Исследование особенностей распространения сигналов в пространстве с модуляцией LoRa

В настоящее время возникает задача определения положения отдельных датчиков в структуре сети. Для обеспечения связи между датчиками и базовыми станциями широко применяют несколько следующих стандартов IoT: LoRa, NB-IoT, LTE-M. Конкретно в моём случае я рассмотрю стандарт LoRa.

Сокращение LoRa обозначает вид модуляции. Протокол канального уровня носит имя LoRaWAN. В данном стандарте базовая станция принимает сигнал в заданном диапазоне частот. Затем поступает запрос от какого-либо из устройств, и станция отвечает ему на частоте обращения. Этот стандарт Интернета вещей не предназначен для просмотра потокового видео. Его задача максимально быстро и гарантированно передать небольшое сообщение от датчика на базовую станцию.

Параметром кодирования сигнала в LoRa является spreading factor (коэффициент расширения) – SF определяет, как исходный сигнал распространяется по широкому спектру. SF является основным средством разделения каналов в LoRa: все трансиверы LoRa поддерживают 7 значений SF, ортогональных к друг другу; то есть, позволяя различать передачу, закодированную с определенным SF, в присутствии одновременных широковещательных передач, закодированных с другими значениями SF, в эфире. В целом, SF – это реализация мультиплексирования с кодовым разделением каналов (CDMA) на физическом уровне системы. SF также определяет скорость передачи данных. В частности, при полосе пропускания 125 кГц и семи используемых SF диапазон скоростей передачи данных составляет от 300 бит/с до 5 кбит/с [3]. Само по себе разделение CDMA не очень эффективно – помимо отсутствия слишком большого количества ортогональных кодов, для работы CDMA необходимо, чтобы одновременно транслирующие абоненты не слишком сильно различались по мощности. Однако при использовании модуляции LoRa базовая станция может отправлять команду абонентам с более сильным сигналом на переход в SF на более высокой скорости, что приводит к уменьшению времени нахождения абонента в эфире. А это значит, что они просто быстрее освобождают эфир, а это полезно как с точки зрения предотвращения столкновений, так и с точки зрения энергопотребления: самая энергозатратная часть современных радиосистем – это сам передатчик, который забирает несколько десятков миллиампер, и чем быстрее он отключается, тем лучше аккумулятору [2].

В качестве примера я предлагаю рассмотреть зависимость показателя RSSI от расстояния между устройствами с различными значениями коэффициента расширения.

Для этого считаем потери в распространении сигнала по следующим формулам [1]:

Приблизительный нижний предел:

,

для ‎d≤R_bp,

где R_bp – расстояние от точки прерывания и определяется как:

,

где λ – длина волны (м).

Приблизительный верхний предел:

,

для ‎d≤R_bp,

где L_bp – значение основных потерь при передаче в точке прерывания, определяемое как:

,

Затем находим значение мощности на выходе:

P_rx=P_tx-L_LoS,l,

где P_tx  – мощность на входе (дБм), P_rx  – мощность на выходе (дБм), L_LoS,l  – потери сигнала.

То же самое мы проделаем и на опыте, взяв лабораторный макет, состоящий из двух отладочных плат Semtech SX12xx и установленных на них радиомодулей Semtech SX1276RF1JAS, осуществляющих обмен данными по стандарту LoRa.

Построим график полученных зависимостей.

Рис. Зависимость показателя RSSI от расстояния между устройствами с различными значениями коэффициента расширения

На рисунке представлены зависимости показателя RSSI от расстояния между устройствами, а именно: линия 1 (тонкая) – зависимость показателя от расстояния при частоте 863 МГц и SF12; линия 2 (пунктирная) – зависимость показателя от расстояния при частоте 863 МГц и SF7; линия 3 (штриховая) – зависимость показателя от расстояния при частоте 432 МГц и SF12; линия 4 (штрихпунктирная) – зависимость показателя от расстояния при частоте 432 МГц и SF7; линия 5 (тонкая с кругом) – зависимость показателя от расстояния при нижнем пределе и частоте 863 МГц; линия 6 (тонкая с крестиком) – зависимость показателя от расстояния при верхнем пределе и частоте 863 МГц; линия 7 (тонкая с квадратом) – зависимость показателя от расстояния при нижнем пределе и частоте 432 МГц; линия 8 (тонкая с треугольником) – зависимость показателя от расстояния при верхнем пределе и частоте 432 МГц.

Исходя из полученного графика можно сказать, что из-за эффекта многолучёвости приблизительный нижний предел на обоих частотах можно не учитывать, т.к. он располагается гораздо выше значений, полученных при эксперименте. Остальные значения, полученные теоретически имеют сходство со значениями, полученными в ходе эксперимента.