Introduzione
LoRaWAN La tecnologia Long Range Wide Area Network (Long Range Wide Area Network) ha rivoluzionato il panorama dell'Internet of Things (IoT), offrendo un mezzo per connettere dispositivi su lunghe distanze senza la necessità di un elevato consumo energetico. Questa innovazione rivoluzionaria ha favorito progressi in vari settori, come le smart city, l'agricoltura, la gestione della supply chain e il monitoraggio ambientale.
Comprendere in che modo i fattori influenzano la portata di LoRaWAN è fondamentale per la pianificazione, l'espansione e l'ottimizzazione delle prestazioni della rete, rendendolo un argomento di notevole interesse tecnico e commerciale.
La capacità di massimizzare la portata delle reti LoRaWAN consente l'implementazione di reti di sensori wireless su vaste aree geografiche, un'impresa che un tempo era proibitiva sia dal punto di vista finanziario che logistico. Tuttavia, raggiungere questa copertura estesa non è privo di sfide. La portata di una rete LoRaWAN è soggetta a molteplici influenze che derivano da specifiche tecniche, condizioni ambientali, limiti normativi e caratteristiche intrinseche della propagazione delle radiofrequenze.
Questo articolo si propone di approfondire la miriade di fattori che influenzano la portata delle reti LoRaWAN. Esplorerà i fondamenti tecnici del protocollo, l'interazione di diversi parametri ambientali, l'importanza della topologia di rete e i vincoli imposti dall'aderenza ai quadri normativi. Attraverso questa analisi approfondita, forniremo ai lettori una comprensione completa dei fattori determinanti della portata LoRaWAN, supportata da casi di studio e applicazioni reali.
Capire LoRaWAN
Prima di approfondire i vari fattori che influenzano la portata di una rete LoRaWAN, è essenziale comprendere le caratteristiche fondamentali di questa tecnologia e i principi alla base del suo funzionamento. LoRaWAN si colloca all'intersezione di due componenti chiave: LoRa, il livello fisico o la tecnica di modulazione che codifica i dati in onde radio, e LoRaWAN, il protocollo di rete che definisce l'architettura del sistema e i protocolli di comunicazione.
- LoRa: lo strato fisico
LoRa deriva da "Long Range" (lungo raggio) ed è una tecnica di modulazione a spettro diffuso che impiega la tecnologia Chirp Spread Spectrum (CSS). Questo metodo è noto per mantenere la comunicazione su grandi distanze, raggiungendo portate che possono estendersi per diversi chilometri in aree rurali aperte. Uno dei principali vantaggi della modulazione LoRa è la sua resistenza alle interferenze del segnale e il suo basso consumo energetico, che consente ai dispositivi alimentati a batteria di funzionare per anni senza necessità di ricarica. - LoRaWAN: il protocollo di rete
LoRaWAN definisce il protocollo di comunicazione e l'architettura di sistema per la rete utilizzando il livello fisico LoRa. Si tratta di un protocollo di livello MAC (Media Access Control) che mantiene l'integrità e la sicurezza della rete. LoRaWAN consente la comunicazione bidirezionale, una caratteristica fondamentale per i dispositivi IoT che devono inviare dati (come le letture dei sensori) e ricevere comandi (come i messaggi di controllo degli attuatori).
Come funziona LoRaWAN
- LoRaWAN consente ai dispositivi di comunicare con applicazioni connesse a Internet tramite connessioni wireless a lungo raggio. L'architettura di rete è in genere strutturata in una topologia a stella, in cui i dispositivi terminali utilizzano la comunicazione wireless a singolo salto verso uno o più dispositivi. Gateway LoRaWAN, tutti collegati a un server di rete centrale.
- La tecnologia opera nella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) non autorizzata, che varia a seconda della regione (ad esempio, 868 MHz in Europa, 915 MHz in Nord America). Le reti LoRaWAN possono gestire milioni di messaggi al giorno, il che le rende scalabili e versatili per diverse applicazioni.
Criteri per la descrizione di una rete nella tecnologia radio
Esistono fondamentalmente tre caratteristiche che possono essere utilizzate per descrivere una rete nella tecnologia radio:
- Allineare
- Velocità di trasferimento dati
- Consumo energetico
È difficile attribuire la stessa importanza a tutti e tre i criteri, perché le leggi della fisica hanno limiti ben definiti. Ad esempio, LoRaWAN può trasmettere dati su lunghe distanze con un consumo energetico relativamente basso, ma a velocità di trasmissione dati molto basse.
Wi-Fi e Bluetooth possono raggiungere velocità di trasmissione dati elevate, ma il consumo energetico è relativamente elevato e la portata è ridotta. Tutti gli utenti di smartphone conoscono bene questo consumo di energia. Le stazioni base dei grandi operatori di telecomunicazioni forniscono velocità di trasmissione dati elevate e distanze relativamente lunghe, ma devono fornire molta energia per farlo. Pertanto, l'alimentazione elettrica è un fattore essenziale in tali installazioni.
Equilibrio della trasmissione di potenza
Il bilanciamento della potenza di trasmissione indica la qualità del canale di trasmissione radio. Può essere calcolato sommando la potenza di trasmissione, la sensibilità del ricevitore, il guadagno dell'antenna e la perdita di segnale nello spazio libero (FSPL).
LoRaWAN calcola il bilancio di trasmissione della potenza.
La perdita di percorso rappresenta l'energia persa nello spazio libero lungo la distanza tra trasmettitore e ricevitore. Maggiore è la distanza tra TX e Rx, minore è l'energia.
La perdita di percorso è solitamente espressa come
Dove significa:
FSPL = Perdita di percorso nello spazio libero;
D = distanza tra TX e Rx in metri;
F = frequenza in Hertz
Esiste anche una formula logaritmica ampiamente utilizzata per l'attenuazione nello spazio libero:
Raddoppiare la distanza (d) significa una perdita di 6 dB.
All'estremità ricevente (Rx), la sensibilità del ricevitore è il fattore che influenza il bilanciamento della potenza trasmessa. La sensibilità Rx descrive la minima potenza ricevuta possibile e la tolleranza al rumore termico:
Dove significa:
BW = larghezza di banda in Hz;
NF = fattore di rumore in dB;
SNR = rapporto segnale/rumore.
Indica quanto lontano deve trovarsi il segnale rispetto al rumore.
La ricezione del dispositivo LoRa è più sensibile e, quindi, migliore di quella di una WLAN. Il caso estremo di perdita di percorso senza considerare il guadagno dell'antenna e altri tipi di attenuazione nello spazio libero:
Un esempio di calcolo del bilancio di trasmissione di potenza LoRaWAN:
Potenza TX = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6 dB (i gateway nelle reti LoRaWAN hanno valori NF inferiori);
SNR = -20 (per SF = 12).
L'inserimento di questi numeri nella Formula ③ determina una sensibilità Rx di -137 dBm
Sensibilità Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Il bilancio della trasmissione di potenza può quindi essere calcolato come segue utilizzando la formula:
Bilanciamento della trasmissione di potenza = -137 dB – 14 dB = -151 dB
Con i valori specificati, il bilanciamento della potenza di trasmissione della gamma LoRaWAN è di 151 dB, consentendo di coprire distanze fino a 800 km in condizioni ottimali (attenuazione pura in spazio libero). La portata LoRaWAN è di 702 km, record mondiale.
A Lansitec il record è di 20 km:
- Il gateway è installato sulla sommità di un edificio alto 30 metri
- Il localizzatore è su una nave in mare
- Potenza TX = 20 dBm
Fattori tecnici che influenzano la portata LoRaWAN
La portata di una rete LoRaWAN non è determinata semplicemente da un singolo elemento, ma è il risultato cumulativo di vari componenti tecnici. Questi comprendono aspetti della potenza di trasmissione, della sensibilità del ricevitore e delle caratteristiche dell'antenna, che insieme determinano la capacità fondamentale di una rete LoRaWAN di trasmettere dati a lunga distanza.
La potenza di trasmissione è fondamentale per determinare la distanza massima raggiungibile dalle onde radio. Una potenza maggiore può comportare una portata maggiore; tuttavia, ciò comporta un maggiore consumo energetico, con conseguente riduzione della durata della batteria del dispositivo. Inoltre, i limiti normativi spesso limitano la potenza di trasmissione massima consentita per evitare interferenze con altre tecnologie wireless.
- Restrizioni normative: Paesi e regioni diversi hanno normative specifiche che regolano la potenza di trasmissione. Ad esempio, in Europa, secondo le normative ETSI, la potenza di trasmissione massima per i dispositivi LoRaWAN è in genere limitata a 14 dBm nella banda ISM a 868 MHz.
- Amplificazione di potenza: Alcuni dispositivi LoRaWAN possono includere amplificatori di potenza per aumentare la potenza di trasmissione, ma questi sono limitati da limiti legali e dal compromesso con la durata della batteria.
Un ricevitore più sensibile aumenta la portata LoRaWAN poiché riesce a captare segnali più deboli che altrimenti andrebbero persi a causa della perdita di percorso e di fattori ambientali.
- Qualità e design dei ricevitori: Ricevitori di alta qualità con migliori valori di rumore migliorano la sensibilità del sistema. Questo è fondamentale in scenari in cui i segnali devono essere rilevati a distanze considerevoli o in condizioni difficili.
- Impatto sulla progettazione della rete: L'implementazione di ricevitori con elevata sensibilità potrebbe potenzialmente ridurre il numero di gateway necessari in una distribuzione LoRaWAN, poiché ogni gateway può rilevare ed elaborare segnali provenienti da dispositivi più distanti.
Tipo e posizionamento dell'antenna
L'antenna è un elemento cruciale della configurazione hardware LoRaWAN. La sua progettazione, il suo posizionamento e l'ambiente circostante possono influire in modo significativo sulla portata della rete.
- Guadagno dell'antenna: Il guadagno di un'antenna riflette la sua direttività ed efficienza. Un'antenna con guadagno più elevato concentrerà l'energia in modo più efficace in una particolare direzione, aumentando potenzialmente la portata. Tuttavia, le antenne con guadagno elevato potrebbero anche avere larghezze di fascio più strette, il che può rappresentare uno svantaggio in alcuni scenari di implementazione.
- Tipo di antenna: Le antenne omnidirezionali irradiano potenza uniformemente in tutte le direzioni orizzontali, mentre le antenne direzionali concentrano la potenza in una direzione specifica. La scelta tra queste tipologie dipende dall'applicazione specifica e dall'area da coprire.
- Posizionamento e ambiente: La posizione dell'antenna può essere importante quanto il suo design. Le antenne devono essere montate lontano da ostacoli e con una buona visuale sull'area di copertura. Edifici, vegetazione e terreno possono influire sulla propagazione del segnale, influenzandone la portata.
Fattore di attenuazione dello spazio libero
Raddoppiando la distanza, l'attenuazione nello spazio libero LoRa aumenta di 6 dB, quindi l'attenuazione della propagazione radio segue una funzione logaritmica (vedere la formula seguente).
- FSPL= Perdita di percorso nello spazio libero;
D = distanza tra TX e Rx in metri; F = frequenza in Hertz
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Oltre alla perdita di energia causata dalla portata LoRaWAN, anche la riflessione e la rifrazione delle onde radio sugli oggetti possono causare la sovrapposizione delle onde radio.
Fattori ambientali che influenzano la portata LoRaWAN
L'ambiente in cui opera una rete LoRaWAN gioca un ruolo significativo nella sua portata effettiva. Fattori come il terreno, le strutture artificiali e le condizioni meteorologiche possono influenzare la propagazione del segnale, presentando sfide che devono essere affrontate per mantenere buone prestazioni di rete.
- Terreno——Fattore di zona di Fresnel.
- La geografia fisica del paesaggio può determinare in modo significativo la propagazione delle onde radio. I segnali LoRaWAN possono viaggiare più lontano in aree aperte e pianeggianti rispetto alle regioni collinari o montuose, dove la linea di vista può essere spesso ostruita.
- La zona di Fresnel è un concetto delle comunicazioni wireless che si riferisce a una regione ellittica al di fuori della linea di vista diretta tra due dispositivi di comunicazione. Questa zona è importante nelle comunicazioni wireless, poiché gli ostacoli al suo interno possono causare dispersione del segnale ed effetti multipath, che possono influire sulla qualità della comunicazione. Pertanto, nella pianificazione e installazione di sistemi di comunicazione wireless, è necessario considerare l'impatto della zona di Fresnel sulla trasmissione del segnale e garantire uno spazio libero sufficiente lungo il percorso di comunicazione.
- È essenziale stabilire una linea di vista il più possibile dritta tra trasmettitore e ricevitore se si desidera coprire efficacemente lunghe distanze e ottenere un buon bilanciamento della potenza di trasmissione. Alcune aree dello spazio tra le linee di vista della trasmissione radio sono regioni di Fresnel. La propagazione delle onde sarà influenzata negativamente dalla presenza di oggetti in queste aree, nonostante il consueto contatto visivo tra le antenne trasmittenti e riceventi. Per ogni oggetto nella fascia di Fresnel, il livello del segnale diminuisce e la portata LoRaWAN si riduce (vedere Figura 3 Il fattore zona Fresnel influenza la gamma LoraWAN). Quindi di solito è meglio installare un edificio LoRaWAN sopra un altro edificio. Più è alto, meglio è.
Un'antenna omnidirezionale è una tecnologia comunemente utilizzata nelle reti LoRaWAN. In questo modo, l'energia irradiata si diffonde sul piano orizzontale, dove si trovano i nodi e i gateway di rete. In Europa, la potenza di trasmissione in banda ISM è limitata a 14 dBm a 868 MHz. Il guadagno massimo dell'antenna è di 2,15 dBi.
Strutture artificiali: fattore di smorzamento strutturale e ambienti urbani
- Negli ambienti urbani, gli edifici possono sia ostruire che riflettere i segnali radio, causando attenuazione (perdita del segnale) e propagazione multipercorso, per cui i segnali seguono più percorsi per raggiungere il ricevitore, causando potenzialmente interferenze e riducendo la qualità del segnale ricevuto.
Coefficiente di attenuazione strutturale: l'attenuazione strutturale, ovvero l'attenuazione dei segnali radio durante il passaggio attraverso diversi ostacoli, influisce sulla ricezione dei segnali trasmessi e riduce notevolmente la portata del segnale. Ad esempio, l'attenuazione del vetro è di soli 2 dB. Questo effetto è molto inferiore a quello di un muro di cemento spesso 30 centimetri. La tabella seguente mostra i vari materiali e la loro attenuazione tipica.
|
Attenuazione del materiale
|
dB
|
|---|---|
|
Vetro (6 mm) |
0.8 |
Condizioni meteorologiche e atmosferiche
- Condizioni meteorologiche come pioggia, nebbia e umidità possono assorbire o disperdere le onde radio, causando un'ulteriore perdita di segnale. Sebbene LoRa sia più resistente a questi effetti rispetto alle tecnologie ad alta frequenza, eventi meteorologici significativi possono comunque ridurre la potenza del segnale e, di conseguenza, la portata della rete.
- Questi fattori ambientali sottolineano la necessità di indagini approfondite sul sito e di una pianificazione della rete per garantire una connettività affidabile in diversi scenari di distribuzione. È importante considerare le potenziali implicazioni in termini di portata durante l'installazione dell'infrastruttura LoRaWAN e adattare la progettazione della rete per mitigare l'impatto ambientale.
Configurazione di rete e fattori che influenzano la portata LoRaWAN
Le scelte di progettazione e configurazione della rete influenzano direttamente l'estensione operativa di una rete LoRaWAN. Queste scelte dipendono dai fattori di diffusione, dalle impostazioni di larghezza di banda, dalle velocità di codifica e dal modo in cui la rete gestisce le interferenze del segnale.
- Fattore di diffusione (SF)
Lo Spreading Factor in LoRaWAN modula il numero di chirp per bit di dati trasmessi. È un parametro critico che bilancia la velocità di trasmissione dei dati con la portata. Fattori di spreading più elevati comportano velocità di trasmissione inferiori, ma consentono una portata maggiore, poiché il segnale può essere rilevato a distanze maggiori con un rapporto segnale/rumore inferiore.
- Nelle reti LoRaWAN, l'impostazione specifica della velocità di trasferimento dati utilizza fattori di diffusione (SF). La rete LoRaWAN utilizza da SF7 a SF12. Grazie alla modulazione a spettro diffuso chirp e alle diverse frequenze di sfasamento utilizzate nel chirp, la rete LoRaWAN è insensibile alle interferenze, alla propagazione multipath e al fading. Nelle reti LoRaWAN a portata, il lato TX utilizza il chirp per codificare i dati, mentre il lato Rx utilizza il chirp inverso per decodificare i segnali. Il numero di chirp utilizzati al secondo, la definizione del bit rate, la quantità di energia irradiata da ciascun simbolo e la portata LoRaWAN raggiungibile sono stati rappresentati sopra. Ad esempio, il bit rate di SF9 è 1/4 di SF7, che la scalabilità di LoRaWAN può raggiungere. Più lento è il bit rate, maggiore è l'energia e il tempo di trasmissione, e maggiore è la portata di ciascun set di dati.
|
Fattore di diffusione
|
Chip/simbolo
|
Limite SNR
|
Tempo in onda (pacchetto da 10 byte)
|
Velocità in bit
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- Utilizzando un SF più elevato, i segnali LoRa diventano più resistenti alle interferenze e possono essere ricevuti su distanze maggiori, sebbene a fronte di un tempo di trasmissione maggiore e di una capacità di rete ridotta.
- Larghezza di banda e velocità di codifica
LoRaWAN consente di regolare la larghezza di banda e la velocità di codifica, che influiscono sulla robustezza del segnale LoRa contro rumore e interferenze.
- Larghezza di banda (BW): Una larghezza di banda più ampia aumenta la velocità di trasmissione dei dati, riducendo il tempo di trasmissione ma rendendo il segnale più suscettibile al rumore. Al contrario, una larghezza di banda inferiore si traduce in una velocità di trasmissione inferiore ma in un segnale più resiliente.
- Tasso di codifica (CR): La velocità di codifica definisce il rapporto tra i bit di dati e il numero totale di bit trasmessi, tenendo conto dei codici di correzione degli errori. Una velocità di codifica più elevata comporta la trasmissione di più dati ridondanti, garantendo una maggiore resilienza agli errori di bit a scapito dell'efficienza della velocità di trasmissione dati.
- Interferenza del canale
LoRaWAN opera nelle bande ISM non autorizzate, dove trasmettono anche altri dispositivi e tecnologie. La presenza di interferenze da queste fonti può compromettere la chiarezza del segnale e ridurne la portata effettiva.
- Interferenza co-canale: Quando numerosi dispositivi trasmettono sullo stesso canale di frequenza, possono verificarsi interferenze tra canali. L'uso della modulazione CSS in LoRa aiuta a mitigare questo problema, ma rimane un fattore determinante nelle reti densamente popolate.
- Limitazioni del ciclo di lavoro: Alcune regioni impongono limiti al duty cycle per le trasmissioni nelle bande ISM. Questo si riferisce al rapporto tra il tempo di trasmissione e il tempo totale ed è progettato per ridurre il rischio di interferenze. Questa limitazione può influire sul numero di messaggi che un dispositivo può inviare e quindi influenzare la progettazione della rete.
Fattori normativi e di conformità
Anche i fattori normativi sono fondamentali per determinare la portata di una rete LoRaWAN, a causa delle limitazioni e dei requisiti imposti dagli enti regolatori dello spettro radio.
- Regolamentazione delle frequenze: diverse regioni hanno designato intervalli di frequenza specifici per la banda ISM. Gli enti di regolamentazione, come la FCC negli Stati Uniti e l'ETSI in Europa, regolano la frequenza, la potenza e il ciclo di lavoro per bilanciare le esigenze dei vari servizi che condividono lo spettro.
- Conformità: il rispetto delle normative è essenziale non solo per il funzionamento legale, ma anche per garantire che i dispositivi siano ottimizzati per le frequenze utilizzate. Il rispetto di queste normative garantisce l'interoperabilità e l'affidabilità della rete, evitando sanzioni o interruzioni operative.
Fattori tecnologici avanzati
I progressi tecnologici emergenti offrono nuove soluzioni per migliorare la portata e l'efficienza delle reti LoRaWAN.
- Velocità dati adattiva (ADR): ADR ottimizza le impostazioni di potenza SF e TX per i singoli nodi, migliorando l'efficienza energetica e le prestazioni complessive della rete.
- Topologia di rete: L'implementazione di gateway aggiuntivi può migliorare la copertura e la capacità. Il posizionamento strategico di questi gateway, tenendo conto del terreno e dei potenziali ostacoli, è essenziale per l'ottimizzazione della rete. Attraverso queste diverse configurazioni di rete e considerazioni normative, è possibile ottimizzare una rete LoRaWAN per massimizzarne la portata, nel rispetto dei requisiti legali e ottimizzando il traffico di rete.
Conclusione e prospettive future
Concludendo la nostra analisi dettagliata, abbiamo analizzato la miriade di fattori che influenzano la portata delle reti LoRaWAN, dalle complessità tecniche della potenza di trasmissione e della sensibilità del ricevitore alle complessità dell'ambiente in cui la rete viene implementata. Abbiamo anche visto come considerazioni normative e configurazioni di rete avanzate possano ulteriormente influire sull'estensione e sull'efficienza della copertura di rete.
In conclusione, massimizzare la portata delle reti LoRaWAN è una sfida dinamica e multiforme che richiede una profonda comprensione delle specifiche tecniche, un'attenta valutazione dell'ambiente di distribuzione, attenzione alla conformità normativa e la capacità di adattarsi alla tecnologia in continua evoluzione.
Guardando al futuro dell'IoT e dei dispositivi connessi, le lezioni apprese da questi casi e da queste analisi guideranno la continua crescita e ottimizzazione delle reti LoRaWAN in tutto il mondo.
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