Dans le domaine de la technologie radio, trois caractéristiques principales peuvent être utilisées pour caractériser un réseau radio :
● Portée/distance
● Vitesse de transfert des données
● Consommation électrique.
Les critères de ces trois indicateurs ne sont certainement pas les mêmes, car les lois de la physique fixent des limites claires dans ce cas. Par exemple, LoRa peut transmettre des données sur de longues distances et nécessite relativement peu d'énergie : LoRa peut transmettre des données sur de longues distances et nécessite relativement peu d'énergie, mais le débit de données est faible.
Par exemple, le WiFi et le Bluetooth atteignent des débits de données très élevés, mais consomment relativement beaucoup d'énergie et ont une faible portée. Tous les utilisateurs de smartphones sont bien conscients de ce besoin en énergie. Les stations de base des grands fournisseurs de télécommunications offrent des débits de données élevés et une portée relativement importante, mais elles doivent pour cela fournir de grandes quantités d'énergie. C'est pourquoi l'alimentation électrique est toujours un facteur de planification très important pour ce type d'installation.
En règle générale, il est possible d'optimiser jusqu'à deux des critères susmentionnés. Par conséquent, il est nécessaire de décider quels sont les facteurs affectant le taux de transfert de lora qui devraient être prioritaires.
lien budget
Le budget de liaison représente la qualité du canal de transmission sans fil.
À l'aide d'un modèle simple, le bilan de liaison peut être calculé en ajoutant la puissance d'émission (puissance d'émission Tx), la sensibilité du récepteur (puissance de réception Rx), le gain d'antenne et l'affaiblissement sur le trajet en espace libre (FSPL).
Dans un second temps, le budget de liaison du réseau LoRaWAN sera calculé.
perte de trajet du signal radio
L'affaiblissement sur le trajet représente la quantité d'énergie perdue dans l'espace libre sur la distance entre Tx et Rx. Plus la distance entre Tx et Rx est grande, plus le niveau d'énergie est faible. La perte sur le trajet est généralement exprimée comme suit :
FSPL =(44πd/λ)2 =(44πdf/ c)2(1)
Ces facteurs illustrent :
FSPL = perte sur le trajet en espace libre
d = distance entre Tx et Rx en mètres
f = fréquence en Hertz
Il existe également une formule logarithmique largement utilisée pour l'affaiblissement du trajet en espace libre :
FSPL(dB)= 20log10(d) 20log10(f)- 147.55(2)
Le doublement de la distance (d) se traduit par une perte de trajet de 6 dB (en espace libre).
Du côté du récepteur (Rx), la sensibilité du récepteur est la valeur qui affecte le bilan de liaison. La sensibilité Rx décrit la puissance reçue minimale possible et la marge de bruit thermique et se calcule comme suit :
Sensibilité Rx = -174 10log10(BW) NF SNR(3)
Moyens pour y parvenir :
BW = Largeur de bande en Hz,
NF = Facteur de bruit en dB,
SNR = Le rapport signal/bruit indique dans quelle mesure le signal est plus fort que le bruit.
La sensibilité Rx de LoRaWAN est plus élevée que celle du Wifi, elle est donc meilleure.
L'équation (4) montre le cas extrême de l'affaiblissement sur le trajet, qui n'inclut pas le gain d'antenne et d'autres types d'atténuation en espace libre :
Budget de liaison = sensibilité Rx maximale (dB) - puissance d'émission maximale (dB) (4)
Exemple de calcul du budget de 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)
L'introduction de ces chiffres dans l'équation (3) donne une sensibilité Rx de -137 dBm.
Sensibilité Rx = - 174 51 6 - 20 = -137 dBm
Elle peut alors être calculée comme suit à l'aide de l'expression (4)
Budget de liaison : Bilan de liaison = -137dB - 14dB = -151dB
Les valeurs données donnent un budget de liaison LoRaWAN de 151 dB.
Avec le budget de liaison dédié de 150 dB de LoRaWAN, une distance de 800 kilomètres peut être couverte dans des conditions optimales (perte d'espace pure). Le record mondial actuel de LoRaWAN est de 702 kilomètres.
Dans les conditions réelles, ces valeurs idéales ne peuvent être atteintes. Quels sont donc les facteurs qui influencent la distance de transmission de lora ? Elle dépend de plusieurs facteurs d'influence.
Facteur 1 : Perte de chemin en espace libre
En doublant la distance, la perte de trajet en espace libre du réseau LoRaWAN augmente de 6 dB, de sorte que la perte de passage du signal radio est affectée par une fonction logarithmique (voir l'équation (1)).
Outre la perte d'énergie en fonction de la distance, des facteurs tels que la réflexion et la réfraction des ondes radio sur les objets peuvent entraîner un chevauchement des ondes radio, ce qui peut également avoir un impact négatif sur la portée. (Note : Thomas Telkamp explique bien ces connexions dans la vidéo "LoRa Crash Process" à partir de 15:41).
Facteur 2 : Perte de trajectoire due à des éléments structurels
Les pertes de passage causées par les structures, c'est-à-dire l'absorption des signaux radio lorsqu'ils traversent différents obstacles tels que des bâtiments, peuvent affecter la réception du signal transmis et réduire de manière significative la distance de transmission. Par exemple, le verre ne réduit le signal que de 2 dB. Cela affecte une zone beaucoup plus petite qu'un mur en béton de 30 cm d'épaisseur. Le tableau ci-dessous répertorie différents matériaux et leurs effets typiques sur les signaux radio.
| Matériau | Perte sur le trajet (dB) |
| Verre (6 mm) | 0,8 |
| Verre (13 mm) | 2 |
| Bois (76mm) | 2,8 |
| Brique (89mm) | 3,5 |
| Brique (178mm) | 5 |
| Brique (267mm) | 7 |
| Béton (102mm) | 12 |
| Mur en pierre (203mm) | 12 |
| Brique Béton (192mm) | 14 |
| Mur en pierre (406mm) | 17 |
| Béton (203mm) | vingt-trois |
| Béton armé (89mm) | 27 |
| Mur en pierre (610mm) | 28 |
| Béton (305mm) | 35 |
Facteur 3 : Zone de Fresnel
Pour couvrir efficacement de longues distances et obtenir un bon bilan de liaison, il est également important d'établir le plus souvent possible une ligne de visée directe entre l'émetteur et le récepteur. Dans la transmission radio, la zone spécifique de l'espace entre les lignes de vue est appelée zone de Fresnel. Si des objets sont présents dans ces zones, ils peuvent avoir un impact négatif sur la propagation des ondes, bien qu'ils assurent généralement un contact visuel entre les antennes d'émission et de réception. Pour chaque objet situé dans la zone de Fresnel, le niveau du signal diminue ainsi que la portée (voir l'image ci-dessous).
Les antennes omnidirectionnelles sont couramment utilisées dans les réseaux LoRaWAN. L'énergie émise se propage donc dans le plan horizontal où se trouvent les nœuds et les passerelles du réseau. En Europe, la limite de puissance pour la bande ISM est définie à 14 dBm pour la fréquence 868 MHz. En outre, le gain maximal de l'antenne est limité à 2,15 dBi.
Facteur 4 : Facteur d'expansion
Les réseaux LoRaWAN utilisent des facteurs d'étalement (SF) pour définir spécifiquement les taux de transfert de données par rapport à la portée. Dans les réseaux LoRaWAN, les SF7 à SF12 sont utilisés. En raison de sa modulation à spectre étalé chirp (CCS) et des différentes fréquences de déphasage utilisées pour le chirp, il est insensible aux interférences, à la propagation par trajets multiples et à l'évanouissement. Le chirp encode les données dans le réseau LoRaWAN du côté Tx, tandis que le chirp inverse est utilisé du côté Rx pour le décodage du signal. Le SF ci-dessus indique combien de chirps sont utilisés par seconde et définit le débit binaire, la puissance rayonnée par symbole et la portée réalisable.
Par exemple, SF9 est 4 fois plus lent que SF7 en termes de débit. SF peut atteindre l'évolutivité de LoRaWAN. Plus le débit est lent, plus l'énergie est élevée et plus la portée de chaque ensemble de données est grande. LoRaWAN prend en charge l'ajustement automatique du facteur SF en fonction de la configuration du réseau, ce que l'on appelle le débit de données adaptatif (ADR).
Résumer
Les facteurs qui influencent le taux de transmission de lora et la distance sont les suivants :
1. Le budget de liaison spécifie la portée maximale du réseau LoRaWAN.
2. L'affaiblissement du trajet en espace libre affecte la portée. Si l'on double la distance, l'affaiblissement sur le trajet augmente de 6 dB.
3. La réflexion et la réfraction des ondes radio sur les obstacles et le sol affectent le niveau et la portée du signal. Dans un réseau LoRaWAN, un côté de la liaison radio est généralement situé près du sol.
4. Les obstacles situés dans la première zone de Fresnel affectent le niveau du signal du côté Rx et réduisent la portée.
5. La valeur SF, et donc la portée de l'émetteur, dépend des conditions de lancement. LoRaWAN permet une gestion automatique du réseau via l'ADR, qui régule la portée de l'émetteur.
6. La sensibilité Rx dépend du rapport signal/bruit (SNR), du facteur de bruit (NF) et de la largeur de bande (BW).
Stratégies d'optimisation de la portée LoRaWAN
Afin d'augmenter la portée des réseaux utilisant la technologie LoRaWAN, les aspects suivants doivent être pris en compte :
emplacement de la passerelle lora : Fournit une lumière visible entre les antennes Tx et Rx. Augmenter la hauteur des antennes pour obtenir une visibilité optique entre elles. C'est toujours mieux que d'utiliser une antenne extérieure à l'extérieur.
Choix de l'antenne : Les antennes tige classiques concentrent l'énergie dans un plan horizontal. Évitez les obstacles à proximité de l'antenne. En outre, elles doivent toujours être montées sur des colonnes et jamais sur les côtés des bâtiments. Si l'antenne est choisie avec soin et que la polarisation de l'antenne et le gain maximal défini de l'antenne sont ajustés de manière optimale, la portée devrait s'améliorer.
Utilisez des connecteurs (connecteurs N) et des câbles de haute qualité (LMR 400 ou équivalent, moins de 1,5 dB de perte par 100 m). Afin de réduire la perte de matériel de connexion, la longueur de connexion entre la station et l'antenne doit également être la plus courte possible.
Co-implantation : Lors de l'installation à proximité d'autres systèmes radio, essayez d'éviter les fortes interférences, telles que celles provenant des stations GSM ou UMTS environnantes. Veuillez vous référer aux instructions d'utilisation du fabricant.
En général, il convient de mentionner brièvement que l'installation de la passerelle LoRaWAN doit garantir une protection adéquate contre les surtensions et la foudre.