Introduction
LoRaWAN La technologie des réseaux étendus à longue portée (Long Range Wide Area Network) a révolutionné l'Internet des objets (IoT), permettant de connecter des appareils sur de longues distances sans consommer beaucoup d'énergie. Cette innovation révolutionnaire a propulsé des avancées dans divers secteurs, tels que les villes intelligentes, l'agriculture, la gestion de la chaîne d'approvisionnement et la surveillance environnementale.
Comprendre comment les facteurs influencent l'étendue de LoRaWAN Elle est essentielle pour la planification, l'expansion et l'optimisation des performances du réseau, ce qui en fait un sujet d'un intérêt technique et commercial considérable.
La capacité à maximiser la gamme de LoRaWAN Les réseaux permettent le déploiement de réseaux de capteurs sans fil sur de vastes étendues géographiques, un exploit qui était autrefois financièrement et logistiquement impossible. Cependant, parvenir à cette couverture étendue n'est pas sans difficultés. La portée d'un LoRaWAN Le réseau est soumis à de multiples influences qui découlent des spécifications techniques, des conditions environnementales, des limites réglementaires et des caractéristiques inhérentes à la propagation des radiofréquences.
Cet article vise à explorer la myriade de facteurs affectant l'étendue de LoRaWAN Ce document explorera les fondements techniques du protocole, l'interaction des différents paramètres environnementaux, l'importance de la topologie du réseau et les contraintes imposées par le respect des cadres réglementaires. Grâce à cet examen approfondi, nous fournirons aux lecteurs une compréhension globale des déterminants de LoRaWAN une gamme de produits, étayée par des études de cas et des applications concrètes.
Comprendre LoRaWAN
Avant d'examiner les différents facteurs qui influencent la portée d'un LoRaWAN Pour comprendre le fonctionnement d'un réseau, il est essentiel de saisir les caractéristiques fondamentales de cette technologie et les principes qui régissent son fonctionnement. LoRaWAN se situe à l'intersection de deux composantes clés : LoRa, la couche physique ou la technique de modulation qui encode les données en ondes radio, et LoRaWAN, le protocole réseau qui définit l'architecture du système et les protocoles de communication.
- LoRa : la couche physique
LoRa est un dérivé de « Long Range » et est une technique de modulation à spectre étalé qui utilise la technologie Chirp Spread Spectrum (CSS). Cette méthode est connue pour maintenir la communication sur de grandes distances, atteignant des portées pouvant s'étendre sur plusieurs kilomètres dans les zones rurales ouvertes. L'un des principaux avantages de la modulation LoRa est sa résilience aux interférences de signal et ses faibles besoins en énergie, ce qui permet aux appareils fonctionnant sur batterie de fonctionner pendant des années sans avoir à les recharger. - LoRaWAN: Le protocole réseau
LoRaWAN Ce protocole définit la communication et l'architecture système du réseau en utilisant la couche physique LoRa. Il s'agit d'un protocole de couche MAC (Media Access Control) qui garantit l'intégrité et la sécurité du réseau. LoRaWAN permet une communication bidirectionnelle, une fonctionnalité cruciale pour les appareils IoT qui doivent envoyer des données (telles que des relevés de capteurs) et recevoir des commandes (comme des messages de contrôle d'actionneurs).
Comment LoRaWAN Travaux
- LoRaWAN permet aux appareils de communiquer avec des applications connectées à Internet via des connexions sans fil longue portée. L'architecture réseau est généralement organisée selon une topologie en étoile, où les dispositifs finaux utilisent une communication sans fil à saut unique vers un ou plusieurs nœuds. LoRaWAN passerelles, tous connectés à un serveur réseau central.
- Cette technologie fonctionne dans la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) sans licence, qui varie selon les régions (par exemple, 868 MHz en Europe, 915 MHz en Amérique du Nord). LoRaWAN Les réseaux peuvent traiter des millions de messages par jour, ce qui les rend évolutifs et polyvalents pour diverses applications.
Critères de description d'un réseau en technologie radio
Il existe essentiellement trois caractéristiques qui peuvent être utilisées pour décrire un réseau en technologie radio :
- Gamme
- Vitesse de transfert des données
- Consommation d'énergie
Il est difficile d'accorder une importance égale aux trois critères car les lois de la physique imposent des limites claires à cet égard. Par exemple, LoRaWAN peut transmettre des données sur de longues distances avec relativement peu d'énergie, mais à des débits de données très faibles.
Le Wi-Fi et le Bluetooth permettent d'atteindre des débits de données élevés, mais la consommation d'énergie est relativement élevée et la portée est faible. Tous les utilisateurs de smartphones connaissent bien cette soif d'énergie. Les stations de base des grands opérateurs de télécommunications offrent des débits de données élevés et des distances relativement longues, mais doivent pour cela fournir beaucoup d'énergie. L'alimentation électrique est donc un facteur essentiel dans de telles installations.
Équilibrage de la transmission de puissance
Le bilan de puissance de transmission indique la qualité du canal de transmission radio. Il peut être calculé en additionnant la puissance de transmission, la sensibilité du récepteur, le gain d'antenne et la perte de trajet en espace libre (FSPL).
LoRaWAN calcule le bilan de transmission de puissance.
La perte de trajet représente l'énergie perdue dans l'espace libre sur une distance entre l'émetteur et le récepteur. Plus le TX est éloigné du Rx, plus l'énergie est faible.
La perte de trajet est généralement exprimée comme
Où signifie:
FSPL = Perte de trajet en espace libre ;
d = distance entre TX et Rx en mètres ;
f = fréquence en Hertz
Il existe également une formule logarithmique largement utilisée pour l’atténuation en espace libre :
Le doublement de la distance (d) signifie une perte de 6 dB.
À l'extrémité réceptrice (Rx), la sensibilité de l'extrémité réceptrice est le facteur qui affecte l'équilibre de la transmission de puissance. La sensibilité Rx décrit la puissance reçue minimale possible et la tolérance au bruit thermique :
Où signifie :
BW = bande passante en Hz ;
NF = facteur de bruit en dB ;
SNR = rapport signal sur bruit.
Il indique à quelle distance le signal doit se trouver par rapport au bruit.
Le récepteur du dispositif LoRa est plus sensible et donc meilleur que le WLAN. Le cas extrême de perte de trajet sans tenir compte du gain d'antenne et d'autres types d'atténuation en espace libre :
Un exemple de calcul d'un LoRaWAN équilibre de transmission de puissance :
Puissance TX = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6 dB (le passerelles dans LoRaWAN les réseaux ont des valeurs NF plus faibles) ;
SNR = -20 (pour SF = 12).
La saisie de ces chiffres dans la formule ③ donne une sensibilité Rx de -137 dBm
Sensibilité Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Le bilan de transmission de puissance peut alors être calculé comme suit à l'aide de la formule :
Bilan de transmission de puissance = -137 dB – 14 dB = -151 dB
Avec les valeurs spécifiées, le LoRaWAN L'équilibre de transmission de puissance en portée est de 151 dB, ce qui lui permet de couvrir des distances allant jusqu'à 800 km dans des conditions optimales (atténuation en espace libre pure). LoRaWAN L'autonomie est de 702 km, un record mondial.
À Lansitec le record est de 20km:
- La passerelle est installée au sommet d'un bâtiment de 30 m
- Le tracker est sur un bateau en mer
- Puissance TX = 20 dBm
Facteurs techniques affectant la portée de LoRaWAN
La gamme d'un LoRaWAN Un réseau n'est pas déterminé par un seul élément, mais résulte de l'accumulation de divers composants techniques. Ceux-ci englobent des aspects tels que la puissance d'émission, la sensibilité du récepteur et les caractéristiques de l'antenne, qui, ensemble, façonnent la capacité fondamentale d'un réseau. LoRaWAN réseau pour transmettre des données sur de longues distances.
Puissance TX La puissance est un facteur essentiel pour déterminer la portée des ondes radio. Une puissance plus élevée permet d'atteindre des portées plus importantes ; cependant, cela entraîne une consommation d'énergie accrue, ce qui affecte l'autonomie de la batterie. De plus, les réglementations limitent souvent la puissance maximale autorisée. Puissance TX pour éviter les interférences avec d'autres technologies sans fil.
- Restrictions réglementairesDifférents pays et régions appliquent des réglementations spécifiques en matière de transport d'électricité. Par exemple, en Europe, selon la réglementation de l'ETSI, la puissance maximale transportée pour LoRaWAN La puissance des appareils est généralement limitée à 14 dBm dans la bande ISM de 868 MHz.
- Amplification de puissance: Quelques LoRaWAN Ces appareils peuvent inclure des amplificateurs de puissance pour augmenter leur puissance de transmission, mais ceux-ci sont limités par des contraintes légales et par le compromis nécessaire avec l'autonomie de la batterie.
Un récepteur plus sensible augmente LoRaWAN Sa portée est accrue car elle permet de capter des signaux plus faibles qui seraient autrement perdus en raison de l'affaiblissement du signal et des facteurs environnementaux.
- Qualité et conception des récepteurs:Les récepteurs de haute qualité avec de meilleurs facteurs de bruit améliorent la sensibilité du système. Cela est essentiel dans les scénarios où les signaux doivent être détectés à des distances considérables ou dans des conditions difficiles.
- Impact sur la conception du réseauL'utilisation de récepteurs à haute sensibilité pourrait potentiellement réduire le nombre de passerelles nécessaire dans un LoRaWAN déploiement possible car chaque passerelle peut détecter et traiter les signaux provenant d'appareils plus distants.
Type et emplacement de l'antenne
L'antenne est un élément crucial de LoRaWAN La configuration matérielle, sa conception, son emplacement et l'environnement qui l'entoure peuvent avoir un impact significatif sur la portée du réseau.
- Gain d'antenne:Le gain d'une antenne reflète sa directivité et son efficacité. Une antenne à gain élevé concentrera l'énergie plus efficacement dans une direction particulière, augmentant ainsi éventuellement la portée. Cependant, les antennes à gain élevé peuvent également avoir des largeurs de faisceau plus étroites, ce qui peut constituer un inconvénient dans certains scénarios de déploiement.
- Type d'antenne:Les antennes omnidirectionnelles diffusent la puissance uniformément dans toutes les directions horizontales, tandis que les antennes directionnelles concentrent la puissance dans une direction spécifique. Le choix entre ces types dépend de l'application particulière et de la zone à couvrir.
- Placement et environnement:L'emplacement de l'antenne peut être aussi important que sa conception. Les antennes doivent être montées à l'écart de tout obstacle et avec une bonne visibilité sur la zone de couverture. Les bâtiments, le feuillage et le terrain peuvent tous avoir un impact sur la propagation du signal, affectant ainsi la portée.
Facteur d'atténuation de l'espace libre
En doublant la distance, l'atténuation en espace libre LoRa augmente de 6 dB, de sorte que l'atténuation de la propagation radio suit une fonction logarithmique (voir formule ci-dessous).
- FSPL= Perte de trajet en espace libre ;
d = distance entre TX et Rx en mètres ; f = fréquence en Hertz
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Outre la perte d'énergie causée par LoRaWAN En outre, la réflexion et la réfraction des ondes radio sur les objets peuvent également provoquer un chevauchement des ondes radio.
Facteurs environnementaux ayant un impact sur la portée de LoRaWAN
L'environnement dans lequel un LoRaWAN Le fonctionnement du réseau influe considérablement sur sa portée. Des facteurs tels que le relief, les infrastructures humaines et les conditions météorologiques peuvent affecter la propagation du signal, ce qui représente un défi à relever pour maintenir de bonnes performances réseau.
- Terrain——Facteur de zone de Fresnel.
- La géographie physique du paysage peut déterminer de manière significative la propagation des ondes radio. LoRaWAN Les signaux peuvent porter plus loin dans les zones ouvertes et plates que dans les régions vallonnées ou montagneuses où la visibilité peut être fréquemment obstruée.
- La zone de Fresnel est un concept de communication sans fil qui fait référence à une région elliptique située en dehors de la ligne de visée directe entre deux appareils de communication. Cette zone est importante dans la communication sans fil, car les obstacles dans cette zone peuvent provoquer une diffusion du signal et des effets de trajets multiples, qui peuvent affecter la qualité de la communication. Par conséquent, lors de la planification et de l'installation de systèmes de communication sans fil, l'impact de la zone de Fresnel sur la transmission du signal doit être pris en compte et il est important de garantir un espace libre suffisant le long du chemin de communication.
- Il est essentiel d'établir une ligne de visée aussi directe que possible entre l'émetteur et le récepteur pour couvrir efficacement de longues distances et obtenir un bon équilibre de puissance d'émission. Certaines zones de l'espace situées entre les lignes de visée de la transmission radio sont appelées zones de Fresnel. La propagation des ondes sera affectée négativement par la présence d'objets dans ces zones, malgré le contact visuel habituel entre les antennes d'émission et de réception. Pour chaque objet dans la bande de Fresnel, le niveau du signal diminue et… LoRaWAN la portée se réduit (voir Figure 3 Facteur de zone de Fresnel agissant sur LoRaWAN gammeIl est donc généralement préférable d'installer un LoRaWAN Construire au-dessus d'un autre bâtiment. Plus c'est haut, mieux c'est.
Une antenne omnidirectionnelle est une technologie couramment utilisée dans LoRaWAN réseaux de portée. Ainsi, l'énergie rayonnée se diffuse dans le plan horizontal, et les nœuds du réseau et passerelles sont situés à cet endroit. En Europe, la puissance d'émission en bande ISM est limitée à 14 dBm à 868 MHz. Le gain maximal de l'antenne est de 2,15 dBi.
Structures artificielles — Facteur d'amortissement structurel et environnements urbains
- En milieu urbain, les bâtiments peuvent à la fois obstruer et réfléchir les signaux radio, ce qui entraîne une atténuation (perte de signal) et une propagation multitrajet, où les signaux empruntent plusieurs chemins pour atteindre le récepteur, provoquant potentiellement des interférences et réduisant la qualité du signal reçu.
Coefficient d'atténuation structurelle L'atténuation structurelle, c'est-à-dire l'atténuation des signaux radio lorsqu'ils traversent différents obstacles, affecte la réception des signaux transmis et garantit que la portée du signal est considérablement réduite. Par exemple, l'atténuation du verre n'est que de 2 dB. Cela affecte bien moins qu'un mur en béton de 30 centimètres d'épaisseur. Le tableau ci-dessous présente les différents matériaux et leur atténuation typique
|
Atténuation matérielle
|
dB
|
|---|---|
|
Verre (6 mm) |
0.8 |
Conditions météorologiques et atmosphériques
- Les conditions météorologiques telles que la pluie, le brouillard et l'humidité peuvent absorber ou disperser les ondes radio, entraînant une perte de signal supplémentaire. Bien que LoRa soit plus résistant à ces effets que les technologies à fréquence plus élevée, des événements météorologiques importants peuvent néanmoins diminuer la puissance du signal et, par conséquent, la portée du réseau.
- Ces facteurs environnementaux soulignent la nécessité d'études de site complètes et d'une planification réseau rigoureuse afin de garantir une connectivité fiable dans différents scénarios de déploiement. Il est important de prendre en compte les implications potentielles sur la portée lors de l'installation. LoRaWAN infrastructure et d'adapter la conception du réseau pour atténuer les impacts environnementaux.
Configuration du réseau et facteurs affectant la portée LoRaWAN
Les choix de conception et de configuration du réseau influencent directement l'étendue opérationnelle d'un réseau. LoRaWAN Ces choix dépendent du réseau. Ils dépendent des facteurs d'étalement, des paramètres de bande passante, des taux de codage et de la façon dont le réseau gère les interférences de signal.
- Facteur d'étalement (FS)
Le facteur de propagation dans LoRaWAN Le facteur d'étalement module le nombre de modulations par bit de données transmises. C'est un paramètre crucial qui détermine le compromis entre le débit de données et la portée. Des facteurs d'étalement plus élevés entraînent des débits de données plus faibles, mais permettent une plus grande portée, car le signal peut être détecté à de plus grandes distances avec un rapport signal/bruit plus faible.
- Dans LoRaWAN Sur les réseaux, le paramétrage spécifique du débit de transfert de données utilise des facteurs d'étalement (SF). LoRaWAN Le réseau utilise les fréquences SF7 à SF12. Grâce à sa modulation à spectre étalé par chirp et aux différentes fréquences de déphasage utilisées dans le chirp, le LoRaWAN Le réseau est insensible aux interférences, à la propagation multi-trajets et à l'évanouissement. LoRaWAN Dans les réseaux de transmission, l'émetteur utilise le chirp pour encoder les données, tandis que le récepteur utilise le chirp inverse pour décoder les signaux. Le nombre de chirps utilisés par seconde, la définition du débit binaire et la quantité d'énergie émise par chaque symbole sont des éléments importants à considérer. LoRaWAN Les plages de valeurs atteignables ont été représentées ci-dessus. Par exemple, le débit binaire du SF9 est quatre fois inférieur à celui du SF7, ce qui explique l'évolutivité de… LoRaWAN On peut atteindre ces performances. Plus le débit binaire est faible, plus la consommation d'énergie est élevée, plus la durée de transmission est longue et plus la portée de chaque ensemble de données est grande.
|
Facteur de propagation
|
Jetons/symbole
|
Limite SNR
|
Temps de diffusion (paquet de 10 octets)
|
Débit binaire
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- En utilisant un SF plus élevé, les signaux LoRa deviennent plus résistants aux interférences et peuvent être reçus sur de plus longues distances, bien qu'avec le compromis d'un temps d'antenne accru et d'une capacité de réseau réduite.
- Bande passante et taux de codage
LoRaWAN permet le réglage de la bande passante et du taux de codage, ce qui influe sur la robustesse du signal LoRa face au bruit et aux interférences.
- Bande passante (BW):Une bande passante plus large augmente le débit de données, réduisant ainsi le temps de diffusion mais rendant le signal plus sensible au bruit. À l'inverse, une bande passante plus petite entraîne un débit de données plus faible mais un signal plus résilient.
- Taux de codage (CR):Le taux de codage définit le rapport entre les bits de données et le nombre total de bits transmis, en tenant compte des codes de correction d'erreur. Un taux de codage plus élevé signifie que davantage de données redondantes sont transmises, ce qui offre une résilience accrue aux erreurs de bits au détriment de l'efficacité du débit de données.
- Interférence de canal
LoRaWAN Il fonctionne dans les bandes ISM non soumises à licence, où émettent également divers autres appareils et technologies. La présence d'interférences provenant de ces sources peut affecter la clarté du signal et réduire sa portée effective.
- Interférence entre canaux:Lorsque de nombreux appareils transmettent sur le même canal de fréquence, des interférences entre canaux peuvent se produire. L'utilisation de la modulation CSS par LoRa permet d'atténuer ce problème, mais il reste un facteur dans les réseaux densément peuplés.
- Limitations du cycle de service:Certaines régions imposent des limites de cycle de service aux transmissions dans les bandes ISM. Il s'agit du rapport entre le temps de transmission et le temps total et il est conçu pour réduire les risques d'interférences. Cette limitation peut affecter le nombre de messages qu'un appareil peut envoyer et donc influencer la conception du réseau.
Facteurs réglementaires et de conformité
Les facteurs réglementaires sont également essentiels pour déterminer la plage de valeurs d'une valeur donnée. LoRaWAN réseau en raison des limitations et des exigences imposées par les organismes de réglementation du spectre radioélectrique.
- Réglementation des fréquences : différentes régions ont désigné des plages de fréquences spécifiques pour la bande ISM. Les organismes de réglementation, tels que la FCC aux États-Unis et l'ETSI en Europe, régissent la fréquence, la puissance et le cycle de service afin d'équilibrer les besoins des différents services partageant le spectre.
- Conformité : le respect des réglementations est essentiel non seulement pour un fonctionnement légal, mais également pour garantir que les appareils sont optimisés pour les fréquences qu'ils utilisent. Le respect de ces réglementations garantit l'interopérabilité et la fiabilité du réseau tout en évitant les pénalités ou les interruptions opérationnelles.
Facteurs technologiques avancés
Les progrès technologiques émergents offrent de nouvelles perspectives. solutions pour améliorer la portée et l'efficacité de LoRaWAN réseaux.
- Débit de données adaptatif (ADR): ADR optimise SF et Puissance TX Des paramètres pour chaque nœud permettent d'améliorer l'efficacité énergétique et les performances globales du réseau.
- Topologie du réseauDéploiement supplémentaire passerelles peut améliorer la couverture et la capacité. Le placement stratégique de ces passerelles, La prise en compte du terrain et des obstacles potentiels est essentielle à l'optimisation du réseau. Grâce à ces différentes configurations de réseau et aux considérations réglementaires, il est possible d'affiner un réseau. LoRaWAN réseau afin de maximiser sa portée tout en respectant les exigences légales et en optimisant le trafic réseau.
Conclusion et perspectives d’avenir
Pour conclure notre discussion approfondie, nous avons mis au jour la myriade de facteurs qui influencent l'étendue de LoRaWAN Nous avons examiné les réseaux, depuis les subtilités techniques de la puissance d'émission et de la sensibilité du récepteur jusqu'aux complexités de l'environnement dans lequel ils sont déployés. Nous avons également constaté comment les considérations réglementaires et les configurations de réseau avancées peuvent influencer l'étendue et l'efficacité de la couverture réseau.
En conclusion, maximiser la portée de LoRaWAN Les réseaux représentent un défi dynamique et multiforme qui exige une compréhension approfondie des spécifications techniques, une évaluation minutieuse de l'environnement de déploiement, une attention particulière à la conformité réglementaire et la capacité de s'adapter à une technologie en constante évolution.
Alors que nous nous tournons vers l'avenir de l'Internet des objets et des appareils connectés, les enseignements tirés de ces cas et analyses guideront la croissance et l'optimisation continues de LoRaWAN des réseaux à travers le monde.
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