บ้าน - ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อระยะ LoRaWAN ใน IoT

ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อระยะ LoRaWAN ใน IoT

ธันวาคม 19, 2023
กรณีศึกษา IoT

ธันวาคม 19, 2023
กรณีศึกษา IoT

การแนะนำ

โลราวัน เทคโนโลยี (เครือข่ายระยะไกลและกว้าง) ได้ปฏิวัติวงการอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ด้วยการเชื่อมต่ออุปกรณ์ในระยะไกลโดยไม่ต้องใช้พลังงานมาก นวัตกรรมที่ก้าวล้ำนี้ได้ขับเคลื่อนความก้าวหน้าในหลายภาคส่วน เช่น เมืองอัจฉริยะ เกษตรกรรม การจัดการห่วงโซ่อุปทาน และการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม

การทำความเข้าใจว่าปัจจัยต่างๆ มีอิทธิพลต่อขอบเขตของ LoRaWAN อย่างไรถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวางแผนเครือข่าย การขยายเครือข่าย และการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ซึ่งทำให้เป็นหัวข้อที่น่าสนใจในทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์อย่างมาก

ความสามารถในการขยายขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN ให้ครอบคลุมมากที่สุด ช่วยให้สามารถติดตั้งเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายได้ครอบคลุมพื้นที่ทางภูมิศาสตร์อันกว้างใหญ่ ซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นสิ่งที่ต้องใช้งบประมาณและงบประมาณจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม การบรรลุขอบเขตที่ครอบคลุมนี้ก็ยังไม่ใช่เรื่องง่าย ขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ซึ่งได้แก่ ข้อกำหนดทางเทคนิค สภาพแวดล้อม ขอบเขตของกฎระเบียบ และลักษณะเฉพาะของการแพร่กระจายคลื่นความถี่วิทยุ

บทความนี้มุ่งเจาะลึกปัจจัยมากมายที่ส่งผลต่อขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN โดยจะสำรวจพื้นฐานทางเทคนิคของโปรโตคอล ปฏิสัมพันธ์ของพารามิเตอร์สภาพแวดล้อมต่างๆ ความสำคัญของโครงสร้างเครือข่าย และข้อจำกัดที่เกิดจากการปฏิบัติตามกรอบการกำกับดูแล การวิเคราะห์อย่างละเอียดนี้จะช่วยให้ผู้อ่านมีความเข้าใจอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับปัจจัยกำหนดขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN พร้อมเสริมด้วยกรณีศึกษาและการประยุกต์ใช้จริง

ทำความเข้าใจ LoRaWAN

ก่อนที่จะเจาะลึกถึงปัจจัยต่างๆ ที่มีอิทธิพลต่อระยะสัญญาณของเครือข่าย LoRaWAN จำเป็นต้องเข้าใจลักษณะพื้นฐานของเทคโนโลยีนี้และหลักการเบื้องหลังการทำงานของมันเสียก่อน LoRaWAN เกิดจากจุดเชื่อมต่อขององค์ประกอบสำคัญสองประการ ได้แก่ LoRa ซึ่งเป็นชั้นกายภาพหรือเทคนิคการมอดูเลตที่เข้ารหัสข้อมูลเป็นคลื่นวิทยุ และ LoRaWAN ซึ่งเป็นโพรโทคอลเครือข่ายที่กำหนดสถาปัตยกรรมระบบและโพรโทคอลการสื่อสาร

LoRa: ชั้นกายภาพ
LoRa มาจากคำว่า “Long Range” และเป็นเทคนิคการมอดูเลตแบบกระจายสเปกตรัมที่ใช้เทคโนโลยี Chirp Spread Spectrum (CSS) วิธีการนี้เป็นที่รู้จักในการรักษาการสื่อสารในระยะทางไกล ให้ระยะครอบคลุมหลายกิโลเมตรในพื้นที่เปิดโล่งในชนบท ประโยชน์หลักประการหนึ่งของการมอดูเลต LoRa คือความทนทานต่อสัญญาณรบกวนและใช้พลังงานต่ำ ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นานหลายปีโดยไม่ต้องชาร์จใหม่
LoRaWAN: โปรโตคอลเครือข่าย
LoRaWAN กำหนดโปรโตคอลการสื่อสารและสถาปัตยกรรมระบบสำหรับเครือข่ายโดยใช้เลเยอร์ทางกายภาพของ LoRa ซึ่งเป็นโปรโตคอลเลเยอร์ควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) ที่รักษาความสมบูรณ์และความปลอดภัยของเครือข่าย LoRaWAN ช่วยให้สามารถสื่อสารแบบสองทิศทาง ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญสำหรับอุปกรณ์ IoT ที่ต้องส่งข้อมูล (เช่น การอ่านค่าจากเซ็นเซอร์) และรับคำสั่ง (เช่น ข้อความควบคุมแอคชูเอเตอร์)

LoRaWAN ทำงานอย่างไร

LoRaWAN ช่วยให้อุปกรณ์สามารถสื่อสารกับแอปพลิเคชันที่เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตผ่านการเชื่อมต่อไร้สายระยะไกลได้ โดยทั่วไปสถาปัตยกรรมเครือข่ายจะวางอยู่ในโทโพโลยีแบบดาว ซึ่งอุปกรณ์ปลายทางจะใช้การสื่อสารไร้สายแบบฮอปเดียวไปยังอุปกรณ์หนึ่งหรือหลายอุปกรณ์ เกตเวย์ LoRaWANทั้งหมดเชื่อมต่อกับเซิร์ฟเวอร์เครือข่ายส่วนกลาง
เทคโนโลยีนี้ทำงานในย่านความถี่ ISM (อุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์) ที่ไม่ได้รับอนุญาต ซึ่งแตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค (เช่น 868 MHz ในยุโรป และ 915 MHz ในอเมริกาเหนือ) เครือข่าย LoRaWAN สามารถรองรับข้อความได้หลายล้านข้อความต่อวัน ทำให้ปรับขนาดได้และใช้งานได้หลากหลายสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย

เกณฑ์การอธิบายเครือข่ายในเทคโนโลยีวิทยุ

โดยพื้นฐานแล้วมีคุณลักษณะสามประการที่สามารถใช้เพื่ออธิบายเครือข่ายในเทคโนโลยีวิทยุ:

พิสัย
ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูล
การใช้พลังงาน

เป็นการยากที่จะให้ความสำคัญกับทั้งสามเกณฑ์นี้อย่างเท่าเทียมกัน เพราะกฎฟิสิกส์มีข้อจำกัดที่ชัดเจน ตัวอย่างเช่น LoRaWAN สามารถส่งข้อมูลในระยะทางไกลได้โดยใช้พลังงานค่อนข้างน้อย แต่มีอัตราการส่งข้อมูลที่ต่ำมาก

Wi-Fi และ Bluetooth สามารถให้อัตราข้อมูลสูงได้ แต่ใช้พลังงานค่อนข้างสูงและระยะสัญญาณสั้น ผู้ใช้สมาร์ทโฟนทุกคนต่างคุ้นเคยกับความต้องการพลังงานนี้เป็นอย่างดี สถานีฐานของผู้ให้บริการโทรคมนาคมรายใหญ่ให้อัตราข้อมูลสูงและระยะทางค่อนข้างไกล แต่จำเป็นต้องจ่ายพลังงานจำนวนมากเพื่อให้ทำได้ ดังนั้น แหล่งจ่ายไฟจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการติดตั้งระบบดังกล่าว

รูปที่ 1: แผนภาพระยะการสื่อสารและการใช้พลังงาน

รูปที่ 2: แผนภาพช่วงการสื่อสารและอัตราข้อมูล — รูปที่ 2: แผนภาพระยะการสื่อสารและอัตราข้อมูล

สมดุลการส่งกำลัง

ความสมดุลของกำลังส่งบ่งบอกถึงคุณภาพของช่องสัญญาณวิทยุ ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยการบวกกำลังส่ง ความไวของตัวรับสัญญาณ อัตราขยายของเสาอากาศ และการสูญเสียเส้นทางในอวกาศ (FSPL)

LoRaWAN คำนวณสมดุลการส่งพลังงาน

การสูญเสียเส้นทางหมายถึงพลังงานที่สูญเสียไปในอวกาศว่างตลอดระยะทางระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ ยิ่ง TX อยู่ไกลจาก Rx มากเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

การสูญเสียเส้นทางมักจะแสดงเป็น

ที่ไหนหมายถึง:

เอฟเอสพีแอล = การสูญเสียเส้นทางพื้นที่ว่าง;

ง = ระยะทางระหว่าง TX และ Rx เป็นเมตร

เอฟ = ความถี่เป็นเฮิรตซ์

ยังมีสูตรลอการิทึมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการลดทอนพื้นที่ว่างด้วย:

ระยะทางสองเท่า (d) หมายถึงการสูญเสีย 6dB

ที่ฝั่งรับ (Rx) ความไวของฝั่งรับเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อสมดุลการส่งกำลัง ความไว Rx อธิบายถึงค่าต่ำสุดที่เป็นไปได้ของกำลังรับและค่าความคลาดเคลื่อนของสัญญาณรบกวนทางความร้อน:

Where หมายถึง:

BW = แบนด์วิดท์เป็นเฮิรตซ์

NF = ปัจจัยสัญญาณรบกวนเป็นเดซิเบล

SNR = อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน

มันบอกว่าสัญญาณจะต้องอยู่ห่างจากสัญญาณรบกวนแค่ไหน

Rx ของอุปกรณ์ LoRa มีความไวสูงกว่า จึงดีกว่า WLAN กรณีสุดขั้วของการสูญเสียเส้นทางโดยไม่คำนึงถึงอัตราขยายของเสาอากาศและการลดทอนสัญญาณแบบพื้นที่ว่างประเภทอื่นๆ:

ตัวอย่างการคำนวณสมดุลการส่งพลังงาน LoRaWAN:
กำลังส่ง = 14 dBm;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
เอ็นเอฟ = 6เดซิเบล (เกตเวย์ในเครือข่าย LoRaWAN มีค่า NF ต่ำกว่า)
SNR = -20 (สำหรับ SF = 12)
การป้อนตัวเลขเหล่านี้ในสูตร ③ ส่งผลให้มีความไว Rx เท่ากับ -137 เดซิเบลเมตร
ความไว Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
จากนั้นสามารถคำนวณสมดุลการส่งกำลังได้โดยใช้สูตรดังต่อไปนี้:
สมดุลการส่งกำลัง = -137dB – 14dB = -151dB

ด้วยค่าที่กำหนด สมดุลการส่งกำลังของช่วง LoRaWAN อยู่ที่ 151 dB จึงสามารถเอาชนะระยะทางสูงสุด 800 กม. ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (การลดทอนพื้นที่ว่างล้วนๆ) ระยะ LoRaWAN อยู่ที่ 702 กม. ซึ่งถือเป็นสถิติโลก

ที่ แลนซิเทค สถิติคือ 20 กม.:

ติดตั้งเกตเวย์ไว้บนอาคารสูง 30 เมตร
เครื่องติดตามอยู่บนเรือในทะเล
กำลังส่ง = 20dBm

ปัจจัยทางเทคนิคที่ส่งผลต่อช่วง LoRaWAN

ระยะการทำงานของเครือข่าย LoRaWAN ไม่ได้ถูกกำหนดโดยองค์ประกอบเพียงองค์ประกอบเดียว แต่เป็นผลรวมขององค์ประกอบทางเทคนิคต่างๆ ซึ่งประกอบด้วยกำลังส่ง ความไวของตัวรับสัญญาณ และคุณลักษณะของเสาอากาศ ซึ่งทั้งหมดนี้ล้วนกำหนดความสามารถพื้นฐานของเครือข่าย LoRaWAN ในการส่งข้อมูลระยะไกล

กำลังส่งกำลัง (TX Power) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดระยะทางที่คลื่นวิทยุสามารถเดินทางได้ กำลังส่งที่สูงขึ้นอาจหมายถึงระยะทางที่ไกลขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ นอกจากนี้ กฎระเบียบมักจำกัดกำลังส่งกำลังส่งสูงสุดที่อนุญาตเพื่อป้องกันการรบกวนจากเทคโนโลยีไร้สายอื่นๆ

ข้อจำกัดด้านกฎระเบียบประเทศและภูมิภาคต่างๆ มีกฎระเบียบเฉพาะที่ควบคุมกำลังส่ง ตัวอย่างเช่น ในยุโรป ภายใต้กฎระเบียบ ETSI กำลังส่งสูงสุดสำหรับอุปกรณ์ LoRaWAN โดยทั่วไปจะจำกัดไว้ที่ 14 dBm ในย่านความถี่ ISM 868 MHz
การขยายกำลัง:อุปกรณ์ LoRaWAN บางชนิดอาจรวมเครื่องขยายกำลังเพื่อเพิ่มกำลังในการส่งสัญญาณ แต่จะมีข้อจำกัดทางกฎหมายและต้องแลกมาด้วยอายุการใช้งานแบตเตอรี่

ตัวรับที่มีความไวมากขึ้นจะช่วยเพิ่มระยะของ LoRaWAN เนื่องจากสามารถรับสัญญาณที่อ่อนกว่าได้ ซึ่งอาจสูญหายไปเนื่องจากการสูญเสียเส้นทางและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

คุณภาพและการออกแบบของเครื่องรับ:ตัวรับสัญญาณคุณภาพสูงที่มีสัญญาณรบกวนที่ดีกว่าจะช่วยปรับปรุงความไวของระบบ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ต้องตรวจจับสัญญาณในระยะไกลหรือในสภาวะที่ท้าทาย
ผลกระทบต่อการออกแบบเครือข่าย:การนำตัวรับสัญญาณที่มีความไวสูงมาใช้อาจช่วยลดจำนวนเกตเวย์ที่จำเป็นในการใช้งาน LoRaWAN ได้ เนื่องจากเกตเวย์แต่ละตัวสามารถตรวจจับและประมวลผลสัญญาณจากอุปกรณ์ที่อยู่ห่างไกลออกไปได้

ประเภทและตำแหน่งของเสาอากาศ

เสาอากาศเป็นองค์ประกอบสำคัญของการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ LoRaWAN การออกแบบ การจัดวาง และสภาพแวดล้อมโดยรอบสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อระยะการทำงานของเครือข่าย

อัตราขยายของเสาอากาศ:ค่าเกนของเสาอากาศสะท้อนถึงทิศทางและประสิทธิภาพ เสาอากาศที่มีค่าเกนสูงจะรวมพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ซึ่งอาจส่งผลให้มีระยะครอบคลุมมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศที่มีค่าเกนสูงอาจมีความกว้างของลำแสงที่แคบกว่า ซึ่งอาจเป็นข้อเสียในบางสถานการณ์การใช้งาน
ประเภทเสาอากาศเสาอากาศแบบรอบทิศทางจะแผ่พลังงานอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางแนวนอน ในขณะที่เสาอากาศแบบกำหนดทิศทางจะรวมพลังงานไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง การเลือกใช้เสาอากาศประเภทนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะและพื้นที่ที่ต้องการครอบคลุม
การจัดวางและสภาพแวดล้อม:ตำแหน่งของเสาอากาศมีความสำคัญพอๆ กับการออกแบบ ควรติดตั้งเสาอากาศให้ห่างจากสิ่งกีดขวาง และอยู่ในแนวสายตาที่ดีไปยังพื้นที่ครอบคลุม อาคาร ต้นไม้ และภูมิประเทศ ล้วนส่งผลกระทบต่อการแพร่กระจายสัญญาณ ซึ่งอาจส่งผลต่อระยะสัญญาณได้

ปัจจัยการลดทอนพื้นที่ว่าง

การเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่า จะทำให้การลดทอนสัญญาณในพื้นที่ว่างของ LoRa เพิ่มขึ้น 6dB ดังนั้นการลดทอนการแพร่กระจายคลื่นวิทยุจึงเป็นไปตามฟังก์ชันลอการิทึม (ดูสูตรด้านล่าง)

เอฟเอสพีแอล= การสูญเสียเส้นทางพื้นที่ว่าง;
ง = ระยะทางระหว่าง TX และ Rx เป็นเมตร เอฟ = ความถี่เป็นเฮิรตซ์
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147.55]

นอกเหนือจากการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากระยะ LoRaWAN แล้ว การสะท้อนและการหักเหของคลื่นวิทยุบนวัตถุยังสามารถทำให้คลื่นวิทยุทับซ้อนกันได้อีกด้วย

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่มีผลกระทบต่อช่วง LoRaWAN

สภาพแวดล้อมที่เครือข่าย LoRaWAN ทำงานมีบทบาทสำคัญต่อระยะการทำงานที่มีประสิทธิภาพ ปัจจัยต่างๆ เช่น ภูมิประเทศ โครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้น และสภาพอากาศ สามารถส่งผลกระทบต่อการแพร่กระจายสัญญาณ ก่อให้เกิดความท้าทายที่ต้องดำเนินการเพื่อรักษาประสิทธิภาพเครือข่ายให้ดี

ภูมิประเทศ——ปัจจัยโซนเฟรสเนล
ภูมิศาสตร์กายภาพของภูมิประเทศสามารถกำหนดการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุได้อย่างชัดเจน สัญญาณ LoRaWAN สามารถเดินทางได้ไกลกว่าในพื้นที่เปิดโล่งและราบเรียบ เมื่อเทียบกับพื้นที่ภูเขาหรือเนินเขา ซึ่งมักถูกบดบังด้วยแนวการมองเห็น
เฟรสเนลโซนเป็นแนวคิดในการสื่อสารไร้สายที่หมายถึงพื้นที่รูปวงรีที่อยู่นอกแนวสายตาโดยตรงระหว่างอุปกรณ์สื่อสารสองเครื่อง โซนนี้มีความสำคัญในการสื่อสารไร้สาย เนื่องจากสิ่งกีดขวางภายในพื้นที่นี้สามารถทำให้เกิดการกระเจิงของสัญญาณและผลกระทบแบบหลายเส้นทาง ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อคุณภาพการสื่อสาร ดังนั้น ในการวางแผนและติดตั้งระบบสื่อสารไร้สาย จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบของเฟรสเนลโซนต่อการส่งสัญญาณ และการสร้างระยะห่างที่เพียงพอตลอดเส้นทางการสื่อสารจึงเป็นสิ่งสำคัญ
สิ่งสำคัญคือต้องสร้างแนวสายตาตรงระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับให้ได้มากที่สุด หากต้องการครอบคลุมระยะทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพและได้สมดุลการส่งพลังงานที่ดี พื้นที่บางส่วนระหว่างแนวสายตาของการส่งสัญญาณวิทยุคือบริเวณเฟรสเนล การแพร่กระจายของคลื่นจะได้รับผลกระทบในทางลบหากมีวัตถุอยู่ในบริเวณเหล่านี้ แม้ว่าจะมีการสัมผัสทางสายตาระหว่างเสาอากาศส่งและเสาอากาศรับสัญญาณตามปกติก็ตาม สำหรับแต่ละวัตถุในแถบเฟรสเนล ระดับสัญญาณจะลดลงและระยะ LoRaWAN จะแคบลง (ดู รูปที่ 3 ปัจจัยโซนเฟรสเนลส่งผลต่อช่วง LoraWAN) ดังนั้นการติดตั้งอาคาร LoRaWAN ไว้บนอาคารจึงมักจะดีกว่า ยิ่งสูงยิ่งดี

รูปที่ 3 ปัจจัยโซนเฟรสเนลส่งผลต่อช่วงลอราวัน

เสาอากาศรอบทิศทางเป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้ในเครือข่าย LoRaWAN ดังนั้น พลังงานที่แผ่ออกมาจะกระจายไปในระนาบแนวนอน และโหนดเครือข่ายและเกตเวย์จะตั้งอยู่ตรงนั้น ในยุโรป กำลังส่งสัญญาณในย่าน ISM ถูกจำกัดไว้ที่ 14 dBm ที่ความถี่ 868 เมกะเฮิรตซ์ โดยอัตราขยายสูงสุดของเสาอากาศคือ 2.15 dBi

โครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้น——ปัจจัยการหน่วงโครงสร้างและสภาพแวดล้อมในเมือง

ในบริเวณเมือง อาคารอาจขวางกั้นและสะท้อนสัญญาณวิทยุ ทำให้เกิดการลดทอน (สูญเสียสัญญาณ) และการแพร่กระจายหลายเส้นทาง โดยสัญญาณต้องใช้หลายเส้นทางเพื่อไปถึงตัวรับ ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและลดคุณภาพของสัญญาณที่รับได้

ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนโครงสร้าง การลดทอนโครงสร้าง กล่าวคือ การลดทอนสัญญาณวิทยุเมื่อผ่านสิ่งกีดขวางต่างๆ ส่งผลต่อการรับสัญญาณที่ส่งออกและทำให้ช่วงสัญญาณลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การลดทอนของกระจกมีค่าเพียง 2 เดซิเบล ซึ่งน้อยกว่าผนังคอนกรีตหนา 30 เซนติเมตรมาก ตารางด้านล่างแสดงวัสดุต่างๆ และการลดทอนโดยทั่วไป

การลดทอนของวัสดุ	เดซิเบล
กระจก(6มม.) กระจก(13มม.) ไม้(76มม.) อิฐ(89มม.) อิฐ(178มม.) อิฐ(267มม.) อิฐ(102มม.) กำแพงหิน(203มม.) อิฐคอนกรีต(192มม.) กำแพงหิน(406มม.) คอนกรีต(203) คอนกรีตเสริมเหล็ก(89มม.) กำแพงหิน(610มม.) คอนกรีต(305มม.)	0.8 2 2.8 3.5 5 7 12 12 14 17 23 27 28 35

การลดทอนของวัสดุ

เดซิเบล

กระจก(6มม.)
กระจก(13มม.)
ไม้(76มม.)
อิฐ(89มม.)
อิฐ(178มม.)
อิฐ(267มม.)
อิฐ(102มม.)
กำแพงหิน(203มม.)
อิฐคอนกรีต(192มม.)
กำแพงหิน(406มม.)
คอนกรีต(203)
คอนกรีตเสริมเหล็ก(89มม.)
กำแพงหิน(610มม.)
คอนกรีต(305มม.)

0.8
2
2.8
3.5
5
7
12
12
14
17
23
27
28
35

สภาพอากาศและบรรยากาศ

สภาพอากาศ เช่น ฝน หมอก และความชื้น สามารถดูดซับหรือกระจายคลื่นวิทยุ ทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณเพิ่มเติม แม้ว่า LoRa จะมีความทนทานต่อผลกระทบเหล่านี้ได้ดีกว่าเทคโนโลยีความถี่สูง แต่เหตุการณ์สภาพอากาศที่รุนแรงก็ยังสามารถลดความแรงของสัญญาณ และส่งผลให้ระยะสัญญาณของเครือข่ายลดลงได้
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเหล่านี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการสำรวจพื้นที่และการวางแผนเครือข่ายอย่างครอบคลุม เพื่อให้มั่นใจว่าการเชื่อมต่อจะเสถียรในทุกสถานการณ์การใช้งาน สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากระยะการเชื่อมต่อเมื่อติดตั้งโครงสร้างพื้นฐาน LoRaWAN และปรับการออกแบบเครือข่ายเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การกำหนดค่าเครือข่ายและปัจจัยที่มีผลต่อช่วง LoRaWAN

การออกแบบและการกำหนดค่าเครือข่ายมีอิทธิพลโดยตรงต่อขอบเขตการทำงานของเครือข่าย LoRaWAN ตัวเลือกเหล่านี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยการกระจายสัญญาณ การตั้งค่าแบนด์วิดท์ อัตราการเข้ารหัส และวิธีที่เครือข่ายนำทางผ่านสัญญาณรบกวน

ปัจจัยการแพร่กระจาย (SF)
ปัจจัยการแพร่กระจายใน LoRaWAN ทำหน้าที่ควบคุมจำนวนเสียงแหลมต่อบิตของข้อมูลที่ส่ง ปัจจัยการแพร่กระจายนี้ถือเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ส่งผลต่ออัตราความเร็วและระยะการรับส่งข้อมูล ปัจจัยการแพร่กระจายที่สูงขึ้นส่งผลให้อัตราความเร็วการรับส่งข้อมูลลดลง แต่ให้ระยะการรับส่งข้อมูลที่ไกลขึ้น เนื่องจากสามารถตรวจจับสัญญาณได้ในระยะไกลขึ้น โดยมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ต่ำลง

- ในเครือข่าย LoRaWAN การตั้งค่าอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่เฉพาะเจาะจงจะใช้ค่า Spread Factors (SF) เครือข่าย LoRaWAN ใช้ SF7 ถึง SF12 เนื่องจากการมอดูเลตสเปกตรัมแบบกระจายแบบ Chirped และความถี่การเลื่อนเฟสที่แตกต่างกันที่ใช้ใน Chirp ทำให้เครือข่าย LoRaWAN ไม่ไวต่อสัญญาณรบกวน การแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง และการเฟด ในเครือข่ายช่วง LoRaWAN ฝั่ง TX จะใช้ Chirp เพื่อเข้ารหัสข้อมูล ในขณะที่ฝั่ง Rx จะใช้ Chirp ผกผันเพื่อถอดรหัสสัญญาณ จำนวน Chirp ที่ใช้ต่อวินาที นิยามของอัตราบิต ปริมาณพลังงานที่แผ่โดยแต่ละสัญลักษณ์ และช่วง LoRaWAN ที่สามารถทำได้ ได้แสดงไว้ข้างต้นแล้ว ตัวอย่างเช่น อัตราบิตของ SF9 เท่ากับ 1/4 ของ SF7 ซึ่งความสามารถในการปรับขนาดของ LoRaWAN สามารถทำได้ ยิ่งบิตเรตช้า พลังงานและเวลาออกอากาศก็จะยิ่งสูงขึ้น และช่วงของชุดข้อมูลแต่ละชุดก็จะยิ่งมากขึ้น

ปัจจัยการแพร่กระจาย	ชิป/สัญลักษณ์	ขีดจำกัด SNR	เวลาออกอากาศ (แพ็กเก็ต 10 ไบต์)	อัตราบิต
7 8 9 10 11 12	128 256 512 1024 2048 4096	-7.5 -10 -12.5 -15 -17.5 -20	56มิลลิวินาที 103 มิลลิวินาที 205 มิลลิวินาที 371 มิลลิวินาที 741 มิลลิวินาที 1483 มิลลิวินาที	5469 บิตต่อวินาที 3125bps 1758 บิตต่อวินาที 977 บิตต่อวินาที 537 บิตต่อวินาที 293 บิตต่อวินาที

- การใช้ SF ที่สูงขึ้นทำให้สัญญาณ LoRa มีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนมากขึ้นและสามารถรับได้ในระยะทางที่ไกลขึ้น แม้ว่าจะต้องแลกมาด้วยเวลาการสื่อสารที่เพิ่มขึ้นและความจุของเครือข่ายที่ลดลงก็ตาม
แบนด์วิธและอัตราการเข้ารหัส
LoRaWAN ช่วยให้สามารถปรับแบนด์วิดท์และอัตราการเข้ารหัสได้ ซึ่งส่งผลต่อความทนทานของสัญญาณ LoRa ต่อสัญญาณรบกวนและสัญญาณรบกวน

- แบนด์วิดท์ (BW):แบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นจะเพิ่มอัตราข้อมูล ทำให้เวลาออกอากาศลดลงแต่สัญญาณจะอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนมากขึ้น ในทางกลับกัน แบนด์วิดท์ที่เล็กลงจะทำให้อัตราข้อมูลลดลงแต่สัญญาณมีความทนทานมากขึ้น
- อัตราการเข้ารหัส (CR)อัตราการเข้ารหัสกำหนดอัตราส่วนของบิตข้อมูลต่อจำนวนบิตทั้งหมดที่ส่งออก ซึ่งคิดเป็นรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด อัตราการเข้ารหัสที่สูงขึ้นหมายถึงการส่งข้อมูลซ้ำซ้อนมากขึ้น ส่งผลให้มีความทนทานต่อข้อผิดพลาดบิตมากขึ้น แต่ประสิทธิภาพอัตราข้อมูลก็ลดลง
การรบกวนช่องสัญญาณ
LoRaWAN ทำงานในย่านความถี่ ISM ที่ไม่มีใบอนุญาต ซึ่งอุปกรณ์และเทคโนโลยีอื่นๆ ก็ส่งสัญญาณเช่นกัน การมีสัญญาณรบกวนจากแหล่งเหล่านี้อาจส่งผลต่อความชัดเจนของสัญญาณและลดระยะสัญญาณที่มีประสิทธิภาพ

- การรบกวนร่วมช่องสัญญาณ:เมื่ออุปกรณ์จำนวนมากส่งสัญญาณบนช่องความถี่เดียวกัน อาจเกิดการรบกวนกันระหว่างช่องสัญญาณได้ การใช้การมอดูเลต CSS ของ LoRa ช่วยลดปัญหานี้ได้ แต่ยังคงเป็นปัจจัยหนึ่งในเครือข่ายที่มีความหนาแน่นสูง
- ข้อจำกัดของรอบการทำงาน:บางภูมิภาคกำหนดขีดจำกัดรอบการทำงาน (duty cycle limit) สำหรับการส่งสัญญาณในย่าน ISM ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนของเวลาในการส่งสัญญาณต่อเวลารวม และออกแบบมาเพื่อลดโอกาสการรบกวน ข้อจำกัดนี้อาจส่งผลต่อจำนวนข้อความที่อุปกรณ์สามารถส่งได้ และส่งผลต่อการออกแบบเครือข่าย

ปัจจัยด้านกฎระเบียบและการปฏิบัติตาม

ปัจจัยด้านกฎระเบียบยังมีความสำคัญเมื่อกำหนดระยะของเครือข่าย LoRaWAN เนื่องจากข้อจำกัดและข้อกำหนดที่กำหนดโดยหน่วยงานกำกับดูแลสเปกตรัมวิทยุ

กฎระเบียบด้านความถี่: ภูมิภาคต่างๆ ได้กำหนดช่วงความถี่เฉพาะสำหรับย่านความถี่ ISM หน่วยงานกำกับดูแล เช่น FCC ในสหรัฐอเมริกา และ ETSI ในยุโรป ทำหน้าที่ควบคุมความถี่ กำลังไฟฟ้า และรอบการทำงาน เพื่อสร้างสมดุลให้กับความต้องการของบริการต่างๆ ที่ใช้คลื่นความถี่ร่วมกัน
การปฏิบัติตามกฎระเบียบ: การปฏิบัติตามกฎระเบียบเป็นสิ่งสำคัญ ไม่เพียงแต่สำหรับการดำเนินงานตามกฎหมายเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการรับรองว่าอุปกรณ์ได้รับการปรับให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้ การปฏิบัติตามกฎระเบียบเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันและความน่าเชื่อถือของเครือข่าย ขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงโทษหรือการหยุดชะงักของการดำเนินงาน

ปัจจัยทางเทคโนโลยีขั้นสูง

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่มอบโซลูชันใหม่เพื่อเพิ่มระยะและประสิทธิภาพของเครือข่าย LoRaWAN

อัตราข้อมูลแบบปรับตัว (ADR):ADR เพิ่มประสิทธิภาพการตั้งค่าพลังงาน SF และ TX สำหรับโหนดแต่ละโหนด ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและประสิทธิภาพเครือข่ายโดยรวม
โทโพโลยีเครือข่าย:การติดตั้งเกตเวย์เพิ่มเติมสามารถปรับปรุงความครอบคลุมและความจุได้ การวางตำแหน่งเกตเวย์เหล่านี้อย่างมีกลยุทธ์ โดยคำนึงถึงภูมิประเทศและสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่าย ด้วยการกำหนดค่าเครือข่ายที่หลากหลายและข้อพิจารณาด้านกฎระเบียบ เราสามารถปรับแต่งเครือข่าย LoRaWAN ให้ได้ระยะครอบคลุมสูงสุด ควบคู่ไปกับการปฏิบัติตามข้อกำหนดทางกฎหมายและเพิ่มประสิทธิภาพการรับส่งข้อมูลเครือข่าย

บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต

เพื่อสรุปการอภิปรายอย่างละเอียด เราได้ไขข้อข้องใจมากมายที่มีอิทธิพลต่อขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN ตั้งแต่ความซับซ้อนทางเทคนิคของกำลังส่งและความไวของตัวรับสัญญาณ ไปจนถึงความซับซ้อนของสภาพแวดล้อมที่ใช้งานเครือข่าย นอกจากนี้ เรายังได้เห็นแล้วว่าข้อพิจารณาด้านกฎระเบียบและการกำหนดค่าเครือข่ายขั้นสูงสามารถส่งผลกระทบต่อขอบเขตและประสิทธิภาพของการครอบคลุมเครือข่ายได้อย่างไร

สรุปได้ว่า การขยายขอบเขตของเครือข่าย LoRaWAN ให้ได้มากที่สุดนั้นเป็นความท้าทายที่มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาและมีหลายแง่มุม ซึ่งต้องมีความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะทางเทคนิค การประเมินสภาพแวดล้อมการใช้งานอย่างรอบคอบ การใส่ใจต่อการปฏิบัติตามกฎระเบียบ และความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง

เมื่อเรามองไปที่อนาคตของ IoT และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ บทเรียนที่ได้เรียนรู้จากกรณีศึกษาและการวิเคราะห์เหล่านี้จะเป็นแนวทางในการเติบโตอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่าย LoRaWAN ทั่วโลก

แชร์โพสต์นี้: