Проверка дальности LoRa link(a)

Интерес к LoRa технологии возникает у разработчиков телеметрии для различных устройств: счетчики воды, автомобильные сигнализации, сельскохозяйственные технологии, наручные часы, комплексы предупреждения столкновений, телеметрия для авиамоделей UAV и даже трансиверы для обмена текстовыми сообщениями среди Geek(ов).

Могу поделиться результатами своей проверки дальности LoRa link(a). Разрабатываю firmware для микроконтроллерного устройства c GFSK+LoRa чипом SX1262 внутри.

В качестве базовой антенны была антенна с SWR 1.468.

В качестве мобильной антенны была задействована телескопическая SMA антенна от RTL SDR приемника. Ничего лучше по KCВ рядом не оказалось.

На частоте 868MHz NanoVNA v2 показывает коэффициент стоячей волны SWR всего 1,484.

Аппаратная архитектура трансвера: GNSS+LoRa+MCU+RS232.

Было весьма трудно найти полигон для испытаний дальнобойной LoRa радиосвязи. Коллеги порекомендовали шоссе М-4 на юго-востоке от Москвы, так как там есть пешеходный мост, который можно задействовать в качестве импровизированной мачты.

Трансивер A был установлен на высоте более 4х метров в точке с координатами 55.5149693921448, 37.71238972034776 прямо на пешеходном мосту. Плата была стационарного трансивера запитана от PowerBank + StepUp DC/DC получилось 12,3V+-0,16V

Трансивер B двигался вдоль шоссе M-4 на юг со скоростью до 60 км/ч. Каждое устройство посылало ping сообщение каждые 15 секунд, состоящее из 32 байт. Каждый трансивер в ping инкапсулировал свои GNSS координаты, так как электронная плата содержала работающий GPS модуль. Дальность ping(а) раcсчитывалась автоматически на уровне firmware.

Чтобы определить факт прибытия пакета я наблюдал за логами, которые микроконтроллер шлет в UART. Подключался к микроконтроллеру через переходник USB-UART. На Android смартфоне у меня для этого было установлено приложение Serial USB Terminal. Также я сам мог на месте инициировать внеочередной ping или изменить энергонезависимые параметры LoRa модуляции так как в прошивке была поддержка развитого интерфейса командной строки CLI. Напарник на мосту с трансивером А тоже переконфигурировал устройство при необходимости. Действия мы координировали через Telegram.

До 5 км приходили ping сообщения на ширине радиоканала 125kHz. Причем до 2800м на стороне подвижного трансивера ping(и) поступали стабильно (каждые 15 сек). От 2800м до 5000м приходил 1 ping из 4..6ти.

Как только перестали приходить ping пакеты (на 5км), трансиверы были переключены на ширину канала 62,5kHz и ping(и) возобновились вплоть до 7,5 км

Делал и другие измерения где мог. Все эксперименты можно отразить на графике. Такие получились результаты производительности LoRa трансиверов.

Все известные мне прецеденты LoRa Link(ов) пополняются тут
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1caYJx9t9fzNc-g-7rHRa80K604MFfrrm3M9BiRfSP3g/edit#gid=0

Когда я приехал в офис и просмотрел через UART-CLI логи в NorFlash файловой системе я увидел, что у стационарного трансивера ping(и) прекратились на расстоянии 2800м. В то же время подвижный трансивер принял последний ping на удалении 7500м. Видимо сказывается более выгодное положение стационарного трансивера. Также подвижный трансивер был запитан от стабильного мотоциклетного аккумулятора Delta Dt1207 Nano Gel. В то время как стационарный - от PowerBank+StepUp DC/DC

Несколько фактов про LoRa:

1) стекло блокирует LoRa пакеты на малом SF (проверял на BW:250kHz, SF:32 Ch/s)

2) можно отлаживать 2 LoRa трансивера соединив их фидером (экранированный проводник).

3) LoRa трансивер за раз может передать принять только 256 байт

4) если у двух трансиверов разные sync word, то приёма не будет.

5) Lora трансивер иногда принимают какие-то случайные числа. Даже если передатчик посылает константы.

6) Если антенны дипольные, то они должны быть параллельны и в одной плоскости.

Вывод

Пока могу подтвердить, что на дальность передачи влияет ширина канала. Чем уже ширина канала ЛЧМ сигнала, тем дальше работает реальная передача сообщений. Видимо при узкой полосе частот ЛЧМ меньше вероятность зацепить радиопомехи.

Также важна высота установки антенн. Чем выше антенна тем дальше она сможет излучать сигналы.

На испытаниях проверки дальности радио трансиверов важно учесть несколько моментов:

1) Иметь при себе SDR-RTL приемник, LapTop и весь софт для этого (драйверы, SDR++). В случае отсутствия связи SDR-RTL позволит понять, что происходит. Передатчик не передает или приемник не принимает.

2) взять с собой запасное оборудование. У нас в условиях повышенной влажности и низкой температуры периодически отказывал переходник USB-RS232. Также от холода проседало напряжение одного аккумулятора. При температуре -15 провода превращаются в проволоку и откалываются при 4-6 изгибах (особенно USB кабели).

3) Лучше запитывать 12V платы от мотоциклетных аккумуляторов . Они относительно легкие и нет пульсаций как у связки PowerBank+StepUp DC/DC

4) организовать охрану радио-трансиверов.

Очень хотелось бы найти в окрестностях Москвы доступные и удобные места с прямой видимостью 10км+ для дальнейшей проверки дальности LoRa трансиверов.

Также был бы признателен, если найдется волонтёр, чтобы проверить со мной LoRa Link при разных модуляциях на берегах Химкинского водохранилища в Москве. Там есть 4,7км прямой видимости. Оборудование у меня есть (2 TBeamV1.1).

Видимо LoRa будет развиваться. Уже есть LoRa Mesh сети, наручные часы, отслеживание посылок через LoRa, орбитальные спутники с LoRa Gateway, телеметрия курьеров и прочее.

Посты про LoRa
https://habr.com/ru/post/598317/
https://habr.com/ru/company/unwds/blog/372645/
https://habr.com/ru/company/first/blog/580662/
https://habr.com/ru/post/568526/
https://habr.com/ru/company/1cloud/blog/465539/

https://www.youtube.com/watch?v=-7OmGcjkO_Y&t=1153s