Привет всем уважаемым читателям Хабра!

Для дальнейшего обсуждения энергоэффективности, нам придется сначала разобраться с понятием дальности работы безлицензионных LPWAN систем.

LPWAN переводится как «мало потребляющая сеть большой площади покрытия», это означает, что потребление энергии, а значит и энергоэффективность рассматривается только в связке с дальностью работы устройств. Дальность работы LPWAN необходима для удешевления стоимости инфраструктуры сети, чтобы один шлюз-приемник мог обслуживать как можно больше устройств и не сильно увеличивал накладные расходы в пересчете на один датчик.

Например, если оценить дальность LoRaWAN в городе порядка 5 км, а Bluetooth 35 метров, то у Bluetooth площадь покрытия будет в 20 тысяч раз меньше. При этом энергия сообщения LoRaWAN больше Bluetooth примерно во столько же раз – это означает, что энергоэффективность приведенная к площади покрытия у LoRaWAN и Bluetooth имеют примерно одинаковые значения.

Такой результат полностью согласуется с физическими законами распространения информации по радиоканалу. Известное ограничение Шеннона на скорость передачи информации в эфире можно трактовать в следующей формулировке: 

Площадь зоны покрытия приемника при прочих равных условиях обратно пропорциональна скорости передачи информации и практически не зависит от типа применяемой модуляции. 

Bluetooth работает быстро, но на маленькое расстояние; для обеспечения связи на площади работы одного шлюза LoRaWAN придется поставить огромное количество Bluetooth шлюзов, примерно равное как раз отношению площадей покрытия - 20000.

Так какую же дальность имеют распространенные LPWAN системы? Если погуглить, то можно найти очень противоречивую информацию, с одной стороны:

• «766 км — новый рекорд дальности для LoRaWAN!»

• «Радиус действия: 30-50 км (3-10 км в зашумленных и труднодоступных районах)»

• «В городской черте превышает 10 км, а за пределами города ограничивается видимостью горизонта и составляет в среднем 50 км»

Есть и другая информация:

• «большое расстояние – до 10 км от шлюза»

• «максимальная успешная дальность связи – 3.8 км»

• «в результате испытаний удалось получить устойчивую связь в радиусе 500 метров от базовой станции»

Попробуем немного прояснить ситуацию. Есть общее понимание, что дальность LPWAN в первую очередь определяется чувствительностью приемника шлюза. На самом деле одной чувствительности совсем не достаточно, но об этом будет в следующей статье.

Чувствительность LPWAN приемника

В интернете активно гуляют следующие картинки обосновывающие уникально высокую чувствительность LoRa.

Давайте проверим, так ли это на самом деле. Возьмём характеристики LoRaWAN приемников и для сравнения возьмём качественный чип приемника в диапазоне 868 МГц с возможностью медленной передачи информации. Идеальным примером является приемник AX5243 производства ON Semiconductor. Результаты приведены в таблице 1 и на рисунке 2.

Наша картинка на рис 2 несколько отличается от популярных изображений на рис 1. Как видим, разница чувствительности приемников незначительна, что еще раз подтверждает: что чувствительность приемника обратно пропорциональна скорости передачи информации и, при правильно спроектированном приемнике, не сильно зависит от типа применяемой модуляции. Современная элементная база позволяет проектировать приемники шлюза с чувствительностью, приближающейся к ограничению Шеннона.

Ключевым преимуществом чипов LoRa является, собственно, не высокая чувствительность на низких скоростях, а низкие требования к стабильности опорного генератора. На конечных устройствах нет необходимости применять дорогие и много потребляющие компоненты для стабилизации частоты.

Зависимость дальности от чувствительности приемника

Для сравнения дальности работы радиоканала обычно используют специально разработанные модели оценки, например модель распространения радиоволн Хата, которая работает при условии размещения антенн шлюзов выше соседних крыш, что как раз важно при установке LPWAN шлюзов. Потери в канале в условиях города определяются по формуле:

Для потерь в условиях сельской местности и открытого пространства в модели вводятся соответствующие поправочные коэффициенты. Подробности модели Хата можно посмотреть в Википедии или других источниках в интернете, там же можно найти калькуляторы расчета дальности радиоканала в городе, основанные на этой модели. 

Оценим по модели Хата дальность работы для нескольких типичных вариантов использования в частотном диапазоне 868 МГц. Рассмотрим несколько типичных случаев использования LPWAN в плотной городской застройке и сельской местности. Мощность излучения примем равной 14 dbm. Коэффициент усиления антенны шлюза будем считать равным 6 dbi, дополнительные потери 3 db, а конечное устройство расположенным на высоте 1 метр над землей. Чувствительность приемника будем считать -137 dbm для LoRaWAN, -142 dbm для SigFox и -145 dbm для «продвинутых» UNB систем типа Стриж, Вавиот, GoodWAN (почему в последнем случае указано -145 dbm и при каких условиях такую чувствительность можно получить обсудим в одном из следующих постов). Для оценки indoor покрытия примем величину ослабления на излучение из помещений на первых и полуподвальных этажах зданий равным 15 db (грубая оценка, реально эта величина слишком зависит от местных условий).

Важно, что модель Хата корректно работает только в случае плоского рельефа местности, с антенной шлюза, расположенной над ближайшими крышами домов, для дальностей 1-20 км (последняя строка таблицы 2 выходит за пределы 20 км, но для примерной оценки полученные цифры достаточно адекватны). В условиях открытого пространства обычно работает такое эмпирическое правило: если от антенны шлюза видны крыши ближайших к конечному устройству домов, то связь будет обеспечена. 

Обратите внимание, что дальность очень сильно зависит от высоты подъема антенны. В большом городе можно установить шлюз на крыше жилой высотки, обычно это 60 метров и более, в сельской местности высоко разместить антенну обычно не получается и для расчета мы взяли 15 метров. В результате дальность в селе оказалась меньше, чем в городе! Это, казалось бы, полностью противоречит распространенным утверждениям, что за городом дальность LPWAN сильно больше. Да, сильно больше, но при одинаково высоко установленных антеннах, в реальности же обычно имеем теже 10 км outdoor покрытия.

Сравнивать LPWAN системы правильнее не по дальности, а по площади покрытия, так как количество обслуживаемых конечных устройств обычно пропорционально именно площади покрытия, сравнительная таблица приведена ниже.

Эти цифры легко запомнить, они нам пригодятся при дальнейшем анализе эффективности различных LPWAN систем.

В настоящее время активно обсуждается возможность использования LPWAN в диапазоне 433 МГц. В распоряжении Ассоциации Интернета Вещей появился опросник Минцифры России от 06 апреля 2021 года об оценке необходимости новых полос радиочастот для внедрения узкополосных беспроводных сетей связи Интернета вещей в диапазонах 400 МГц и 800 МГц. Основным аргументом для использования 433-го диапазона является утверждение о значительно лучшем в этом диапазоне распространении радиоволн в городе. Основным отрицательным фактором является необходимость использовать значительно большие по габаритам антенны в конечных устройствах.

Оценим увеличение площади покрытия при переходе на 433. Разрешенная мощность излучения в этом диапазоне 12,5 dbm, дополнительные потери на конечном устройстве увеличим на 3 db (скорее всего будут использоваться укороченные антенны), но дополнительные потери на indoor покрытие, наоборот, уменьшим на 3 db.

Теперь разработчикам LPWAN систем необходимо определить достаточно ли такого увеличения площади покрытия для освоения нового частотного диапазона и решения главной проблемы, связанной с габаритами антенны конечного устройства.

Дальность работы и соответствующая площадь покрытия очень сильно уменьшается в случае необходимости indoor покрытия на первых и подвальных этажах зданий. Оценочные значения приведены в таблице 2 и обобщены в таблице 5.

Как связана дальность и энергоэффективность системы? Возможно такое сравнение.

- Вам надо перевезти много людей из пункта А в пункт В. Наверное вы воспользуетесь большими автобусами, а не такси, расходы топлива и на обслуживание техники в пересчете на одного человека будут меньше. И это несмотря на то, что расходы на одно такси меньше, чем на один автобус. 

Так и при оценке энергоэффективности LPWAN систем, есть смысл рассчитывать ее в пересчете на количество обслуживаемых конечных устройств, или на площадь покрытия, которая в общем случае пропорциональна количеству датчиков на ней размещенных. Имеет смысл ввести коэффициент эффективности LPWAN системы прямо пропорциональный ее площади покрытия, например, см таблицу 3.

Выводы

1. Площадь покрытия шлюза один из ключевых LPWAN параметров, он позволяет определить стоимость вложений в инфраструктуру сети. Обычно сеть покрытия строят с пересекающимися зонами покрытия шлюзов, в таком случае увеличение площади одновременно позволяет повысить надежность доставки информации.

2. Зона покрытия сильно зависит от высоты подъема антенны шлюза, она должна располагаться выше ближайших крыш.

3. Площадь покрытия правильно спроектированных UNB систем в 2-3 раза больше LoRaWAN

4. Indoor и outdoor покрытие – две большие разницы, дальность indoor покрытия на первых и полуподвальных этажах в 2-3 раза меньше. Когда говорят о дальности LPWAN всегда требуется уточнять о какой дальности идет речь.

5. Переход на более низкий частотный диапазон с 868 на 433 МГц сопряжен с необходимостью использовать на конечных устройствах антенны с большими габаритами, но позволяет увеличить площадь покрытия, порядка в 2,4 раза для indoor устройств на первых и полуподвальных этажах зданий.