Einführung
LoRaWAN Die (Long Range Wide Area Network)-Technologie hat das Internet der Dinge (IoT) revolutioniert und ermöglicht die Vernetzung von Geräten über große Entfernungen ohne hohen Stromverbrauch. Diese bahnbrechende Innovation hat Fortschritte in verschiedenen Bereichen wie Smart Cities, Landwirtschaft, Lieferkettenmanagement und Umweltüberwachung vorangetrieben.
Understanding how factors influence the range of LoRaWAN is critical for network planning, expansion, and performance optimization, making it a topic of substantial technical and commercial interest.
The ability to maximize the range of LoRaWAN networks enables the deployment of wireless sensor networks across vast geographical expanses, a feat that was once both financially and logistically prohibitive. However, achieving this extended coverage is not without its challenges. The range of a LoRaWAN network is subject to multiple influences that derive from technical specifications, environmental conditions, regulatory boundaries, and the inherent characteristics of the radio frequency propagation.
This article aims to delve into the myriad of factors affecting the range of LoRaWAN networks. It will explore the technical underpinnings of the protocol, the interplay of different environmental parameters, the significance of network topology, and the constraints imposed by adherence to regulatory frameworks. Through this thorough examination, we will equip readers with a comprehensive understanding of the determinants of LoRaWAN range, reinforced by real-world case studies and applications.
LoRaWAN verstehen
Before delving into the various factors that influence the range of a LoRaWAN network, it is essential to understand the fundamental characteristics of this technology and the principles behind its operation. LoRaWAN stands at the intersection of two key components: LoRa, the physical layer or the modulation technique that encodes data into radio waves, and LoRaWAN, the network protocol that defines the system architecture and communication protocols.
- LoRa: Die physikalische Schicht
LoRa ist eine Abkürzung für „Long Range“ und ist eine Spread-Spectrum-Modulationstechnik, die Chirp Spread Spectrum (CSS)-Technologie verwendet. Diese Methode ist dafür bekannt, die Kommunikation über große Entfernungen aufrechtzuerhalten und Reichweiten von mehreren Kilometern in offenen, ländlichen Gebieten zu erreichen. Einer der Hauptvorteile der LoRa-Modulation ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Signalstörungen und ihr geringer Stromverbrauch, sodass batteriebetriebene Geräte jahrelang ohne Aufladen funktionieren. - LoRaWAN: The Network Protocol
LoRaWAN defines the communication protocol and system architecture for the network while utilizing the LoRa physical layer. It is a media access control (MAC) layer protocol that maintains network integrity and security. LoRaWAN enables bi-directional communication, a crucial feature for IoT devices that need to send data (such as sensor readings) and receive commands (like actuator control messages).
How LoRaWAN Works
- LoRaWAN allows devices to communicate with Internet-connected applications over long-range wireless connections. The network architecture is typically laid out in a star topology, where end devices use single-hop wireless communication to one or many LoRaWAN Gateways, alle mit einem zentralen Netzwerkserver verbunden.
- The technology operates in the unlicensed ISM (Industrial, Scientific, and Medical) band, which varies by region (e.g., 868 MHz in Europe, 915 MHz in North America). LoRaWAN networks can handle millions of messages per day, making them scalable and versatile for various applications.
Kriterien zur Beschreibung eines Netzwerks in der Funktechnik
Es gibt grundsätzlich drei Charakteristika, mit denen sich ein Netzwerk in der Funktechnik beschreiben lässt:
- Reichweite
- Datenübertragungsgeschwindigkeit
- Energieverbrauch
It’s hard to place equal importance on all three criteria because the laws of physics have clear limits on this. For example, LoRaWAN can transmit data over long distances with relatively little energy, but at very low data rates.
WLAN und Bluetooth können zwar hohe Datenraten erreichen, der Stromverbrauch ist jedoch relativ hoch und die Reichweite gering. Diesen Energiehunger kennt jeder Smartphone-Nutzer nur zu gut. Die Basisstationen der großen Telekom-Anbieter ermöglichen hohe Datenraten und relativ große Reichweiten, müssen dafür aber viel Energie bereitstellen. Die Stromversorgung ist daher ein wesentlicher Faktor bei solchen Installationen.
Gleichgewicht der Kraftübertragung
Die Leistungsübertragungsbilanz gibt die Qualität des Funkübertragungskanals an. Sie lässt sich durch die Addition von Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit, Antennengewinn und Freiraumpfaddämpfung (FSPL) berechnen.
LoRaWAN calculates the power transmission balance.
Der Pfadverlust stellt den Energieverlust im freien Raum über eine Distanz zwischen Sender und Empfänger dar. Je weiter TX von Rx entfernt ist, desto geringer ist die Energie.
Der Pfadverlust wird üblicherweise ausgedrückt als
Wo bedeutet:
FSPL = Freiraumpfadverlust;
D = Entfernung zwischen TX und Rx in Metern;
F = Frequenz in Hertz
Es gibt auch eine weit verbreitete logarithmische Formel für die Freiraumdämpfung:
Der doppelte Abstand (d) bedeutet einen Verlust von 6dB.
Auf der Empfangsseite (Rx) ist die Empfindlichkeit der Empfängerseite der Faktor, der die Leistungsübertragungsbilanz beeinflusst. Die Rx-Empfindlichkeit beschreibt die minimal mögliche Empfangsleistung und die thermische Rauschtoleranz:
Dabei bedeutet:
BW = Bandbreite in Hz;
NF = Rauschfaktor in dB;
SNR = Signal-Rausch-Verhältnis.
Es gibt an, in welchem Abstand das Signal zum Rauschen liegen muss.
Der Empfang von LoRa-Geräten ist empfindlicher und daher besser als WLAN. Der Extremfall des Pfadverlusts ohne Berücksichtigung des Antennengewinns und anderer Arten der Freiraumdämpfung:
An example of calculating a LoRaWAN power transmission balance:
TX-Leistung = 14 dBm;
Bandbreite = 125 kHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6dB (the Gateways In LoRaWAN networks have lower NF values);
SNR = -20 (für SF = 12).
Das Einsetzen dieser Zahlen in Formel ③ ergibt eine Rx-Empfindlichkeit von -137 dBm
Rx-Empfindlichkeit = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Die Leistungsübertragungsbilanz kann dann wie folgt mit Hilfe der Formel berechnet werden:
Leistungsübertragungsbalance = -137dB – 14dB = -151dB
With the specified values, the LoRaWAN range power transmission balance is 151 dB, so it can overcome distances of up to 800 km under optimal conditions (pure free-space attenuation). The LoRaWAN range is 702 km at the world record.
Bei Lansitec der Rekord liegt bei 20km:
- Das Gateway ist auf einem 30 m hohen Gebäude installiert.
- Der Tracker befindet sich auf einem Schiff im Meer
- TX-Leistung = 20dBm
Technische Faktoren, die die LoRaWAN-Reichweite beeinflussen
The range of a LoRaWAN network is not simply determined by a single element but is the cumulative result of various technical components. These encompass aspects of the transmission power, receiver sensitivity, and antenna characteristics, which together shape the fundamental capacity of a LoRaWAN network to transmit data over distances.
TX-Leistung Die Sendeleistung ist entscheidend für die Bestimmung der Reichweite von Funkwellen. Höhere Sendeleistung ermöglicht zwar größere Reichweiten, führt aber auch zu einem höheren Energieverbrauch und beeinträchtigt somit die Akkulaufzeit des Geräts. Zudem begrenzen regulatorische Vorgaben häufig die maximal zulässige Sendeleistung. TX-Leistung um Störungen mit anderen drahtlosen Technologien zu vermeiden.
- Regulatorische Einschränkungen: Different countries and regions have unique regulations governing transmission power. For example, in Europe, under the ETSI regulations, the maximum transmission power for LoRaWAN devices is typically limited to 14 dBm in the 868 MHz ISM band.
- Leistungsverstärkung: Some LoRaWAN devices may include power amplifiers to increase their transmission power, but these are constrained by legal limits and the trade-off with battery life.
A more sensitive receiver increases LoRaWAN range as it can pick up weaker signals that would otherwise be lost due to path loss and environmental factors.
- Qualität und Design der Receiver: Hochwertige Empfänger mit besseren Rauschwerten verbessern die Systemempfindlichkeit. Dies ist in Szenarien von entscheidender Bedeutung, in denen Signale über beträchtliche Entfernungen oder unter schwierigen Bedingungen erkannt werden müssen.
- Auswirkungen auf das Netzwerkdesign: Implementing receivers with high sensitivity could potentially reduce the number of Gateways needed in a LoRaWAN deployment since each gateway can detect and process signals from more distant devices.
Antennentyp und Platzierung
The antenna is a crucial element of the LoRaWAN hardware configuration. Its design, placement, and the surrounding environment can significantly impact network range.
- Antennengewinn: Die Verstärkung einer Antenne spiegelt ihre Richtwirkung und Effizienz wider. Eine Antenne mit höherer Verstärkung bündelt die Energie effektiver in eine bestimmte Richtung und erhöht möglicherweise die Reichweite. Antennen mit hoher Verstärkung können jedoch auch schmalere Strahlbreiten haben, was in einigen Einsatzszenarien ein Nachteil sein kann.
- Antennentyp: Rundstrahlantennen strahlen die Leistung gleichmäßig in alle horizontalen Richtungen ab, während Richtantennen die Leistung in eine bestimmte Richtung fokussieren. Die Wahl zwischen diesen Typen hängt von der jeweiligen Anwendung und dem abzudeckenden Bereich ab.
- Platzierung und Umgebung: Der Standort der Antenne kann ebenso wichtig sein wie ihr Design. Antennen sollten frei von Hindernissen und mit guter Sicht auf den Abdeckungsbereich montiert werden. Gebäude, Laub und Gelände können die Signalausbreitung und damit die Reichweite beeinträchtigen.
Freiraumdämpfungsfaktor
Durch die Verdoppelung der Entfernung erhöht sich die LoRa-Freiraumdämpfung um 6 dB, sodass die Funkausbreitungsdämpfung einer logarithmischen Funktion folgt (siehe Formel unten).
- FSPL= Freiraumpfadverlust;
D = Entfernung zwischen TX und Rx in Metern; F = Frequenz in Hertz
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Besides the energy loss caused by the LoRaWAN range, the reflection and refraction of radio waves on objects can also cause radio waves to overlap.
Umweltfaktoren beeinflussen die Reichweite von LoRaWAN
The environment in which a LoRaWAN network operates plays a significant role in its effective range. Factors such as terrain, man-made structures, and weather can affect signal propagation, presenting challenges that must be navigated to maintain good network performance.
- Gelände – Fresnel-Zonenfaktor.
- The physical geography of the landscape can markedly determine the propagation of radio waves. LoRaWAN signals can travel farther in open, flat areas than in hilly or mountainous regions where the line of sight may be frequently obstructed.
- Die Fresnel-Zone ist ein Konzept aus der drahtlosen Kommunikation, das sich auf einen elliptischen Bereich außerhalb der direkten Sichtlinie zwischen zwei Kommunikationsgeräten bezieht. Diese Zone ist für die drahtlose Kommunikation wichtig, da Hindernisse in diesem Bereich Signalstreuung und Mehrwegeeffekte verursachen können, die die Kommunikationsqualität beeinträchtigen können. Daher muss bei der Planung und Installation von drahtlosen Kommunikationssystemen der Einfluss der Fresnel-Zone auf die Signalübertragung berücksichtigt werden, und es ist wichtig, ausreichend Freiraum entlang des Kommunikationspfads sicherzustellen.
- It is essential to establish as a straight line of sight between transmitter and receiver as possible if you want to cover long distances effectively and get a good power transmission balance. Certain areas of space between the lines of sight of the radio transmission are Fresnel regions. The propagation of the waves will be negatively affected if there are objects in these areas, despite the usual visual contact between the transmitting and receiving antennas. For each object in the Fresnel belt, the signal level drops and the LoRaWAN range shrinks (see Figure 3 Fresnel zone factor affert the LoRaWAN range). So it is usually better to install a LoRaWAN building on top of a building. The higher the better.
An omnidirectional antenna is a common technology to be used in LoRaWAN range networks. Thus, radiated energy diffuses into the horizontal plane, and the network nodes and Gateways are located there. In Europe, ISM band transmission power is limited to 14 dBm at 868mhz. 2.15dBi is the maximum antenna gain.
Künstliche Strukturen – Strukturelle Dämpfungsfaktoren und städtische Umgebungen
- In städtischen Gebieten können Gebäude Funksignale sowohl blockieren als auch reflektieren, was zu einer Dämpfung (Signalverlust) und Mehrwegeausbreitung führt, bei der Signale mehrere Wege nehmen, um den Empfänger zu erreichen, was möglicherweise zu Störungen führt und die Qualität des empfangenen Signals verringert.
Strukturdämpfungskoeffizient Die Strukturdämpfung, also die Dämpfung von Funksignalen beim Durchgang durch verschiedene Hindernisse, beeinträchtigt den Empfang gesendeter Signale und sorgt dafür, dass die Signalreichweite stark reduziert wird. Beispielsweise beträgt die Glasdämpfung nur 2 dB. Dies wirkt sich weit weniger aus als bei einer 30 Zentimeter dicken Betonwand. In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Materialien und ihre typischen Dämpfungswerte aufgeführt.
|
Materialdämpfung
|
dB
|
|---|---|
|
Glas (6 mm) |
0.8 |
Wetter und atmosphärische Bedingungen
- Wetterbedingungen wie Regen, Nebel und Feuchtigkeit können Funkwellen absorbieren oder streuen, was zu zusätzlichem Signalverlust führt. Obwohl LoRa im Vergleich zu höherfrequenten Technologien widerstandsfähiger gegen diese Effekte ist, können erhebliche Wetterereignisse die Signalstärke und damit die Reichweite des Netzwerks dennoch verringern.
- These environmental factors underscore the necessity for comprehensive site surveys and network planning to ensure reliable connectivity across different deployment scenarios. It’s important to consider the potential range implications when installing LoRaWAN infrastructure and to adapt the network design to mitigate environmental impacts.
Netzwerkkonfiguration und Faktoren, die die LoRaWAN-Reichweite beeinflussen
Network design and configuration choices directly influence the operational extent of a LoRaWAN network. These choices hinge on spreading factors, bandwidth settings, coding rates, and how the network navigates signal interference.
- Ausbreitungsfaktor (SF)
The Spreading Factor in LoRaWAN modulates the number of chirps per bit of data transmitted. It is a critical parameter that trades off between data rate and range. Higher spreading factors result in lower data rates but allow for a longer range since the signal can be detected over greater distances with a lower signal-to-noise ratio.
- In LoRaWAN networks, the specific setting of the data transfer rate uses spread Factors (SF). The LoRaWAN network uses SF7 to SF12. Due to its chirped spread spectrum modulation and the different phase shift frequencies used in the chirp, the LoRaWAN network is insensitive to interference, multipath propagation and fading. In LoRaWAN range networks, the TX side uses chirp to encode data, while the Rx side uses inverse chirp to decode signals. How many chirps are used per second, the definition of the bit rate, and the amount of energy radiated by each symbol, and the LoRaWAN range that can be achieved have been represented above. For example, the bit rate of SF9 is 1/4 of SF7, which the scalability of LoRaWAN can achieve. The slower the bit rate, the higher the energy and longer airtime, and the greater the range of each data set.
|
Streufaktor
|
Chips/Symbol
|
SNR-Grenze
|
Sendezeit (10-Byte-Paket)
|
Bitrate
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- Durch die Verwendung eines höheren SF werden LoRa-Signale robuster gegenüber Störungen und können über größere Entfernungen empfangen werden, allerdings auf Kosten einer längeren Sendezeit und einer verringerten Netzwerkkapazität.
- Bandbreite und Kodierungsrate
LoRaWAN allows for the adjustment of the bandwidth and coding rate, which affect the LoRa signal’s robustness against noise and interference.
- Bandbreite (BW): Eine größere Bandbreite erhöht die Datenrate und verkürzt die Sendezeit, macht das Signal jedoch anfälliger für Rauschen. Umgekehrt führt eine kleinere Bandbreite zu einer niedrigeren Datenrate, aber einem stabileren Signal.
- Kodierungsrate (CR): Die Codierungsrate definiert das Verhältnis der Datenbits zur Gesamtzahl der übertragenen Bits unter Berücksichtigung von Fehlerkorrekturcodes. Eine höhere Codierungsrate bedeutet, dass mehr redundante Daten übertragen werden, was zu einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen Bitfehler auf Kosten der Datenrateneffizienz führt.
- Kanalstörungen
LoRaWAN operates in the unlicensed ISM bands, where various other devices and technologies also transmit. The presence of interference from these sources can affect the clarity of the signal and reduce effective range.
- Gleichkanalstörungen: Wenn mehrere Geräte auf demselben Frequenzkanal senden, kann es zu Gleichkanalstörungen kommen. Die Verwendung der CSS-Modulation bei LoRa trägt dazu bei, dieses Problem zu mildern, aber in dicht besiedelten Netzwerken bleibt es ein Faktor.
- Einschränkungen des Arbeitszyklus: In einigen Regionen gelten für Übertragungen in den ISM-Bändern Arbeitszyklusbeschränkungen. Dies bezieht sich auf das Verhältnis von Übertragungszeit zu Gesamtzeit und soll die Wahrscheinlichkeit von Störungen verringern. Diese Einschränkung kann sich auf die Anzahl der Nachrichten auswirken, die ein Gerät senden kann, und somit das Netzwerkdesign beeinflussen.
Regulatorische und Compliance-Faktoren
Regulatory factors are also pivotal when determining the range of a LoRaWAN network due to the limitations and requirements imposed by radio spectrum regulators.
- Frequenzregulierung: Verschiedene Regionen haben bestimmte Frequenzbereiche für das ISM-Band festgelegt. Regulierungsbehörden wie die FCC in den USA und ETSI in Europa regeln Frequenz, Leistung und Arbeitszyklus, um den Anforderungen verschiedener Dienste, die das Spektrum gemeinsam nutzen, gerecht zu werden.
- Compliance: Die Einhaltung von Vorschriften ist nicht nur für den legalen Betrieb unerlässlich, sondern auch, um sicherzustellen, dass die Geräte für die von ihnen verwendeten Frequenzen optimiert sind. Die Einhaltung dieser Vorschriften gewährleistet Interoperabilität und Netzwerkzuverlässigkeit und vermeidet gleichzeitig Strafen oder Betriebsstörungen.
Fortschrittliche technologische Faktoren
Emerging advancements in technology offer new Lösungen to enhance the range and efficiency of LoRaWAN networks.
- Adaptive Datenrate (ADR)ADR optimiert SF und TX-Leistung Einstellungen für einzelne Knoten, Verbesserung der Energieeffizienz und der Gesamtleistung des Netzwerks.
- Netzwerktopologie: Deploying additional Gateways can improve coverage and capacity. Strategic placement of these Gateways, considering terrain and potential obstructions, is essential for network optimization. Through these various network configurations and regulatory considerations, one can fine-tune a LoRaWAN network to maximize its range while adhering to legal requirements and optimizing for network traffic.
Fazit und Ausblick
Wrapping up our detailed discussion, we have unraveled the myriad of factors that influence the range of LoRaWAN networks from the technical intricacies of transmission power and receiver sensitivity to the complexities of the environment in which the network is deployed. We have also seen how regulatory considerations and advanced network configurations can further impact the extent and efficiency of network coverage.
In conclusion, maximizing the range of LoRaWAN networks is a dynamic and multifaceted challenge that requires a deep understanding of technical specifications, a careful assessment of the deployment environment, attention to regulatory compliance, and the ability to adapt to ever-advancing technology.
As we look to the future of IoT and connected devices, the lessons learned from these cases and analyses will guide the continued growth and optimisation of LoRaWAN networks across the globe.
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