Dans la première partie "Les facteurs les plus importants pour une bonne portée radio LoRaWAN" de notre série de portées, nous avons traité des facteurs théoriques qui influencent la portée d'un LoRaWAN. Cette considération isolée des liaisons radio entre deux points est maintenant suivie dans la partie 2 par la référence à la pratique. Des exemples concrets tirés d'applications réelles sont présentés et évalués.
Les propriétés particulières de la LoRa, notamment la faible sensibilité aux interférences, la faible perte de trajectoire et la très bonne pénétration dans les bâtiments, permettent d'obtenir des portées très élevées même en milieu urbain. Même avec des méthodes de simulation modernes assistées par des logiciels, la portée et la couverture réelles d'un réseau radio ne peuvent être calculées que de manière limitée - ce qui s'applique non seulement à la LoRa, mais à toute technologie radio. Par conséquent, surtout dans la première phase, les tests de portée et de pénétration sont un outil important pour mieux comprendre le comportement des ondes radio dans la réalité dans différents environnements.
Dans cet article, nous faisons référence à trois tests documentés dans différents scénarios :
- Environnement urbain : 5 cas types différents
- LoRaWAN dans une zone suburbaine
- Pénétration des pièces du sous-sol pour la lecture des données des compteurs
En général, seuls quelques tests de portée expérimentaux sont bien documentés dans la littérature.
Il est complété par trois modèles de calcul de la couverture du réseau :
- Les signaux LoRa dans les zones forestières
- à l'intérieur et
- sous l'eau - certes très spécial, mais néanmoins intéressant, comme nous le pensons.
En outre, nous intégrons notre propre expérience des précédents tests de portée et de pénétration dans divers scénarios de clients et évaluons les tests et les modèles de calcul documentés. Dans un article séparé, nous allons examiner ces résultats plus en détail (publication prévue au premier trimestre 2018).
Kit de démarrage LoRaWAN
Scénario 1 : LoRaWAN au centre d'une ville européenne
La plupart des villes pour lesquelles nous disposons de données présentent les caractéristiques classiques des bâtiments européens : en gros, il n'y a que quelques bâtiments très hauts, quelques immeubles de grande hauteur et beaucoup qui ne font que quelques étages. Il ne s'agit pas de mégalopoles avec presque exclusivement des immeubles de grande hauteur au centre ville.
Dans plus de 20 tests de portée en milieu urbain, nous avons pu obtenir une couverture de plus de 10 km avec des points d'accès exposés. Les mesures individuelles seront abordées dans la suite de ce document.
Dans une publication du fournisseur de matériel informatique Libelium, le dispositif de test et les portées obtenues avec celui-ci ont été assez bien documentés à Saragosse [voir aussi la source].
Description de la configuration du test :
- Il s'agissait de connexions dites "hors ligne de vue" (NLOS) en milieu urbain
- Facteur d'étalement 12 (fourchette maximale)
- puissance de sortie maximale : 14 dBm
- Canal de fréquence : bande de 868 MHz
- le Gateway Rx récepteur a été monté sur le toit à une hauteur d'environ 12 mètres
- l'unité émettrice (Tx) a changé de position entre 5 points de contrôle.
- A chaque point, 50 tentatives de transmission ont été effectuées
Nous avons résumé les propriétés des points de contrôle et les résultats des séries de mesures dans une liste :
- Point de contrôle 1 : Le signal traverse quatre bâtiments. Trois immeubles de grande hauteur et un immeuble bas ne permettent pas d'avoir une ligne de vue le long de cet itinéraire. De plus, il y a un espace libre sur le chemin du récepteur. La portée est de 830 m. 96% des paquets de données transmis ont été reçus.
- Point de contrôle 2 : le signal passe par 14 bâtiments. Dans ce cas, il y a un grand groupe d'immeubles de faible hauteur près du point de contrôle 2. Il y a également un bloc d'appartements en route vers le récepteur. La portée est de 960 m. 92 % des paquets de données transmis ont été reçus.
- Point de contrôle 3 : Le signal traverse six bâtiments. Ce point est situé sur le côté d'une grande place de la région. Le chemin passe par un grand bâtiment résidentiel, puis par quelques bâtiments industriels. La portée est de 1070 m. 98% des paquets de données transmis ont été reçus.
- Point de contrôle 4 : le signal passe par 14 bâtiments. C'est la plus grande voie. Ce point croise quatre grands immeubles d'habitation. Puis suit un espace ouvert sans obstacles avant d'atteindre à nouveau un groupe d'immeubles de grande hauteur. Enfin, plusieurs bâtiments industriels sont découverts avant que le chemin du récepteur ne soit terminé. La portée est de 1530 m. 98% des paquets de données transmis ont été reçus.
- Point de contrôle 5 : Le signal traverse six bâtiments. Ce point de contrôle est séparé du récepteur par plusieurs bâtiments industriels, qui n'ont pas d'espace libre entre eux. La portée est de 863 m. 100 % des paquets de données transmis ont été reçus.
| Checkpoint | Distance à la passerelle (Rx) | Nombre de bâtiments entre Tx et Rx | Taux de réussite |
| 1 | 830 m | 4 | 96 % |
| 2 | 960 m | 14 | 92 % |
| 3 | 1070 m | 6 | 98 % |
| 4 | 1530 m | 14 | 98 % |
| 5 | 863 m | 6 | 100 % |
Évaluation du résultat et suggestions pratiques d'optimisation
Le fait que les paquets ne sont pas toujours transmis à 100% est contrebalancé par la norme LoRaWAN avec les méthodes habituelles : Si nécessaire, la communication peut être configurée de manière à ce que les messages doivent être confirmés par le destinataire (ce qu'on appelle les liaisons montantes et descendantes confirmées), c'est-à-dire que l'expéditeur attend un accusé de réception et envoie à nouveau les données après une période définie si cet accusé de réception fait défaut. Les valeurs atteintes ici peuvent toutes être considérées comme non critiques.
Il existe 3 stratégies clés pour optimiser la portée et la couverture
- Dans les applications LoRaWAN ordinaires, il est possible d'obtenir une couverture et des portées plus importantes en acceptant des taux de réussite plus faibles, c'est-à-dire que les portées du test auraient pu être augmentées en acceptant des transmissions uniques échouées, puis une retransmission.
- Les topologies de réseau avec des passerelles redondantes provenant de différentes directions permettent d'obtenir une couverture de réseau plus élevée avec un taux de réussite identique ou amélioré.
- L'éclairage en surface pourrait être nettement amélioré si la passerelle était placée plus haut. La passerelle de ce test n'était placée qu'à 12 mètres de hauteur. Le modèle dit de propagation Hata, un modèle de propagation radio simple permettant de calculer la perte de chemin des ondes radio en plein air, décrit très clairement la relation entre la portée et la hauteur : en augmentant l'emplacement de la passerelle de 12 à 30 mètres par exemple, la portée initiale est presque doublée (voir graphique ci-dessous, source : Kerlink, Kerlink Manual LoRa IoT Station v2.17).
Dans le cadre d'un de nos projets clients, trois passerelles (5, 10 et 45 mètres de haut) ont été installées dans une grande ville allemande de plus de 150 000 habitants dans une première phase et divers tests de portée et de pénétration ont été réalisés. Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus.
| Hauteur | Nombre de points de données | Max. Gamme | Fourchette Moyenne | |
| passerelle 1 | 5 m | 444 | 5,53 km | 1,43 km |
| passerelle 2 | 10 m | 762 | 16,27 km | 3,3 km |
| Passerelle 3 | 45 m | 1619 | 20,99 km | 2,92 km |
Les résultats obtenus dépassent les résultats de la construction susmentionnée, notamment en raison de l'emplacement avec la porte d'entrée très élevée. Nous publierons les résultats détaillés de ce test et d'autres tests au début de 2018. (Veuillez vous inscrire à la fin de l'article pour recevoir un message lorsque les résultats seront publiés).
Scénario 2 : LoRaWAN dans une zone suburbaine
Dans "A Study of LoRa : Long Range & Low PowerNetworks for the Internet of Things" d'Aloÿs Augustin, Jiazi Yi, Thomas Clausen et William Mark Townsley, un test de portée effectué dans une banlieue parisienne est bien documenté.
Configuration des tests
Le portail était situé au deuxième étage d'une maison, juste devant la fenêtre. Le jour du test, l'humidité était de 55% avec une température extérieure de 15°C. Cinq points de test différents ont été sélectionnés, la distance jusqu'à la passerelle était de 650 m à 3 400 m.
L'appareil terminal a été placé dans une voiture pendant les essais. La puissance d'émission du terminal a été fixée à 14 dBm, qui est la valeur par défaut.
Pour tester les performances des différents facteurs de propagation, la confirmation et la retransmission des paquets ont été désactivées. Le contrôle de connexion a également été désactivé, de sorte que le facteur d'étalement ne change pas, même en cas de perte de paquets. - Par défaut, le réseau LoRaWAN ajuste le facteur de propagation à la qualité de la connexion.
Les facteurs d'étalement 7, 9 et 12 ont été choisis pour ces tests. Dans chaque test, une centaine de paquets avec un numéro de séquence ont été transmis au serveur du réseau.
Résultat
Les facteurs de propagation plus élevés ont une meilleure couverture que celle décrite précédemment - à une valeur SF de 12, plus de 80 % des paquets ont été reçus à 2 800 m, alors qu'aucun paquet n'a été reçu à une valeur SF de 7. Le portail était situé au deuxième étage, à environ 5 m du sol. Le poste de contrôle se trouvait à 2 800 m, directement derrière un bâtiment de sept étages. À une distance de 3 400 m, la couverture n'était assurée que par le SF12. Le prix du débit de transmission élevé utilisant le facteur d'étalement élevé est un débit binaire beaucoup plus faible. D'autre part, la couverture du réseau utilisant des facteurs de propagation faibles est beaucoup plus faible.
Pour une installation permanente, il faudrait envisager de placer la passerelle à un endroit plus favorable. Pour une couverture la plus large possible, le positionnement dans un bâtiment au 2ème étage est certainement sous-optimal.
Scénario 3 : LoRaWAN pour relever un compteur d'eau, un compteur de gaz et un compteur d'électricité dans un sous-sol
Dans la source de Libelium mentionnée précédemment, il est également fait mention d'un scénario qui implique une couverture près de la cave. Malheureusement, les conditions de base ne sont que grossièrement décrites : Dans cette mesure, l'émetteur était situé à l'extérieur du premier étage d'un immeuble de bureaux, à une hauteur d'environ 3 mètres. Le récepteur était situé sous le rez-de-chaussée, à l'entrée d'un garage. Il n'y avait pas de ligne de vue entre les points et la portée de LoRaWAN atteinte était de 206 m. Beaucoup plus n'est pas documenté.
Les résultats que nous avons nous-mêmes obtenus avec les clients lors de tests de pénétration sont beaucoup plus révélateurs. Là encore, nous souhaitons présenter brièvement trois exemples (de plus amples détails suivront dans les semaines à venir).
Lors du premier test, les données ont été transmises sur une distance de 998 mètres à partir d'un puits encastré dans la route jusqu'à une passerelle à une hauteur de 35 mètres pour mettre en réseau un compteur d'eau. La connexion a pu être établie malgré le couvercle métallique de l'arbre. Pour tester les conditions réelles, une camionnette de livraison a également été garée sur l'arbre, mais les signaux pouvaient encore être reçus avec une qualité satisfaisante.
Chez un autre client, des tests de pénétration ont été effectués dans cinq pièces de cave différentes pendant plusieurs jours dans un rayon de 4 km.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||||
| Distance | Taux de réussite | Distance | Taux de réussite | Distance | Taux de réussite | Distance | Taux de réussite | Distance | Taux de réussite | |
| Passerelle 1 : 5 m | 3600 m | 0% | 2700 m | 0% | 1600 m | 0% | 5100 m | 0% | 1100 m | 0% |
| Passerelle 2 : 10 m | 4000 m | 0% | 3400 m | 0% | 3800 m | 1% | 2800 m | 0% | 4100 m | 25% |
| Passerelle 3 : 45 m | 800 m | 82% | 1800 m | 4% | 2100 m | 86% | 2600 m | 77% | 3900 m | 55% |
Le tableau indique la distance respective jusqu'à la passerelle et le taux de réussite correspondant. Les différents lieux ont été testés pendant plusieurs heures ou jours avec plusieurs milliers de tentatives de transmission. Les caves avec leurs adversaires respectifs (béton armé, 2e sous-sol, portes de cave en acier, etc.) peuvent être mises en réseau même sur de longues distances. Ici, la hauteur de la porte d'entrée joue un rôle décisif.
En outre, il s'agit de cas de demandes qui nécessitent une nouvelle transmission de valeurs si le taux de réussite ne peut pas toujours garantir une transmission directe.
Dans une autre installation dans un quartier, 2 passerelles installées de manière redondante sont utilisées pour transférer des données des pièces du sous-sol vers un système de gestion de l'énergie, également avec une bonne qualité de connexion. Pour en savoir plus, lisez le billet de notre blog "LoRaWAN - Un exemple pratique".
Ces exemples montrent que LoRaWAN offre un grand potentiel pour les services publics et les entreprises de facturation s'il est utilisé pour transférer les données des compteurs d'eau, de gaz, de chaleur ou même d'électricité des sous-sols vers les systèmes de facturation et de contrôle.
Modèle de calcul 1 : La couverture intérieure de LoRaWAN
Lors de la planification de la couverture d'un réseau sans fil, les exigences de planification pour les zones intérieures et extérieures sont généralement incluses. En conséquence, des modèles statistiques de propagation ont été développés pour soutenir la planification des zones. Ici, le modèle de Davide Magrin est discuté (voir Performances au niveau du réseau d'un système LoRa). Les réseaux de communication LPWAN comme LoRaWAN sont essentiellement des PMP, avec des capteurs installés à différents étages, y compris les sous-sols. Ces exigences obligent les planificateurs de réseaux à élaborer des cartes numériques en 3D et à appliquer des modèles de propagation déterministes et spécifiques à chaque chemin.
Il existe plusieurs approches pour modéliser les pertes causées par les murs extérieurs et intérieurs des bâtiments. Par exemple, dans l'un des modèles disponibles, l'influence des bâtiments sur la perte de trajets des réseaux LoRaWAN est déterminée par les unités suivantes :
- les pertes à travers les murs extérieurs des bâtiments, ci-après dénommées LEF.
- Pertes à travers les murs intérieurs des bâtiments ;
- Augmentation de la consommation électrique due au fait qu'une unité est située au-dessus du premier étage.
Ce modèle peut être utilisé comme une approche pour déterminer les pertes de chemin à travers les bâtiments comme suit :
a) les pertes à travers les murs extérieurs des bâtiments :
Le LEF d'un dispositif est modélisé comme une variable aléatoire uniforme qui prend des valeurs dans une certaine plage. Étant donné que deux dispositifs ne subissent pas nécessairement la même perte de trajectoire à travers les murs extérieurs, il convient de modéliser la différence de matériaux et d'épaisseur des murs extérieurs dans un grand nombre de bâtiments différents. Trois fourchettes de valeurs possibles et la probabilité qu'un nœud subisse ce type de perte sont indiquées dans le tableau 2.
| Probabilité | Gamme r |
| 0,25 | [4, 11] dB |
| 0,65 | [11, 19] dB |
| 0,1 | [19, 23] dB |
Tableau 2 : Une fourchette de valeurs possibles du LEF et la probabilité
b) les pertes à travers les murs intérieurs des bâtiments :
L'influence des parois intérieures est exprimée comme la valeur maximale entre deux valeurs. La première valeur représente la perte due au nombre de parois intérieures :
Porte1 = Wi - p, (5)
où
Wi = uniformément réparti dans la gamme des [4, 10] dB et
p = nombre de parois internes séparant l'émetteur du récepteur.
On suppose que p = 3 pour 15% des dispositifs et que le reste des dispositifs est réparti uniformément entre les valeurs de p = {0, 1, 2}.
La deuxième valeur nécessaire pour modéliser la perte de trajectoire à travers les murs intérieurs est
Tor3 = αd, (6)
où
α = 0,6 dB/m - le coefficient de profondeur de pénétration et
valeur d uniformément répartis dans la plage [0, 15] m.
c) augmentation de la puissance reçue :
Enfin, la contribution du GFH décrit la meilleure réception obtenue grâce à la hauteur de l'antenne. Ce paramètre est déterminé par l'expression suivante :
GFH = n*Gn, (7)
où
Gn = 1,5 dB/étage - le gain dû à l'augmentation de la hauteur d'un étage
n = nombre d'étages, est réparti uniformément entre les valeurs de n = {0, 1, 2, 3, 4}.
Ces trois paramètres définissent la perte totale du bâtiment pour une unité intérieure comme suit :
LGebäude(dB)= EWL + max(Tor1, Tor3) - GFH (8)
Dans l'environnement réel, certains tests avec différents scénarios indiquent qu'il peut également être judicieux d'installer une passerelle sur le même toit d'un bâtiment à plusieurs étages avec le sous-sol ou la salle du sous-sol à mettre en réseau - même si, selon le calcul de la perte totale pour le passage direct à travers plusieurs étages et murs, aucune pénétration ne pourrait théoriquement être garantie.
Ici, le chemin direct à travers le bâtiment est rarement décisif, mais plutôt la réflexion sur les bâtiments voisins. Bien que le chemin soit plus long, l'atténuation est limitée à 1-2 murs et au facteur de réflexion de l'enveloppe du bâtiment.
Calcul du modèle 2 : l'aire de répartition de LoRaWAN dans la forêt
Dans les régions rurales et semi-rurales, les arbres, en particulier, peuvent entraîner des pertes de chemins considérables. En outre, un grand nombre de variables doivent être prises en compte : Par exemple, l'espèce d'arbre, si l'arbre est humide ou sec et, dans le cas des arbres à feuilles caduques, si les feuilles sont présentes ou non.
Les arbres isolés ne sont généralement pas un gros problème, mais une forêt dense peut être un défi. L'atténuation dépend de la distance que le signal doit parcourir dans la forêt et augmente avec la fréquence.
Une brève analyse de l'influence des forêts sur la portée d'un réseau sans fil est donnée dans le rapport 1145 du CCIR "Propagation sur terrain irrégulier avec et sans végétation" (Union internationale des télécommunications, Genève, 1990) et recommandée dans le document UIT-R P.833-4. La figure 1 résume cette recommandation UIT-R P.833-4, qui examine l'influence des zones forestières sur l'atténuation.
L'atténuation se situe dans la gamme de 0,05 dB/m à 200 MHz, 0,1 dB/m à 500 MHz, 0,2 dB/m à 1 GHz, 0,3 dB/m à 2 GHz et 0,4 dB/m à 3 GHz. Même à des fréquences plus basses, l'atténuation est légèrement plus faible en polarisation horizontale qu'en polarisation verticale. Cette différence ne s'applique pas aux fréquences supérieures à 1 GHz. Cela signifie que ce critère influence la perte de chemin lorsque le signal doit pénétrer plusieurs centaines de mètres de forêt.
Heureusement, une partie considérable de la propagation au-dessus de la cime des arbres se fait également par diffraction, surtout si vous montez les antennes presque à la hauteur de la cime des arbres ou si vous pouvez garder une certaine distance avec la forêt.
Tout n'est donc pas perdu si votre réseau est déployé à proximité et au-dessus d'une forêt. Dans certains cas, cela est même nécessaire (par exemple, pour mesurer le niveau de l'eau dans une zone boisée). Avec un budget de 150dB (voir l'article 1 du blog), vous pouvez théoriquement vous attendre à des portées de 750-1500 mètres directement à travers la forêt dense. Dans un scénario de client pour la mesure du niveau de l'eau, une passerelle a été installée à la hauteur de la cime des arbres (environ 10 mètres) et un total de 8 emplacements dans un rayon de 500-2500 mètres ont été testés. Les émetteurs ont été installés à une hauteur de 30 cm. Tous les sites ont eu un taux de réussite bon à très bon, de sorte que des portées plus élevées sans contact visuel (NLOS) peuvent être obtenues par diffraction comme décrit.
Un LoRaWAN permet de couvrir les zones rurales et semi-rurales, qui sont partiellement couvertes de végétation, avec des connexions LOS (Line Of Sight), la portée est de plus de 20 km.
Kit de démarrage LoRaWAN
Modèle de calcul 3 : amortissement de l'eau
L'atténuation des ondes radio est très élevée dans l'eau. Elle augmente à la fois avec une augmentation de la conductivité moyenne et de la fréquence du signal. Il peut être calculé selon la formule suivante :
α=0.0173√ (fσ) (9)
...signifie.. :
α = atténuation (en dB/mètre)
f = fréquence en Hertz et
σ = conductivité en mhos/mètre
La conductivité de l'eau de mer est comprise entre 2 et 8 mhos/mètre, selon la salinité. Pour pouvoir y communiquer, il est nécessaire d'utiliser des VLF (très basses fréquences, ondes longues de 10 à 30 kHz), avec une atténuation de l'ordre de 3,5 à 5 dB par mètre.
Comment les relations décrites affecteraient-elles le réseau LoRaWAN ? Par exemple, si vous avez un nœud qui peut transmettre à 5 km dans les airs avec une ligne de visée sur la fréquence 868 MHz, jusqu'où irait-il sous l'eau ?
α = 0.0173√ (fσ) = 0.0173√ (8680000*2) = 720dB/m.
Le bilan de transmission du réseau LoRaWAN dépend de l'environnement, mais pour cet exemple, nous supposons qu'il est de 150 dB. Sous l'eau, vous pourriez communiquer avec lui sur une distance d'environ 20 cm.
Si vous avez des questions spécifiques sur ce sujet, n'hésitez pas à nous contacter à tout moment.
C'est sur cette considération, certes assez théorique, que s'achève la deuxième partie sur le thème de la gamme de LoRaWAN. La première partie de l'article, qui décrit les facteurs les plus importants qui influencent la portée des réseaux sans fil, se trouve ailleurs dans notre blog.
