Про дальность связи в LoRaWAN

Про дальность связи в LoRaWAN

Не вдаваясь в глубокие физические формулы и разъяснения, основным ответом на этот вопрос будет: «зависит от высоты размещения базовых станций и конечных устройств». А также зависит от используемой рабочей частоты (чем меньше частота, тем больше дальность) и антенн (чем больше антенна, тем больше дальность)...

Москва, Сколково, Большой бульвар, 42с1 (Технопарк), 2й этаж, оф.317
ООО «ИнноЛабс»
+7 (499) 348-19-95

12.09.2019

Когда мы рассказываем потенциальным заказчикам о технологии LoRa для передачи данных, самым частым задаваемым вопросом является – «как далеко добивает?». И ответ предполагает достаточно долгое объяснение, которое постараюсь привести здесь.

Не вдаваясь в глубокие физические формулы и разъяснения, основным ответом на этот вопрос будет: «зависит от высоты размещения базовых станций и конечных устройств». А также зависит от используемой рабочей частоты (чем меньше частота, тем больше дальность) и антенн (чем больше антенна, тем больше дальность). Картинка ниже показывает, как влияет на расстояние между приемником и передатчиком в прямой видимости кривизна Земли.

radiocoverage

Рисунок 1. Зависимость дальности связи от высоты подвеса антенн h и кривизны Земли

Месяц назад (июль 2019) был установлен рекорд по дальности связи в LoRaWAN между конечным датчиком с радиопередатчиком мощностью 25 мВт и базовой станцией, установленной на горнолыжном курорте. Сигнал с датчика преодолел расстояние в 766 километров и был успешно принят и декодирован.

lorarecordcoverage

Рисунок 2. Базовые станции, принявшие сигнал со стратостата. 

Такой успех обусловлен, во-первых, очень большой высотой расположения датчика с антенной – он был расположен на запущенном стратостате и рекорд был достигнут на высоте полета в 25 км над уровнем моря. Во-вторых, базовая станция, которая приняла сигнал, была расположена на горнолыжном курорте Chamrousse на высоте 2253 метра (используется лыжниками для навигации в горах, отслеживания перемещений других лыжников и друзей, а также для контроля за спортивными параметрами при спуске). Примечательно, что для такого достижения использовалась довольно простая самодельная антенна с усилением всего 2 дБ на датчике и антенна усилением 6 дБ на базовой станции.

lorarecordcoverage03

Рисунок 3. Запуск стратостата в Испании в городе Alfamen

lorarecordcoverage02

Рисунок 4. Базовая станция LoRaWAN на горнолыжном курорте.

Все это очень замечательно, но не дает никакой информации о том, какое расстояние будет получено в условиях города или завода. О чем мечтает завод? Прикрутить датчики, например, на трубы, идущие на уровне земли, и чтобы эти датчики передавали данные прямо оператору, желательно, по цепочке между друг другом. Конечно, чтобы это все работало автономно от батарейки несколько лет, и не требовало никакого планирования и сложного монтажа.

Смотрим на первую картинку в начале этой статьи. Если у нас h1 на уровне земли (т.е. примерно =0) и h2 на том же уровне (тоже примерно =0), то и R – искомая дальность связи будет также на уровне 0. Здесь магия технологий, к сожалению, не работает. Какая бы чудесная она не была, ну не будет рекордов, если вы хотите разместить датчики очень низко.

Когда я приезжаю на радио обследование и говорю, что нужен доступ к крыше, а мне предлагают поставить базовую станцию на подоконник первого этажа, то это может работать, но большой дальности ожидать не стоит. У нас был один такой пилотный проект, промышленный объект, далеко от населенных пунктов и помех, где на территории примерно 500 на 500 метров стояло около десятка двухэтажных и одноэтажных строений. Поставив станцию на подоконник первого этажа в центре этой территории, мы смогли обеспечить связью все датчики (около 70 штук), которые были размещены по всей территории, как на улице, так и в помещениях, включая даже один подвал.

Если говорить про городское покрытие, то приложу пример (см. картинку).

lora-moscow-range-test

Рисунок 5. Прохождение радиосигнала LoRaWAN в условиях города Москва.

Это несколько измерений с базовой станции, расположенной на хорошей высоте в 65 метров и небольшой антенной с усилением 5 дБ. Зелеными линиями отмечено успешное прохождение сигнала, красными – зоны без связи. Датчик располагался на улице в руках, на уровне пояса (1 метр от земли), с полуволновой антенной на 868 МГц. Если присмотреться внимательно, то максимальная успешная дальность связи – 3.8 км. В другом случае, когда мы размещали станцию на здании МГУ, максимальная дальность вдоль шоссе достигала даже 7 км. Но на тех же уровнях, что и зеленые линии можно увидеть и красные. Если приблизить картинку, можно заметить, что красные участки появляются в местах, находящихся непосредственно за заслоняющими сигнал высокими строениями. А зеленые – в местах, более открытых в сторону приемной станции. Делаем вывод – связь в городе на 3-7 километров возможна, но в ограниченных условиях, на открытых пространствах. Если требуется связь внутри помещений, то нужно учитывать, что каждая железобетонная стена очень сильно мешает прохождению сигнала и для оснащения датчиками различных инженерных систем внутри зданий понадобится базовая станция, расположенная в непосредственной близости. Оперировать в этом случае нужно сотнями метров вместо километров.

Приведу пример из недавнего запроса на мониторинг колодезных люков в городе для одной телеком компании южного региона. Город невысокой (4-5 этажей), но плотной застройки. Есть возможности по размещению базовых станций LoRaWAN на крышах, но в непосредственной близости от GSM/LTE оборудования и антенн. Необходимо, чтобы при поднятии чугунной крышки колодца более, чем на 11 градусов, отправлялось сообщение в диспетчерскую. В результате испытаний удалось получить устойчивую связь в радиусе 500 метров от базовой станции, что существенно меньше ожидаемой (1-4 км). Этот кейс еще требует повторной перепроверки, поскольку есть 2 сильно влияющих на результат фактора: 1) высота здания не максимальная в данном районе и при прохождении сигнала есть высокие заслоняющие его здания; 2) большое число мощного оборудования сотовой связи в метре от возможного размещения базовой станции LoRaWAN также существенно препятствует приему сообщений. Но определенные выводы можно сделать сразу – в городе все сигналы являются переотражёнными от зданий, и характер этих переотражений сложно просчитать. Следовательно, всегда нужно закладывать в инфраструктуру базовых станций определенный резерв, располагая их с разных сторон и формируя этим более плотное покрытие сети. В том, что сигнал придет от датчика на несколько базовых станций, проблемы нет, сервер сети автоматически отфильтрует дублирующиеся сообщения, и отправит сообщение датчику с той базовой станции, уровень сигнала на которой выше.

loragsmweb

Рисунок 6. Предоставленное место для размещения базовой станции LoRaWAN.

Нужно также сказать, что стоимость оборудования каждый год снижается, и сегодня можно купить неплохие базовые станции уличного исполнения за ~500$, а для улучшения покрытия внутри помещений использовать indoor станции за еще меньшие деньги (~300$). И также добавить к этому то, что увеличение числа базовых станций приводит к улучшению уровня сигнала от датчиков, что, в свою очередь, позволяет автоматически увеличивать на них скорость соединения и уменьшать мощность радиопередатчика. Благодаря этому не только уменьшается время передачи сообщения в эфире и, следовательно, взаимное влияние и помехи, но и существенно увеличивается время автономной работы от батареек и источников питания. На передачу 50 байт полезных данных на скорости DR5 (максимальная в LoRaWAN) уходит примерно 130 мс, а на скорости DR0 (минимальная в LoRaWAN) – 2.5 секунды. Режим передачи сообщений обычно наиболее энергозатратен для датчика и его минимизация может увеличить время автономной работы в разы.  При просчете проекта об этом часто забывают. Потраченные один раз 300-500$ на дополнительную базовую станцию позволят гораздо реже менять батарейки в датчиках (число которых в зоне действия может исчисляться сотнями и тысячами), и сэкономит большое число рабочего времени на эти операции.

Назад

© «ИнноЛабс», 2019

Адрес: Москва, Сколково, Большой бульвар, 42с1 (Технопарк), 2й этаж, оф.317
E-mail: mail@lpwa.ru
Телефоны: +7 (499) 348 19 95

Популярные разделы:
Оборудование | Решения | Новости