Покриття LoRaWAN: Торгівля Швидкістю Передачі Даних за Кілометрами

Торгівля швидкістю передавання за рахунок дальності

LoRa є фізичним шаром модуляції радіо з використанням chirp spread spectrum у нерозширених під-гектагерцових ISM смугах - 868 МГц в Європі, 915 МГц у США. LoRaWAN є мережевим шаром, побудованим на основі нього, який обробляє автентифікацію пристроїв, шлюзи та сервер мережі. Найважливішим параметром є коефіцієнт розповсюдження (SF7-SF12): більш високий коефіцієнт розповсюдження розтягує кожен біт даних на більше chirp, що покращує здатність приймача декодувати дуже слабкий сигнал. Кожен крок у підвищенні коефіцієнту розповсюдження приблизно подвоює час перебування в повітрі для одного й того ж коду та забезпечує додатково 2,5 дБ чутливості - прямий, кількісно виміряний компроміс між швидкістю та досяжністю.

Бюджет з’єднання: наскільки далеко може додрімати записчик

Радіус покриття визначається з бюджету з’єднання: потужність передачі мінус втрати сигналу, які він зазнає в дорозі до шлюзу, повинні бути вищими за рівень чутливості приймача. Цей рівень сильно залежить від коефіцієнта розповсюдження — приблизно -123 дБм при SF7 з каналом 125 кГц, знижуючись до близько -137 дБм при SF12, що становить перепад у 14 дБ.

Бюджет з’єднання (дБ) = потужність передачі – чутливість приймача Модель втрат сигналу на відстані: PL(d) = PL(d0) + 10 * n * log10(d / d0) n ≈ 2 у вільному просторі n ≈ 3.5–4 в щільному міському/всередині будівлі середовищі, з стінками та рослинністю максимальна дальність: відстань d, де PL(d) дорівнює бюджету з’єднання Оскільки втрати сигналу зростають із логарифмічною швидкістю від дальності, цей додатковий приріст чутливості на 14 дБ при SF12 може багато разів збільшити корисну дальність у відкритому просторі — але значення n також має велике значення: одна й та сама потужність підвищення купує значно менше додаткової відстані в заблокованому міському кратері, ніж у відкритому полі.

link budget (dB)  = Tx power - Rx sensitivity

log-distance path-loss model:
   PL(d) = PL(d0) + 10 * n * log10(d / d0)
   n ≈ 2      free space
   n ≈ 3.5–4  dense urban / indoor, walls and foliage

maximum range: the distance d where PL(d) equals the link budget

Ортогональні коефіцієнти розповсюдження та цикловий час

Чіпси, що передаються з різними коефіцієнтами розповсюдження на одному каналі, майже ортогонально розташовані один до одного, тому єдиний радіоприймальний вузол може декодувати пакети SF7 та SF12, які надходять одночасно, без конфлікту – властивість, якої немає у класичних широкосмугових радіостанцій. Ця ортогональність робить можливу адаптивну швидкість передавання даних. Однак це супроводжується регуляторним обмеженням в Європі: піддіапазони EU868 вимагають обмеження циклового часу, зазвичай близько 1% від загального часу безперервної роботи радіоканалу, і оскільки SF12 використовує значно більше часу на повітрі, ніж SF7, віддалений датчик, змушений працювати на найвищій коефіцієнті розповсюдження, може надсилати менше, менших повідомлень на день, ніж сусідній датчик на SF7.

Адаптивна швидкість передавання даних та ємність мережі

Адаптивна швидкість передавання даних (АШПД) дозволяє серверу мережі відстежувати маржинальність сигналу-шуму кожного нещодавнього підвищення даних пристрою та інструктувати його за допомогою MAC-команди знизити до найнижчого коефіцієнта розповсюдження, який все ще закриває зв’язок — економлячи трафік повітря, батарею та зменшуючи ймовірність зіткнення з іншими пристроями. Навіть із ортогональністю SF, один канал пропонує лише невелику кількість SF і комбінацій каналів, а випадкове планування підвищень LoRaWAN поводиться як класичний ALOHA: ємність у кінцевому підсумку обмежується ймовірністю зіткнення в спільному безлічі ліцензованому спектрі, а не відстанню, на якій фізично може просуватися сигнал. Щільні розгортання масштабуються шляхом додавання більшої кількості тунлів, а не збільшення потужності.

Розробка покриття: що насправді змінює радіус

Крім коефіцієнта розповсюдження, реальне покриття формується регуляторними обмеженнями потужності передавання (приблизно 14 до 27 дБм залежно від регіону), коефіцієнтом підсилення антени та висотою на кінцях зв’язку, а також місцевим рівнем шуму від іншого трафіку ISM-смуги. Висота шлюзу домінує практично, оскільки лінії видимості та clearance Fresnel-зони мають величезне значення на цих частотах — шлюз на даху або вежі здебільшого покриває шлюз на рівні вулиці на значний маржа, незалежно від коефіцієнту розповсюдження. Втрати проникнення будівлі (зазвичай 10 до 20 дБ) та багатоканальне у місті також більше впливають на діапазон, ніж ідеалізований бюджет безкоштовного простору ніколи не показує.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте LoRaWAN IoT Network Coverage і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.