Introdução
LoRaWAN A tecnologia (Long Range Wide Area Network) revolucionou o cenário da Internet das Coisas (IoT), proporcionando um meio de conectar dispositivos a longas distâncias sem a necessidade de alto consumo de energia. Essa inovação revolucionária impulsionou avanços em diversos setores, como cidades inteligentes, agricultura, gestão da cadeia de suprimentos e monitoramento ambiental.
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.
Compreendendo 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: A Camada Física
LoRa deriva de "Long Range" e é uma técnica de modulação de espectro espalhado que emprega a tecnologia Chirp Spread Spectrum (CSS). Este método é conhecido por manter a comunicação em grandes distâncias, alcançando alcances que podem se estender por vários quilômetros em áreas rurais abertas. Um dos principais benefícios da modulação LoRa é sua resiliência à interferência de sinal e seu baixo consumo de energia, permitindo que dispositivos alimentados por bateria funcionem por anos sem recarga. - 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).
Como 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 portais, todos conectados a um servidor de rede 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.
Critérios para descrever uma rede em tecnologia de rádio
Existem basicamente três características que podem ser usadas para descrever uma rede em tecnologia de rádio:
- Faixa
- Velocidade de transferência de dados
- Consumo de energia
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.
Wi-Fi e Bluetooth podem atingir altas taxas de dados, mas o consumo de energia é relativamente alto e o alcance é pequeno. Todos os usuários de smartphones estão familiarizados com essa demanda por energia. As estações rádio-base das grandes operadoras de telecomunicações oferecem altas taxas de dados e distâncias relativamente longas, mas precisam fornecer muita energia para isso. Portanto, a fonte de alimentação é um fator essencial nessas instalações.
Equilíbrio de transmissão de potência
O balanço de potência de transmissão indica a qualidade do canal de transmissão de rádio. Ele pode ser calculado somando-se a potência de transmissão, a sensibilidade do receptor, o ganho da antena e a perda de trajetória no espaço livre (FSPL).
LoRaWAN calculates the power transmission balance.
A perda de caminho representa a energia perdida no espaço livre ao longo de uma distância entre o transmissor e o receptor. Quanto mais distante TX estiver de Rx, menor será a energia.
A perda de caminho é geralmente expressa como
Onde significa:
FSPL = Perda de caminho no espaço livre;
d = distância entre TX e Rx em metros;
f = frequência em Hertz
Há também uma fórmula logarítmica amplamente utilizada para atenuação do espaço livre:
O dobro da distância (d) significa uma perda de 6dB.
Na extremidade receptora (Rx), a sensibilidade da extremidade receptora é o fator que afeta o equilíbrio da transmissão de potência. A sensibilidade Rx descreve a potência recebida mínima possível e a tolerância ao ruído térmico:
Onde significa:
BW = largura de banda em Hz;
NF = fator de ruído em dB;
SNR = relação sinal-ruído.
Ela informa a que distância o sinal deve estar do ruído.
O Rx do dispositivo LoRa é mais sensível e, portanto, melhor que o WLAN. O caso extremo de perda de caminho sem considerar o ganho da antena e outros tipos de atenuação de espaço livre:
An example of calculating a LoRaWAN power transmission balance:
Potência TX = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6dB (the portais em LoRaWAN networks have lower NF values);
SNR = -20 (para SF = 12).
A inserção desses números na Fórmula 3 resulta em uma sensibilidade Rx de -137 dBm
Sensibilidade Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
O equilíbrio de transmissão de potência pode então ser calculado da seguinte forma usando a Fórmula:
Balanço de transmissão de potência = -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.
No Lansitec o recorde é de 20km:
- O Gateway está instalado no topo de um edifício de 30 m
- O rastreador está em um navio no mar
- Potência TX = 20dBm
Fatores técnicos que afetam o alcance do 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.
Potência TX É vital para determinar o alcance das ondas de rádio. Maior potência pode resultar em maior alcance; no entanto, isso implica em maior consumo de energia, afetando a duração da bateria do dispositivo. Além disso, limites regulamentares geralmente restringem o máximo permitido. Potência TX Para evitar interferências com outras tecnologias sem fio.
- Restrições regulatórias: 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.
- Amplificação de potência: 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.
- Qualidade e Design de Receptores: Receptores de alta qualidade com melhores índices de ruído melhoram a sensibilidade do sistema. Isso é fundamental em cenários onde os sinais precisam ser detectados a distâncias consideráveis ou em condições desafiadoras.
- Impacto no design de rede: Implementing receivers with high sensitivity could potentially reduce the number of portais needed in a LoRaWAN deployment since each gateway can detect and process signals from more distant devices.
Tipo e posicionamento da antena
The antenna is a crucial element of the LoRaWAN hardware configuration. Its design, placement, and the surrounding environment can significantly impact network range.
- Ganho da Antena: O ganho de uma antena reflete sua diretividade e eficiência. Uma antena com maior ganho concentrará a energia de forma mais eficaz em uma direção específica, possivelmente aumentando o alcance. No entanto, antenas com alto ganho também podem ter larguras de feixe mais estreitas, o que pode ser uma desvantagem em alguns cenários de implantação.
- Tipo de antena: Antenas omnidirecionais irradiam energia uniformemente em todas as direções horizontais, enquanto antenas direcionais concentram a energia em uma direção específica. A escolha entre esses tipos depende da aplicação específica e da área que precisa de cobertura.
- Colocação e Ambiente: A localização da antena pode ser tão importante quanto seu design. As antenas devem ser instaladas longe de obstruções e com boa visibilidade para a área de cobertura. Prédios, vegetação e terreno podem impactar a propagação do sinal, afetando o alcance.
Fator de atenuação do espaço livre
Ao dobrar a distância, a atenuação do espaço livre LoRa aumenta em 6 dB, então a atenuação da propagação de rádio segue uma função logarítmica (veja a fórmula abaixo).
- FSPL= Perda de caminho no espaço livre;
d = distância entre TX e Rx em metros; f = frequência em 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.
Fatores ambientais que impactam o alcance do 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.
- Terreno——Fator de zona 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.
- A zona de Fresnel é um conceito em comunicação sem fio que se refere a uma região elíptica fora da linha de visão direta entre dois dispositivos de comunicação. Essa zona é importante na comunicação sem fio, pois obstáculos dentro dela podem causar dispersão de sinal e efeitos de multipercurso, o que pode afetar a qualidade da comunicação. Portanto, no planejamento e na instalação de sistemas de comunicação sem fio, o impacto da zona de Fresnel na transmissão do sinal precisa ser considerado, e garantir espaço livre suficiente ao longo do caminho de comunicação é fundamental.
- 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 portais are located there. In Europe, ISM band transmission power is limited to 14 dBm at 868mhz. 2.15dBi is the maximum antenna gain.
Estruturas artificiais — fator de amortecimento estrutural e ambientes urbanos
- Em ambientes urbanos, os edifícios podem obstruir e refletir sinais de rádio, levando à atenuação (perda de sinal) e propagação de múltiplos caminhos, onde os sinais percorrem vários caminhos para chegar ao receptor, potencialmente causando interferência e reduzindo a qualidade do sinal recebido.
Coeficiente de atenuação estrutural: a atenuação estrutural, ou seja, a atenuação dos sinais de rádio ao atravessarem diferentes obstáculos, afeta a recepção dos sinais transmitidos e garante uma redução significativa no alcance do sinal. Por exemplo, a atenuação do vidro é de apenas 2 dB. Isso afeta muito menos do que uma parede de concreto com 30 centímetros de espessura. A tabela abaixo mostra os diferentes materiais e suas atenuações típicas.
|
Atenuação do material
|
dB
|
|---|---|
|
Vidro (6 mm) |
0.8 |
Condições climáticas e atmosféricas
- Condições climáticas como chuva, neblina e umidade podem absorver ou dispersar ondas de rádio, levando a perdas adicionais de sinal. Embora o LoRa seja mais resistente a esses efeitos em comparação com tecnologias de frequência mais alta, eventos climáticos significativos ainda podem diminuir a intensidade do sinal e, consequentemente, o alcance da rede.
- 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.
Configuração de rede e fatores que afetam o alcance do 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.
- Fator de Espalhamento (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.
- Em 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.
|
Fator de espalhamento
|
Fichas/símbolo
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Limite SNR
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Tempo no ar (pacote de 10 bytes)
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Taxa de bits
|
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- Ao usar um SF mais alto, os sinais LoRa se tornam mais resistentes à interferência e podem ser recebidos em distâncias maiores, embora com a desvantagem de maior tempo de transmissão e menor capacidade de rede.
- Largura de banda e taxa de codificação
LoRaWAN allows for the adjustment of the bandwidth and coding rate, which affect the LoRa signal’s robustness against noise and interference.
- Largura de banda (BW): Uma largura de banda maior aumenta a taxa de dados, reduzindo o tempo no ar, mas tornando o sinal mais suscetível a ruídos. Por outro lado, uma largura de banda menor resulta em uma taxa de dados menor, mas em um sinal mais resiliente.
- Taxa de codificação (CR): A taxa de codificação define a proporção de bits de dados em relação ao número total de bits transmitidos, contabilizando os códigos de correção de erros. Uma taxa de codificação mais alta significa que mais dados redundantes são transmitidos, proporcionando maior resiliência a erros de bits em detrimento da eficiência da taxa de dados.
- Interferência 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.
- Interferência de co-canal: Quando vários dispositivos transmitem no mesmo canal de frequência, pode ocorrer interferência entre canais. O uso da modulação CSS pelo LoRa ajuda a mitigar esse problema, mas ele continua sendo um fator em redes densamente povoadas.
- Limitações do ciclo de trabalho: Algumas regiões impõem limites de ciclo de trabalho para transmissões nas bandas ISM. Isso se refere à relação entre o tempo de transmissão e o tempo total e visa reduzir a chance de interferência. Essa limitação pode afetar o número de mensagens que um dispositivo pode enviar e, portanto, influenciar o projeto da rede.
Fatores regulatórios e de conformidade
Regulatory factors are also pivotal when determining the range of a LoRaWAN network due to the limitations and requirements imposed by radio spectrum regulators.
- Regulamentações de Frequência: Diferentes regiões designaram faixas de frequência específicas para a banda ISM. Órgãos reguladores, como a FCC nos Estados Unidos e a ETSI na Europa, regulam a frequência, a potência e o ciclo de trabalho para equilibrar as necessidades dos diversos serviços que compartilham o espectro.
- Conformidade: O cumprimento das regulamentações é essencial não apenas para a operação legal, mas também para garantir que os dispositivos sejam otimizados para as frequências que utilizam. A conformidade com essas regulamentações garante a interoperabilidade e a confiabilidade da rede, evitando penalidades ou interrupções operacionais.
Fatores Tecnológicos Avançados
Emerging advancements in technology offer new soluções to enhance the range and efficiency of LoRaWAN networks.
- Taxa de Dados Adaptável (ADR)ADR otimiza SF e Potência TX Configurações para nós individuais, melhorando a eficiência energética e o desempenho geral da rede.
- Topologia de rede: Deploying additional portais can improve coverage and capacity. Strategic placement of these portais, 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.
Conclusão e Perspectivas Futuras
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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