,8 |
| Стекло (13 мм) | 2 |
| Дерево (76 мм) | 2,8 |
| Кирпич (89 мм) | 3,5 |
| Кирпич (178 мм) | 5 |
| Кирпич (267 мм) | 7 |
| Бетон (102 мм) | 12 |
| Каменная стена (203 мм) | 12 |
| Кирпич Бетон (192 мм) | 14 |
| Каменная стена (406 мм) | 17 |
| Бетон (203 мм) | двадцать три |
| Железобетон (89 мм) | 27 |
| Каменная стена (610 мм) | 28 |
| Бетон (305 мм) | 35 |
Фактор 3: Зона Френеля
Для эффективного покрытия больших расстояний и получения хорошего бюджета связи также важно как можно чаще устанавливать прямую видимость между отправителем и получателем. При радиопередаче определенная область пространства между линиями видимости называется зоной Френеля. Если в этих зонах находятся объекты, они могут оказывать негативное влияние на распространение волн, хотя обычно они обеспечивают визуальный контакт между передающей и приемной антеннами. Для каждого объекта, находящегося в зоне Френеля, уровень сигнала снижается, а дальность действия уменьшается (см. изображение ниже).
В сетях LoRaWAN обычно используются всенаправленные антенны. В результате излучаемая энергия распространяется в горизонтальной плоскости, где расположены сетевые узлы и шлюзы. В Европе предельная мощность для диапазона ISM определена как 14 дБм для частоты 868 МГц. Кроме того, максимальный коэффициент усиления антенны ограничен 2,15 дБи.
Фактор 4: коэффициент расширения
В сетях LoRaWAN используются коэффициенты разброса (SF), чтобы специально задавать скорость передачи данных в зависимости от дальности. В сетях LoRaWAN используются коэффициенты SF7 - SF12. Благодаря чирпированной модуляции спектра (CCS) и различным частотам фазового сдвига, используемым для чирпирования, она нечувствительна к помехам, многолучевому распространению и замираниям. Чирп кодирует данные в сети LoRaWAN на стороне Tx, а обратный чирп используется на стороне Rx для декодирования сигнала. Приведенный выше SF показывает, сколько чирпов используется в секунду, и определяет скорость передачи данных, излучаемую мощность на символ и достижимую дальность.
Например, SF9 в 4 раза медленнее SF7 по скорости передачи данных. SF может достичь масштабируемости LoRaWAN. Чем медленнее битрейт, тем выше энергия и больше диапазон каждого набора данных. LoRaWAN поддерживает автоматическую настройку коэффициента SF в зависимости от конфигурации сети, так называемую адаптивную скорость передачи данных (ADR).
Подведите итоги
Факторы, влияющие на скорость передачи lora и расстояние, следующие:
1. Бюджет соединения определяет максимальный радиус действия сети LoRaWAN.
2. Потери пути в свободном пространстве влияют на дальность действия. Удвоение расстояния увеличит потери на пути на 6 дБ.
3. Отражение и преломление радиоволн на препятствиях и земле влияет на уровень и дальность сигнала. В сети LoRaWAN одна сторона радиоканала обычно располагается у земли.
4. Препятствия в первой зоне Френеля повлияют на уровень сигнала на стороне Rx и сократят дальность действия.
5. Значение SF и, соответственно, дальность действия передатчика зависят от условий запуска. LoRaWAN позволяет автоматически управлять сетью через ADR, регулируя дальность действия передатчика.
6. Чувствительность Rx зависит от отношения сигнал/шум (SNR), коэффициента шума (NF) и полосы пропускания (BW).
Стратегии оптимизации дальности действия LoRaWAN
Для увеличения дальности действия сетей, использующих технологию LoRaWAN, необходимо учитывать следующие аспекты:
Расположение шлюза Лора: Обеспечивает видимый свет между антеннами Tx и Rx. Увеличьте высоту антенн, чтобы добиться оптической видимости между ними. Всегда лучше, чем использование наружной антенны на открытом воздухе.
Выбор антенны: Классические стержневые антенны концентрируют энергию в горизонтальной плоскости. Избегайте препятствий вблизи антенны. Кроме того, их всегда следует устанавливать на колоннах и никогда на боковых сторонах зданий. Если антенна выбрана тщательно, а поляризация антенны и максимальное усиление антенны оптимально согласованы друг с другом, дальность действия должна улучшиться.
Используйте высококачественные разъемы (N-разъемы) и кабели (LMR 400 или эквивалент, потери менее 1,5 дБ на 100 м). Чтобы уменьшить потери в соединительном материале, длина соединения между станцией и антенной также должна быть как можно меньше.
Совместное размещение: При установке вблизи других радиосистем старайтесь избегать сильных помех, например, от близлежащих станций GSM или UMTS. Обратитесь к инструкциям производителя по эксплуатации.
В целом, следует кратко упомянуть, что при установке шлюза LoRaWAN необходимо обеспечить адекватную защиту от перенапряжения и молний.