Low Power Wide Area Network
Vergleich der Reichweiten
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Reichweite und Wirtschaftlichkeit von LPWAN
Reichweite und Wirtschaftlichkeit gehören bei LPWAN zusammen. Die Reichweite wird aber primär durch die Leistungsübertragungsbilanz begrenzt. Bei den publizierten Werten, z.B. 150 dB, handelt es um die ideale Brutto-Leistungsübertragungsbilanz – ohne Verluste in der Streifenleitung, Antenne oder Gehäuse. Die reale Leistungsübertragungsbilanz lässt sich durch gute, angepasste Antennen optimieren.
Da LTE-Cat-NB1, LoRaWAN und auch Weightless P mit adaptiver Datenrate arbeiten, schalten die Funk-IoT-Geräte bei besserem Empfang auf die nächst höhere Übertragungsrate um. 3 dB mehr entscheiden bei LTE-Cat-NB1, mit 164 dB Leistungsübertragungsbilanz, für den Wechsel von 50 bit/s auf ca. 600 bit/s. Bei LoRaWAN wird von 292 bit/s auf 537 bit/s umgeschaltet.
Die Übertragungszeit reduziert sich. Der Akku im IoT-Gerät wird kürzer belastet und der Übertragungskanal ist schneller frei für den nächsten Teilnehmer. Eine gute, optimal angepasste Antenne hat also mehrere Vorteile. Die Leistung, mit der eine Antenne tatsächlich gespeist wird, berechnet sich mit dem Parameter τ, der wiederum aus dem Eingangsreflexionsfaktor (S11) berechnet wird:
Die obige Gleichung zeigt, dass zwischen einer Eingangsreflexion von –4 dB und –15 dB ein Delta in der abgestrahlten Leistung von 13,86 dBm – 11,8 dBm = 2,06 dB entsteht (Tabelle 6). Diese 2 dB mehr oder weniger und damit auch Reichweite hat jeder IoT-Entwickler selbst in der Hand. Eine Eingangsreflexion von –6 dB wird bei integrierten Antennen angestrebt. Interne Antennen für LTE-Cat-NB1 im Band 8 oder 20, z.B. von Antenova, bieten dagegen fast im ganzen Band eine Eingangsreflexion von besser als –15 dB.
Das nächste dB gewinnt oder verliert der Entwickler über die richtig oder falsch dimensionierte 50-Ω-Speiseleitung und weitere ein bis zwei dB durch die Wahl eines für Hochfrequenz geeigneten oder ungeeigneten Kunststoffs für das Gehäuse. Ein bis zwei dB kann die Antenne kosten – durch die Wahl der falschen Antenne oder wenn die integrierte Antenne auf der Platine falsch platziert wird.
Was hier nach Kleinigkeiten klingt, kann in der Summe entscheidend sein, wenn es darum geht, eine robuste und zuverlässige Funkkommunikation sicherzustellen. Für Entwickler, die keine HF-Erfahrung haben, eignen sich fertige Funkmodule, wie die Adapterplatine »akorIoT« für Mikrocontroller-Boards mit Arduino-Steckverbindern (Bild 5), um schnell Erfolge zu erzielen. Die Adapterplatine wurde von der Fa. Triptec zusammen mit dem Autor Harald Naumann entwickelt.
Auf ihr sind alle wichtigen und kritischen HF-Leitungen bereits verdrahtet. Die LTE-Cat-NB1-Antenne und die GPS-Antenne werden per SMA-Steckverbinder anschlossen. Durch ausgewählte und vermessene hochwertige externe Antennen mit SMA-Steckverbinder ist sichergestellt, dass der Entwickler im Testaufbau auch die maximale Leistungsübertragungsbilanz erreicht. Als passende Mikrocontroller-Board eignen sich beispielsweise die Nucelo-Kits von STMicroelectronics mit Prozessorkernen von ARM (Cortex M0 bis M4). Für Machbarkeitsstudien genügt sogar ein Arduino-Board, das auf die Adapterplatine gesteckt wird.
Literatur
[1] Egli, J. J.: Radio Propagation above 40 MC over Irregular Terrain. Proceedings of the IRE (Institute of Radio Engineers), 1957, H. 10, S. 1383–1391.
[2] Okumura, Y.; Ohmori, E.; Kawano, T.; Fukuda, K.: Field strength and its variability in VHF and UHF land-mobile radio service. Review of the Electrical Communication Laboratory, 1968, H. 9–10, S. 825–873.
Der Autor
Harald Naumann
ist im nordhessischen Kirchheim geboren und hat in Offenbach die Ausbildung zum staatlich geprüften Techniker mit dem Schwerpunkt Informationselektronik abgeschlossen. Er war Mitglied in vielen Teams zur Entwicklung von Funkprodukten – die heute modisch „Wireless IoT“ genannt werden. Seit über 25 Jahren ist er im Bereich Funktechnik tätig. 2014 hat Naumann mit dem „IoT / M2M Cookbook“ sein ersten Buch im Eigenverlag veröffentlicht. Heute leitet er als Sales Direktor den Vertrieb bei Tekmodul in München.
harald.naumann@gsm-module.de
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