Svetelektro.com

Svetelektro.com

Meno:
Heslo:

Výsledky stratosferického testu LoRaWAN siete

Kategória: VF technika | 19.02.2018 | Autor: zawin 

Slovenská firma  GOSPACE Tech s. r. o. v spolupráci s národným operátorom Slovanet a.s. úspešne otestovala v stratosfére sieť LoRaWAN určenú pre internet vecí (IoT).


Internet vecí resp. Internet of Things (IoT) je čoraz viac skloňovaný pojem a stal sa akýmsi kľúčovým slovom.  Čo si však máme pod týmto pojmom prestaviť? Média nám tento fenomén prezentujú od príkladu inteligentnej chladničky, ktorá zistí aké potraviny v nej chýbajú a tieto si objedná cez internet až po inteligentné mestá ktoré zľahčujú život ich občanom. Všetky tieto vízie sa pritom spoliehajú na jednu kľúčovú vec –  tou je nový typ rádiovej komunikácie.

 

Nové rádiové siete určené pre IoT nesúperia v rýchlosti komunikácie, ako to bolo doteraz, ale zamerali sa na maximalizovanie dosahu koncových zariadení pri zachovaní nízkych energetických nárokov potrebných na komunikáciu. Jednou z týchto sietí je aj sieť LoRaWAN, ktorú sme sa rozhodli otestovať v stratosfére. Táto sieť používa tzv. Chirp moduláciu, vďaka ktorej je odolná voči viacnásobnému šíreniu, doppleru a úzkopásmovému rušeniu v rámci kanála.  Pri rovnakej prenosovej rýchlosti, dosahuje LoRa citlivosť príjmu lepšiu až o 10 dB  oproti FSK modulácií. Zvyčajne sa pri sieťach LoRaWAN udáva pokrytie v mestskej zástavbe okolo 5km a mimo mesta  15 - 30 km pri vysielacom výkone 14 dBm (25mW).

 

Je zrejmé, že pri komunikácií na priamu viditeľnosť sa dosah signálu značne zvýši. Zistiť, kde sa tento limit nachádza, bolo hlavnou motiváciou testu LoRaWAN v stratosfére. Druhým, nemenej dôležitým testom bolo experimentálne vypočítať polohu vysielača na základe času, v ktorom základňové stanice prijali signál z vysielača. Táto metóda sa volá Time Difference of Arrival (TDOA) a je intenzívne vyvíjaná v rámci siete LoRaWAN.

 


Ako sa testovalo?

Test siete LoRaWAN sa v stratosfére sa uskutočnil dva-krát. V obidvoch prípadoch sme štartovali zo športového letiska v Partizánskom v skorých ranných hodinách.

 

 

Nová generácia stratosférickej sondy zabezpečovala zber telemetrických dát ako GPS poloha, teplota, tlak, vlhkosť, ich ukladanie a odosielanie v rámci siete LoRaWAN. Dáta sa odosielali každú minútu a základňové stanice na zemi monitorovali prijatie daného paketu.

 

 

Pri prvom lete sme dosiahli výšku len 27 km a stratosférická sonda dopadla blízko Martina.  V druhom prípade sme vystúpali až do výšky 37 km a dopad bol blízko Poľského mesta Jaslo. Pod výrazne nižšiu výšku pri prvom lete sa podpísalo hlavne veľmi vlhké počasie pri štarte, pri ktorom balón pri stúpaní namrzol a stratil pružnosť.

 

 

Výsledky testovania pokrytia LoRaWAN signálu

Výkon vysielača LoRaWAN signálu, ktorý bol súčasťou stratosférickej sondy je 14 dBm resp. 25 mW. Základňové stanice LoRaWAN siete, ktoré prijímali náš signál z balóna majú citlivosť udávanú výrobcom na úrovni -136 dBm. Celkovo je teda energetická bilancia takéhoto spojenia na úrovni (136 + 14 ) = 150 dB. Táto hodnota znamená, aký maximálny útlm možne nastať na prenosovej trase, aby bolo možné signál  ešte spoľahlivo dekódovať.

Ak teda poznáme komunikačnú frekvenciu a útlm trasy, môžeme spočítať maximálnu vzdialenosť takéhoto spojenia podľa vzorca:

 

 

Pričom FSPL= 150 dB je útlm trasy, c = 300e6 je rýchlosť svetla a f = 868 MHz je pracovná frekvencia.

Teoretická vzdialenosť takéhoto spojenia je teda 870 km. V tejto výške napríklad už lietajú družice na nízkej obežnej dráhe.

 

Po vystúpaní stratosférickej sondy do výšky sa začali objavovať vzdialenejšie stanice a počet paralelných prijatí jedného paketu začal prudko stúpať. Keď sonda vystúpala nad 10 km, už bola bežné dosiahnutie vzdialenosti spojenia nad 100 km a našu správu takmer vždy prijala viac ako desiatka staníc! Najväčšie prekvapenie prišlo vtedy, keď náša sonda vystúpala do výšky 30 km. Vtedy signál z odoslanej správy zachytila stanica v Kalinigrade na úrovni -136 dBm. To predstavovalo vzdialenosť  spojenia 600 km (Obr. 1)!

 

max_distance_lora.png

Obr. 1 - maximálna dosiahnutá vzdialenosť 600 km

 

Na nasledovnom Obr. 2 je vynesená závislosť úrovne sily signálu, ktorým nás jednotlivé základňové stanice prijímali od vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom. Z grafu napríklad vidieť, že nie sú veľké rozdiely v citlivosti medzi jednotlivými stanicami a taktiež ako klesá úroveň signálu so zvyšujúcou sa vzdialenosťou.

 

distance_vs_rssi.png

Obr č.2 - Závislosť úrovne signálu jednotlivých staníc od vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom

 

Ďalší Obr. 3 popisuje závislosť úrovne signálu od vzdialenosti. Môžme si všimnúť rozdiel medzi teoretickou a nameranou úrovňou prijatého signálu. Pri menších vzdialenostiach je rozdiel väčší a naopak, pri väčších vzdialenostiach zase menší. Je to dané práve tým, že elevácia vysielača vzhľadom k prijímaču bola pre malé vzdialenosti veľká a vyžarovací diagram prijímacích antén je dosť sploštený v osi Z. Je to kvôli používaniu omni-directional antén na strane základňových staníc. To sa podpísalo pod väčší útlm pri malých vzdialenostiach.

 

Obr č. 3 - priemerná úroveň signálu v závislosti od vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom

 

Výsledky experimentálneho výpočtu polohy vysielača

Každý prijatý paket prostredníctvom siete LoRaWAN obsahoval okrem samotných dát aj informáciu o presnom čase prijatia tejto správy jednotlivými základnovými stanicami. Tieto stanice sú synchronizované pomocou GPS a informácia o čase je udávaná s presnosťou na 1 us. Kedže rýchlosť svetla je 300 000 km/s, tak za čas 1 us prejde signál vzdialenosť 300 m. Na stratosférickom balóne bol umiestený GPS príjimač, takže súčasťou každej telemetrickej správy bola jeho aktuálna poloha. Tú sme použili ako referenčnú pre výpočet presnosti výpočtu TDOA.

 

Z polohy základňových staníc a časov prijatia jednotlivých paketov, môžeme na základe TDOA metódy spočítať polohu vysielača. Na výpočet polohy potrebujeme, aby daný paket zachytilo 4 a viac prijímačov.

 

Po výpočte polohy všetkých možných bodov sme stanovili presnosť lokalizácie, ktorá je zobrazená formou histogramu na Obr. 4. Najpočetnejšie zastúpenie bolo pri odchýlke polohy 2 - 2,5 km. Medián odchýlky bol 2,26 km, maximálna odchýlka 35km a minimálna odchýlka 70m.

 

lora_distance_error.png

Obr. 4 - Histogram odchýlky od skutočnej polohy

 

Na ďalšom Obr. 5 je zobrazená v 2D priestore odchýlka vypočítanej polohy prostredníctvom metódy TDOA voči polohe získanej z GPS na stratosférickej sonde.

lora_localization_error.png

Obr. 5 - 2D priestorová odchýlka od skutočnej polohy
 

Na nasledovnom Obr. 6 je vynesená závislosť chyby od poradového čísla paketu. Zhruba v polovici priebehu dramaticky narastie chyba výpočtu polohy. Súvisí to práve s polohou vysielača vzhľadom k základňovým staniciam na zemi. Do paketu č. 57 sa vysielač nachádzal v tzv. konvexom obale medzi základňovým stanicami, čo zabezpečovalo ideálny stav pre výpočet polohy metódou TDOA.

Obr. 6  - Chyba výpočtu polohy vzhľadom k poradovému číslu paketu

 

Vypočítane súradnice sú interpretované pomocou oranžových bodiek na mape (Obr. 7), pričom šedé bodky znázornujú skutočnú polohu balóna počas letu.

Obr. 7 - Poloha stratosférickej sondy vypočítaná pomocou TDOA (oranžová) a skutočná poloha (šedá)
 

Záver

Cieľom experimentu bolo otestovať dosah signálu a výpočet polohy v sieti LoRaWAN. Maximálna vzdialenosť spojenia, ktorú sme dosiahli bola 600 km s mestom Kaliningrad. Signál v tomto prípade bol detegovaný na hraničnej úrovni -136 dBm. Rádiový signál z balóna bol vďaka spolupráci s ČRO úspešne zachytený aj sieťou staníc v Českej republike, pričom najvzdialenejšie stanice sa nachádzali v Ústi nad Labem a v Plzni.

 

Úspešne sme otestovali experimentálny výpočet polohy metódou TDOA v sieti LoRaWAN. Medián odchýlky polohy bol pre všetky vypočítane body na úrovni 2,26 km. Táto odchýlka je zatiaľ príliš veľká, nato aby sa dala využiť pre potreby lokalizácie v sieti LoRaWAN. Hlavnými faktormi, pod ktoré sa podpísala presnosť lokalizácie bolo malé rozlíšenie časovej informácie (1us) a malá penetrácia siete pre potreby výpočtu.

 

Pribeh celého letu si môžete pozrieť na stránke - https://live.gospace.sk/LoRaWanBalloon/02_flight1.php

 


12.07.2009

Príjem meteo-snímkov (časť 3.)

 20079   13  Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4

10.07.2009

Príjem meteo-snímkov (časť 2.)

 14993   6  Hodnotenie: 4.75Hodnotenie: 4.75Hodnotenie: 4.75Hodnotenie: 4.75Hodnotenie: 4.75

Priemerné hodnotenie: 5
Hlasov: 2

Vynikajúci

Zvoľte počet hviezdičiek:
Vynikajúci
Veľmi dobrý
Dobrý
Priemerný
Zlý



Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Autor stránky je Ondrej Závodský(zawin), o graficky design sa stará Ľuboš Fabo(BUFU).

TOPlist

Powered by Copyright © UNITED-NUKE CMS. All Rights Reserved.
Čas potrebný k spracovaniu stránky 0.01 sekúnd