In der Funktechnik können grundsätzlich drei Merkmale zur Charakterisierung eines Funknetzes herangezogen werden:
● Reichweite/Entfernung
● Geschwindigkeit der Datenübertragung
● Stromverbrauch.
Die Kriterien für diese drei Indikatoren sind sicherlich nicht die gleichen, da die Gesetze der Physik in diesem Fall klare Grenzen setzen. Ein Beispiel: LoRa kann Daten über weite Strecken übertragen und benötigt relativ wenig Energie, aber die Datenrate ist gering.
WiFi und Bluetooth zum Beispiel erreichen sehr hohe Datenraten, verbrauchen aber relativ viel Energie und haben eine geringe Reichweite. Alle Smartphone-Benutzer sind sich dieses Energiebedarfs wohl bewusst. Die Basisstationen der großen Telekommunikationsanbieter bieten hohe Datenraten und eine relativ hohe Reichweite, müssen dafür aber große Mengen an Energie bereitstellen. Daher ist die Stromversorgung immer ein sehr wichtiger Planungsfaktor für diese Art von Installation.
In der Regel können bis zu 2 der oben genannten Kriterien optimiert werden, so dass entschieden werden muss, welche Faktoren, die sich auf die Lora-Übertragungsrate auswirken, vorrangig berücksichtigt werden sollten
Link Budget
Das Verbindungsbudget stellt die Qualität des drahtlosen Übertragungskanals dar.
Mit Hilfe eines einfachen Modells kann das Verbindungsbudget durch Addition von Sendeleistung (Tx), Empfängerempfindlichkeit (Rx), Antennengewinn und Freiraumverlust (FSPL) berechnet werden.
In einem weiteren Verfahren wird das Link-Budget des LoRaWAN berechnet.
Verlust des Funksignalwegs
Der Pfadverlust gibt an, wie viel Energie im freien Raum über die Entfernung zwischen Tx und Rx verloren geht. Je weiter die Entfernung zwischen Tx und Rx ist, desto geringer ist der Energiegehalt. Der Pfadverlust wird normalerweise wie folgt ausgedrückt:
FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2(1)
Diese Faktoren veranschaulichen:
FSPL = Freiraum-Pfaddämpfung
d = Abstand zwischen Tx und Rx in Metern
f = Frequenz in Hertz
Es gibt auch eine weit verbreitete logarithmische Formel für den Pfadverlust im freien Raum:
FSPL(dB)= 20log10(d) 20log10(f)- 147,55(2)
Eine Verdoppelung der Entfernung (d) bedeutet einen Pfadverlust von 6 dB (im freien Raum).
Auf der Empfängerseite (Rx) ist die Empfindlichkeit des Empfängers der Wert, der das Verbindungsbudget beeinflusst. Die sogenannte Rx-Empfindlichkeit beschreibt die minimal mögliche Empfangsleistung und thermische Rauschspanne und wird wie folgt berechnet:
Rx-Empfindlichkeit = -174 10log10(BW) NF SNR(3)
Mittel und Wege dazu:
BW = Bandbreite in Hz,
NF = Rauschfaktor in dB,
SNR = Signal-Rausch-Verhältnis gibt an, wie viel stärker das Signal im Vergleich zum Rauschen ist
Die Rx-Empfindlichkeit von LoRaWAN ist höher als die von Wifi, daher ist sie besser.
Gleichung (4) zeigt den Extremfall der Streckendämpfung, in dem der Antennengewinn und andere Arten der Freiraumdämpfung nicht berücksichtigt sind:
Verbindungsbudget = Maximale Rx-Empfindlichkeit (dB) - Maximale Sendeleistung (dB) (4)
Berechnungsbeispiel für das LoRaWAN-Link-Budget:
Tx-Leistung = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10(125000)= 51
NF = 6 dB (Gateways in LoRaWAN-Netzen haben niedrigere NF-Werte)
SNR = -20 (für SF = 12)
Setzt man diese Zahlen in Gleichung (3) ein, ergibt sich eine Rx-Empfindlichkeit von -137 dBm
Rx-Empfindlichkeit = - 174 51 6 - 20 = -137 dBm
Dann kann er mit Hilfe von Ausdruck (4) wie folgt berechnet werden
Link-Budget: Link-Budget = -137dB - 14dB = -151dB
Mit den angegebenen Werten ergibt sich ein LoRaWAN Link Budget von 151 dB.
Mit dem LoRaWAN-eigenen Link-Budget von 150 dB kann unter optimalen Bedingungen (reiner Raumverlust) eine Strecke von 800 Kilometern zurückgelegt werden. Der aktuelle LoRaWAN-Weltrekord liegt bei 702 Kilometern.
Unter realen Bedingungen können diese Idealwerte nicht erreicht werden. Welche Faktoren beeinflussen also die Lora-Übertragungsdistanz? Sie hängt von mehreren Einflussfaktoren ab.
Faktor 1: Pfadverlust im freien Raum
Bei einer Verdoppelung der Entfernung erhöht sich der Pfadverlust von LoRaWAN im freien Raum um 6 dB, so dass der Durchgangsverlust des Funksignals von einer logarithmischen Funktion beeinflusst wird (siehe Gleichung (1)).
Neben dem Energieverlust in Abhängigkeit von der Entfernung können Faktoren wie Reflexion und Brechung von Funkwellen an Objekten dazu führen, dass sich Funkwellen überlagern, was sich ebenfalls negativ auf die Reichweite auswirken kann. (Hinweis: Thomas Telkamp hat eine gute Erklärung dieser Zusammenhänge im Video "LoRa Crash Process" ab Position 15:41).
Faktor 2: Pfadverluste aufgrund von Strukturelementen
Durchgangsverluste durch Strukturen, d. h. die Absorption von Funksignalen beim Durchdringen verschiedener Hindernisse wie z. B. Gebäude, können den Empfang des übertragenen Signals beeinträchtigen und die Übertragungsreichweite erheblich verringern. Glas zum Beispiel reduziert das Signal nur um 2 dB. Dies betrifft einen viel kleineren Bereich als eine 30 cm dicke Betonwand. In der nachstehenden Tabelle sind verschiedene Materialien und ihre typischen Auswirkungen auf Funksignale aufgeführt.
| Material | Pfadverlust (dB) |
| Glas(6mm) | 0,8 |
| Glas (13mm) | 2 |
| Holz (76mm) | 2,8 |
| Ziegelstein (89mm) | 3,5 |
| Ziegelstein (178mm) | 5 |
| Ziegelstein (267mm) | 7 |
| Beton (102 mm) | 12 |
| Steinmauer (203mm) | 12 |
| Ziegelstein Beton (192mm) | 14 |
| Steinmauer (406mm) | 17 |
| Beton (203 mm) | dreiundzwanzig |
| Bewehrter Beton (89 mm) | 27 |
| Steinmauer (610 mm) | 28 |
| Beton (305mm) | 35 |
Faktor 3: Fresnel-Zone
Um große Entfernungen effektiv zu überbrücken und ein gutes Verbindungsbudget zu erhalten, ist es außerdem wichtig, so oft wie möglich eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger herzustellen. Bei der Funkübertragung wird der bestimmte Bereich zwischen den Sichtlinien als Fresnel-Zone bezeichnet. Wenn sich in diesem Bereich Objekte befinden, können sie die Wellenausbreitung negativ beeinflussen, obwohl sie in der Regel Sichtkontakt zwischen der Sende- und der Empfangsantenne herstellen. Mit jedem Objekt, das sich in der Fresnel-Zone befindet, nimmt der Signalpegel ab und die Reichweite sinkt (siehe Abbildung unten).
In LoRaWAN-Netzen werden in der Regel Rundstrahlantennen verwendet. Dies führt dazu, dass sich die abgestrahlte Energie in der horizontalen Ebene ausbreitet, in der sich die Netzknoten und Gateways befinden. In Europa ist die Leistungsgrenze für das ISM-Band auf 14 dBm für die Frequenz 868 MHz festgelegt. Außerdem ist der maximale Antennengewinn auf 2,15 dBi begrenzt.
Faktor 4: Expansionsfaktor
LoRaWAN-Netze verwenden Spreizfaktoren (SF), um die Datenübertragungsraten in Abhängigkeit von der Reichweite gezielt einzustellen. In LoRaWAN-Netzen werden SF7 bis SF12 verwendet. Aufgrund der Chirp-Spread-Spectrum-Modulation (CCS) und der verschiedenen Phasenverschiebungsfrequenzen, die für den Chirp verwendet werden, ist es unempfindlich gegenüber Störungen, Mehrwegeausbreitung und Fading. Der Chirp kodiert Daten im LoRaWAN-Netz auf der Tx-Seite, während der umgekehrte Chirp auf der Rx-Seite zur Signaldekodierung verwendet wird. Die obige SF gibt an, wie viele Chirps pro Sekunde verwendet werden und definiert die Bitrate, die abgestrahlte Leistung pro Symbol und die erreichbare Reichweite.
Zum Beispiel ist SF9 in Bezug auf die Bitrate viermal langsamer als SF7. SF kann die Skalierbarkeit von LoRaWAN erreichen. Je langsamer die Bitrate, desto höher die Energie und desto größer die Reichweite der einzelnen Datensätze. LoRaWAN unterstützt die automatische Anpassung des SF-Faktors basierend auf der Netzwerkkonfiguration, die sogenannte Adaptive Data Rate (ADR).
Zusammenfassend
Die Faktoren, die sich auf die Übertragungsrate und die Entfernung von Lora auswirken, sind:
1. Das Link-Budget gibt die maximale Reichweite des LoRaWAN-Netzwerks an.
2. Der Pfadverlust im freien Raum beeinflusst die Reichweite. Eine Verdoppelung der Entfernung erhöht den Pfadverlust um 6 dB.
3. Die Reflexion und Brechung von Funkwellen an Hindernissen und am Boden beeinflussen den Signalpegel und die Reichweite. In einem LoRaWAN-Netz befindet sich eine Seite der Funkverbindung normalerweise in Bodennähe.
4. Hindernisse in der ersten Fresnel-Zone beeinträchtigen den Signalpegel auf der Rx-Seite und verkürzen die Reichweite.
5. Der SF-Wert und damit die Reichweite des Senders hängt von den Startbedingungen ab. LoRaWAN ermöglicht ein automatisches Netzwerkmanagement über ADR, das die Reichweite des Senders reguliert.
6. Die Rx-Empfindlichkeit hängt vom Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), dem Rauschfaktor (NF) und der Bandbreite (BW) ab.
Strategien zur Optimierung der LoRaWAN-Reichweite
Um die Reichweite von Netzen, die die LoRaWAN-Technologie nutzen, zu erhöhen, sollten die folgenden Aspekte berücksichtigt werden:
lora gateway Standort: Sorgt für sichtbares Licht zwischen Tx- und Rx-Antennen. Erhöhen Sie die Höhe der Antennen, um eine optische Sichtbarkeit zwischen den Antennen zu erreichen. Immer besser als die Verwendung einer Außenantenne im Freien.
Auswahl der Antenne: Klassische Stabantennen konzentrieren die Energie in einer horizontalen Ebene. Vermeiden Sie Hindernisse in der Nähe der Antenne. Außerdem sollten sie immer auf Säulen und niemals an den Seiten von Gebäuden montiert werden. Wenn die Antenne sorgfältig ausgewählt wird und die Antennenpolarisation und der maximal definierte Antennengewinn optimal aufeinander abgestimmt sind, sollte sich die Reichweite verbessern.
Verwenden Sie hochwertige Stecker (N-Stecker) und Kabel (LMR 400 oder gleichwertig, weniger als 1,5 dB Verlust pro 100 m). Um den Verlust von Verbindungsmaterial zu reduzieren, muss auch die Verbindungslänge zwischen der Station und der Antenne so kurz wie möglich gehalten werden.
Ko-Standort: Versuchen Sie bei der Installation in der Nähe anderer Funksysteme, starke Störungen zu vermeiden, z. B. durch umliegende GSM- oder UMTS-Stationen. Bitte beachten Sie die Gebrauchsanweisung des Herstellers.
Generell ist kurz zu erwähnen, dass bei der Installation des LoRaWAN-Gateways auf einen ausreichenden Überspannungs- und Blitzschutz zu achten ist.