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.
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.
Comprendre LoRaWAN
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 : 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: 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).
Comment 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 passerelles, tous connectés à un serveur réseau central.
- 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.
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
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.
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 calculates the power transmission balance.
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 :
An example of calculating a LoRaWAN power transmission balance:
Puissance TX = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6 dB (the passerelles dans LoRaWAN networks have lower NF values);
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
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.
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
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.
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 réglementaires: 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.
- Amplification de puissance: 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.
- 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 réseau: Implementing receivers with high sensitivity could potentially reduce the number of passerelles needed in a LoRaWAN deployment since each gateway can detect and process signals from more distant devices.
Type et emplacement de l'antenne
The antenna is a crucial element of the LoRaWAN hardware configuration. Its design, placement, and the surrounding environment can significantly impact network range.
- 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].
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.
Facteurs environnementaux ayant un impact sur la portée de 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.
- Terrain——Facteur de zone de Fresnel.
- 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.
- 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.
- 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 passerelles are located there. In Europe, ISM band transmission power is limited to 14 dBm at 868mhz. 2.15dBi is the maximum antenna gain.
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.
- 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.
Configuration du réseau et facteurs affectant la portée LoRaWAN
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.
- Facteur d'étalement (FS)
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.
- Dans 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.
|
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 allows for the adjustment of the bandwidth and coding rate, which affect the LoRa signal’s robustness against noise and interference.
- 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 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.
- 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
Regulatory factors are also pivotal when determining the range of a LoRaWAN network due to the limitations and requirements imposed by radio spectrum regulators.
- 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
Emerging advancements in technology offer new solutions to enhance the range and efficiency of LoRaWAN networks.
- 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 réseau: Deploying additional passerelles can improve coverage and capacity. Strategic placement of these passerelles, 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.
Conclusion et perspectives d’avenir
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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