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Gamme LoRaWAN, partie 1 : Les facteurs les plus importants pour une bonne gamme de radio LoRaWAN

Ce billet de blog décrit les caractéristiques physiques des réseaux sans fil - en particulier celles de la technologie LoRaWAN - en termes de portée. Les informations présentées soutiennent le processus de planification et l'évaluation des cas d'utilisation de LoRaWAN.

La première partie de l'article explique les facteurs et leurs interrelations qui influencent la portée de la radio. La partie 2 "Portée et couverture de LoRaWAN dans la pratique" présente et évalue séparément des exemples de mesures prises dans l'environnement réel.


 

En technologie radio, il existe essentiellement trois propriétés permettant de caractériser un réseau :

  • la portée/distance,
  • la vitesse de transmission des données et
  • la consommation d'énergie.

Il est difficile de donner une pondération égale aux trois critères parce que les lois physiques fixent des limites claires dans ce domaine : Par exemple, LoRaWAN peut transmettre des données sur de longues distances et nécessite relativement peu d'énergie, mais a un faible débit de données.

Le WiFi et le Bluetooth, par exemple, atteignent des débits de données très élevés, mais la consommation d'énergie est comparativement élevée et la portée très courte. Tous les utilisateurs de smartphones ne sont que trop conscients de cette soif d'énergie. Les stations de base des principaux fournisseurs de télécommunications offrent des débits de données élevés et des portées relativement longues, mais une grande quantité d'énergie doit être disponible pour cela. C'est pourquoi l'alimentation électrique est toujours un facteur de planification très important dans de telles installations.

En pratique, une optimisation à un maximum de 2 des critères mentionnés ci-dessus est possible. - Vous devez donc toujours décider quels biens sont prioritaires.

Le budget de liaison

Le bilan de liaison(ou bilan de transmission de puissance) indique la qualité d'un canal de transmission radio.
En utilisant un modèle simple, le bilan de liaison peut être calculé en ajoutant lapuissance de l'émetteur (Tx), la sensibilité durécepteur (Rx), le gain d'antenne et l'affaiblissement dutrajet en espace libre (FSPL).

Le budget de liaison de LoRaWAN est ensuite calculé.

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La perte de trajectoire

La perte de trajectoire indique la quantité d'énergie perdue dans l'espace libre sur une distance comprise entre Tx et Rx. Plus la distance entre Tx et Rx est grande, plus l'énergie est faible. La perte de trajectoire est généralement représentée comme suit :

FSPL = (4πd/λ)2 = (λ/c)2 (1)

...signifie.. :

FSPL = Free Space Path Loss
d = distance entre Tx et Rx en mètres
f = fréquence en Hertz

Il existe également une formule de calcul logarithmique largement utilisée pour l'amortissement en espace libre :

FSPL (dB) = 20log10(d) + 20log10(f) - 147,55 (2)

Un doublement de la distance (d) signifie donc 6dB de perte (en espace libre).

Du côté du récepteur (Rx), la sensibilité du récepteur est la quantité qui influence le budget de liaison. La sensibilité dite Rx décrit la puissance de réception minimale possible et la tolérance au bruit thermique et se calcule comme suit

Sensibilité Rx = -174 + 10log10(BW) + NF + SNR (3)

...signifie.. :

BW = largeur de bande en Hz,
NF = facteur de bruit en dB,
SNR =rapport signal/bruit. Il indique la distance que le signal dépasse
...doit être le bruit.

La sensibilité à la réception de LoRaWAN est plus élevée - et donc meilleure - que celle du WLAN par exemple.

La formule (4) montre le cas extrême de l'affaiblissement du trajet sans inclure le gain d'antenne et d'autres types d'affaiblissement en espace libre :

Budget de liaison = Max. Sensibilité Rx (dB) - Max. Puissance Tx (dB) (4)

Un exemple pour le calcul du budget d'une liaison LoRaWAN :

Puissance Tx = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10(125000) = 51
NF = 6 dB (les passerelles des réseaux LoRaWAN ont des valeurs NF inférieures)
SNR = -20 (pour SF=12)

Ces chiffres entrés dans la formule (3) donnent une sensibilité Rx de -137 dBm

Sensibilité de l'émission = - 174 + 51 + 6 - 20 = -137 dBm

Le budget de liaison peut alors être calculé comme suit à l'aide de la formule (4) :

Budget de liaison = -137dB - 14dB = -151dB

Avec les valeurs spécifiées, le budget de liaison LoRaWAN est de 151 dB.

Avec le budget de liaison spécifique à LoRaWAN de 150 dB, une distance de 800 km peut être couverte dans des conditions optimales (atténuation en espace libre pur). Le record mondialactuel de LoRaWAN est une portée de 702 km.

Dans des conditions réelles, ces valeurs idéales ne sont bien sûr pas atteintes. Cela dépend de plusieurs facteurs.

Facteur de perte d'espace libre

En doublant la distance, l'atténuation en espace libre pour LoRaWAN augmente de 6 dB, de sorte que l'atténuation de la propagation radioélectrique est soumise à une fonction logarithmique (voir formule (1)).

Outre la perte d'énergie en fonction de la distance, des facteurs tels que les réflexions et réfractions des ondes radio sur les objets peuvent provoquer un chevauchement des ondes radio, ce qui peut également avoir un effet négatif sur la portée. (Note : Ces corrélations sont très bien expliquées dans la vidéo "LoRa crash course" de Thomas Telkamp à partir de la position 15:41 ).

Facteur d'amortissement structurel

L'atténuation structurelle, c'est-à-dire l'atténuation des signaux radio lorsqu'ils traversent divers obstacles, influence la réception des signaux transmis et réduit considérablement la portée. Le verre, par exemple, s'atténue avec seulement 2dB. Cela affecte la portée bien moins qu'un mur de béton épais de 30 cm. Le tableau ci-dessous énumère les différents matériaux et leur atténuation typique.

Matériel Atténuation (dB)
Verre (6mm) 0,8
verre (13mm) 2
Bois (76mm) 2,8
Brique (89mm) 3,5
Brique (178mm) 5
Brique (267mm) 7
béton (102mm) 12
Mur de pierre (203mm) 12
béton de briques (192mm) 14
mur de pierre (406mm) 17
béton (203mm) 23
béton armé (89mm) 27
mur de pierre (610mm) 28
béton (305 mm) 35

 

Le facteur de zone de Fresnel

Pour une couverture efficace des longues distances et pour obtenir un bon bilan de liaison, il est également important d'établir uneligne de vue directe entre l'émetteur et le récepteur aussi souvent que possible. En transmission radio, certaines zones spatiales entre la ligne de visée sont appelées zones de Fresnel. Si des objets sont situés dans ces zones, ils peuvent avoir une influence négative sur la propagation des ondes, bien qu'il y ait généralement une ligne de vue entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice. Tout objet situé dans la zone de Fresnel abaissera le niveau du signal et réduira la portée (voir figure).

Des antennes omnidirectionnelles sont normalement utilisées dans les réseaux LoRaWAN. Par conséquent, l'énergie rayonnée se propage sur le plan horizontal où se trouvent les nœuds et les passerelles du réseau. En Europe, la limite de puissance d'émission d'une bande ISM est définie à 14 dBm pour une fréquence de 868 MHz. De plus, le gain d'antenne maximum est fixé à 2,15 dBi.

Facteur de propagation des facteurs

Un réseau LoRaWAN utilise des facteurs d'étalement (SF) pour régler spécifiquement le taux de transfert des données en fonction de la portée. Dans les réseaux LoRaWAN, les SF7 à SF12 sont utilisés. Les réseaux LoRaWAN sont insensibles aux interférences, à la propagation par trajets multiples et à l'évanouissement (connu sous le nom d'évanouissement en électrotechnique) en raison de leur modulation à étalement de spectre par chirp et des diverses fréquences déphasées utilisées pour les chirps. Les chirps sont utilisés pour coder les données dans les réseaux LoRaWAN du côté Tx, tandis que les chirps inverses sont utilisés du côté Rx pour le décodage du signal. Les SF mentionnés ci-dessus indiquent combien de chirps sont utilisés par seconde et définissent les débits binaires, l'énergie rayonnée par symbole et la plage réalisable.

Le SF9, par exemple, est 4 fois plus lent que le SF7 en termes de débit. L'évolutivité de LoRaWAN est assurée par les FS. Plus le débit binaire est lent, plus l'énergie par ensemble de données et la portée sont élevées. LoRaWAN prend en charge une adaptation automatique des facteurs SF en fonction de la configuration du réseau, appelée " Adaptive Data Rate " (ADR).

Résumé

  1. Le budget de liaison définit la portée maximale d'un réseau LoRaWAN.
  2. L'atténuation de l'espace libre réduit la portée. En doublant la distance, on augmente l'atténuation de l'espace libre de 6 dB.
  3. Les réflexions et réfractions des ondes radio sur les obstacles et le sol influencent le niveau et la portée du signal. Dans le réseau LoRaWAN, un côté de la liaison radio est généralement situé près du sol.
  4. Les obstacles dans la première zone de Fresnel influencent le niveau du signal du côté Rx et réduisent la portée.
  5. Les valeurs de SF et donc la portée d'un émetteur dépendent des conditions de propagation. LoRaWAN permet une gestion automatique du réseau par le biais de l'ADR et contrôle ainsi les portées des émetteurs.
  6. La sensibilité de la réception dépend du rapport signal/bruit (SNR), du facteur de bruit (NF) et de la largeur de bande (BW).

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Stratégies pour l'optimisation de la gamme de couverture à LoRaWAN

Les points suivants doivent être pris en compte pour améliorer la portée dans un réseau avec la technologie LoRaWAN :

  1. Emplacement de la passerelle : établir la visibilité optique entre les antennes Tx et Rx. Augmenter la hauteur des antennes pour obtenir une visibilité optique entre les antennes. Il est toujours préférable d'utiliser des antennes extérieures que de les utiliser à l'intérieur.
  2. Choix de l'antenne : les antennes à tige classiques concentrent l'énergie dans le plan horizontal. Évitez les obstacles à proximité immédiate de l'antenne. De plus, il est toujours préférable de les placer sur un mât plutôt que sur le côté du bâtiment. La portée devrait s'améliorer si l'antenne est choisie avec soin et si la polarisation de l'antenne et le gain maximum défini de l'antenne sont ajustés de façon optimale l'un par rapport à l'autre.
  3. Choix du matériel de connexion : utilisez des connecteurs de qualité (connecteurs de type N) et du câble (LMR 400 ou équivalent, avec une perte inférieure à 1,5 dB par 100 m). Pour réduire les pertes dans le matériel de connexion, il est également important de maintenir la durée de la connexion entre la station et les antennes aussi courte que possible.
  4. Installation à proximité d'autres équipements radio : évitez les fortes interférences, par exemple des stations GSM ou UMTS environnantes. Veuillez vous référer au mode d'emploi du fabricant (que l'on trouve généralement sous le terme"co-localisation").
  5. En général, il convient de mentionner brièvement dans ce contexte que l'installation d'une passerelle LoRaWAN doit être accompagnée d'une protection suffisante contre les surtensions et la foudre.

 


 

Si vous avez d'autres questions sur ce sujet, vous pouvez nous appeler à tout moment.

Ceci est la première des deux parties de l'article. La deuxième partie traite des distances de transmission réelles dans différents scénarios urbains.

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Publié le 10 mars 2019

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