Comprendere le prestazioni del ricevitore gateway LoRaWAN: i tre numeri che contano

Noi di TEKTELIC progettiamo e implementiamo infrastrutture LoRaWAN da oltre dieci anni. In questo periodo, abbiamo aiutato operatori, aziende, società di servizi e integratori di sistemi. scegliere i gateway per ogni tipo di luogo, dai tranquilli campi rurali ai tetti affollati delle città. 

Quando le squadre confrontano i gateway, emerge sempre una domanda: quale ha il miglior indice di sensibilità del ricevitore? È una domanda legittima. Ma non è il punto in cui fermarsi. 

La sensibilità del ricevitore di un gateway, come indicato nella scheda tecnica, viene misurata in un laboratorio silenzioso. Tuttavia, la vostra rete non funziona in un laboratorio silenzioso. Funziona sui tetti, vicino alle antenne cellulari, sulle torri, nelle fabbriche e nelle infrastrutture delle smart city. Questi luoghi sono pieni di segnali radio forti e interferenti. 

Con questo articolo, vogliamo semplificare questo confronto. Analizzeremo i tre parametri del ricevitore che effettivamente determinano le prestazioni di un gateway sul campo: figura di rumore, sensibilità del ricevitore e linearità del ricevitore, e vi mostreremo perché il gateway con il miglior valore di laboratorio non è sempre quello che garantisce il funzionamento della rete.  

Chiave da asporto 

La sensibilità del ricevitore indica la capacità di un gateway di captare segnali deboli in un ambiente di laboratorio silenzioso. La linearità, invece, indica se il gateway è in grado di captarli anche in condizioni reali, in presenza di forti segnali RF come LTE, 5G e altri. I migliori gateway di livello carrier combinano un basso fattore di rumore, un'eccellente sensibilità, un'elevata linearità e un efficace filtraggio RF, garantendo prestazioni ottimali anche dove contano davvero: sul campo. 

Cosa tratta questo articolo 

• Cosa deve fare un gateway LoRaWAN 

• Figura di rumore 

• Sensibilità del ricevitore 

• Linearità 

• Come i tre lavorano insieme 

• Tre scenari di ascolto 

• Cosa cercare in un gateway
  

Cosa deve fare un gateway LoRaWAN 

A Gateway LoRaWAN È il ponte di collegamento tra i tuoi sensori e la tua rete. Ascolta i minuscoli messaggi radio inviati dai dispositivi alimentati a batteria e li inoltra al server di rete, che a sua volta li trasmette alla tua applicazione. Un singolo gateway può coprire chilometri di terreno aperto o raggiungere scantinati e armadi metallici dove altre tecnologie wireless non riescono a funzionare.

Poiché il gateway è la parte della rete che deve ricevere i dati, la progettazione del suo ricevitore influenza quasi ogni aspetto relativo alla copertura e all'affidabilità. 

Il modo più semplice per comprenderlo è pensare al gateway come a un ascoltatore molto attento in una stanza piena di persone. Il suo compito è quello di captare un debole sussurro proveniente dall'altra parte della stanza. 

Un buon ascoltatore fa due cose contemporaneamente: 

• Sente voci molto basse 

• Non si scompone quando qualcuno nelle vicinanze inizia a urlare 

Sentire un sussurro è ciò che descrivono la figura di rumore e la sensibilità. Non essere sopraffatti dalle grida è ciò che descrive la linearità. 

Figura di rumore  

Ogni ricevitore sente una certa quantità di fruscio di fondo naturale, chiamato rumore termicoInoltre, l'elettronica del gateway stesso aggiunge un po' di rumore. Il fattore di rumore indica semplicemente la quantità di rumore aggiuntivo introdotto dal gateway. Minore è il rumore aggiunto, migliore sarà la sua capacità di ricevere segnali deboli da dispositivi distanti o difficili da raggiungere. 

Un semplice esempio. 

Immaginate una stanza silenziosa di notte. Una mosca ronza da qualche parte al centro e, poiché la stanza è silenziosa, potete sentirla. Ora qualcuno accende un piccolo ventilatore vicino al vostro orecchio. La mosca è ancora lì, ma il ventilatore rende molto più difficile sentirla. Quel ventilatore rappresenta il rumore del ricevitore stesso. Un buon gateway aggiunge pochissimo "rumore di ventola" proprio. 

In linea di massima, un valore di rumore di 1-3 dB è eccellente, mentre 3-4 dB è buono per un ricevitore gateway. 5-6 dB sono accettabili per molti gateway per interni o di fascia bassa, mentre qualsiasi valore superiore a 6 dB è insufficiente per implementazioni esterne di alto livello o per operatori di telecomunicazioni. 

Il fattore di rumore è più importante in ambienti RF silenziosi, come un sito di servizio in area rurale, un campus privato o un edificio a bassa interferenza. In questi contesti, un fattore di rumore inferiore migliora direttamente la sensibilità e la copertura. Tuttavia, si tratta di una misurazione di laboratorio e non descrive il comportamento del gateway in presenza di segnali esterni intensi. 

Il fattore di rumore aiuta a determinare la capacità di ricezione di un gateway. La sensibilità quantifica il segnale più debole che è effettivamente in grado di decodificare. 

Sensibilità  

La sensibilità del ricevitore è il segnale LoRaWAN più debole che un gateway può ricevere e decodificare correttamente. Si misura in dBm e, più è negativo, migliore è la sensibilità. In breve, -142 dBm è meglio di -136 dBm. In pratica, la sensibilità del ricevitore aiuta a definire il budget di collegamento che un gateway LoRaWAN può raggiungere in condizioni di basso rumore. 

Un semplice esempio. Immaginate di cercare di sentire qualcuno che sussurra dall'altra parte di un campo. Con un udito eccellente, riuscite a cogliere le parole. Con un udito scarso, no. La sensibilità è la capacità del gateway di distinguere sussurri molto deboli provenienti da dispositivi lontani.

Questi valori si basano su condizioni di test predefinite: fattore di diffusione, larghezza di banda, velocità di codifica, tasso di errore dei pacchetti e temperatura. La sensibilità di LoRa dipende fortemente dal fattore di diffusione e dalla larghezza di banda. 

C'è qualcosa di straordinario qui:  

• Un gateway LoRaWAN è in grado di decodificare segnali che si trovano al di sotto del livello di rumore. 

• La modulazione LoRa funziona con un rapporto segnale/rumore negativo grazie al guadagno di elaborazione di fattori di diffusione più elevati come SF10-SF12.  

Semtech, il creatore di LoRa, osserva che la tecnologia può ricevere circa 20 dB al di sotto del livello di rumore termico. Questo è un aspetto importante del perché LoRaWAN raggiunge distanze così elevate e penetra così bene negli edifici, anche se fattori di diffusione più elevati comportano un costo in termini di velocità di trasmissione dati e tempi di trasmissione più lunghi. Se desideri approfondire come il fattore di diffusione influenza la copertura, ne parliamo in Come migliorare le prestazioni di un gateway LoRaWAN. 

La sensibilità viene misurata inviando un segnale noto al gateway e riducendolo gradualmente fino a quando il gateway non è più in grado di decodificare i pacchetti in modo affidabile, in genere con un tasso di errore dei pacchetti compreso tra il 5% e il 10%. Il livello più basso che è ancora in grado di gestire diventa il valore di sensibilità pubblicato. 

Questa misurazione viene effettuata all'interno di una camera a radiofrequenza con un isolamento di circa 80 dB, senza antenne cellulari, rumori industriali o interferenze provenienti dai tetti. Il valore è reale e utile. Semplicemente, non indica come si comporta il gateway negli ambienti rumorosi in cui la maggior parte delle reti opera effettivamente. 

Il che ci porta al parametro che, in modo discreto, determina le prestazioni reali e che gli acquirenti più spesso trascurano. 

Linearità 

La linearità del ricevitore indica quanto bene un gateway gestisce i segnali forti nelle vicinanze senza sovraccaricarsi. Un gateway con una scarsa linearità può sembrare eccellente in laboratorio, ma poi avere difficoltà nel momento in cui viene installato vicino ad antenne cellulari, radio private o apparecchiature industriali. Quando il front-end del ricevitore è sovraccarico, può smettere di rilevare i dispositivi LoRaWAN deboli che rileverebbe facilmente in un ambiente silenzioso. Infatti, Nelle aree urbane, la linearità del gateway è più importante del fattore di rumore..  

Gli ingegneri descrivono la linearità con una manciata di parametri:  

• P1dB (dove il guadagno del ricevitore inizia a comprimersi) 

• IIP2 e IIP3 (i punti di intercetta che regolano la distorsione di intermodulazione) 

• Prestazioni di blocco (tolleranza ai segnali forti al di fuori della banda) 

Tra questi, un IIP3 elevato è particolarmente importante perché impedisce al ricevitore di generare la propria interferenza, un prodotto IM3 che può infiltrarsi nella banda LoRaWAN e sovrastare il segnale reale. 

In una tipica installazione urbana, suburbana o industriale, il gateway è circondato da segnali forti:  

• Stazioni base LTE e 5G 

• Radio di servizio e per la pubblica sicurezza 

• Trasmettitori di trasmissione e di paging 

• Motori e azionamenti industriali, e l'elevata densità di radiofrequenze di aeroporti, campus universitari e tetti. 

Se il ricevitore non è abbastanza lineare, viene sovraccaricato e perde la capacità di ricevere pacchetti deboli. Forte Filtraggio RF contro le interferenze elettromagnetiche è ciò che impedisce a questi segnali di raggiungere la parte frontale.

Perché la desensibilizzazione del ricevitore è davvero importante? 

Quando un gateway viene sovraccaricato da segnali forti, diventa "sordo" ai sensori deboli, pur rimanendo acceso e mostrando sulla carta un'ottima sensibilità. Il risultato sul campo è un'elevata perdita di pacchetti, una riduzione della copertura e una ricezione inaffidabile. Da un lato, la scheda tecnica sembra a posto, ma dall'altro, la rete non lo è. 

Figura di rumore, sensibilità e linearità sono concetti correlati ma non identici, e confonderli è il motivo per cui si scelgono gateway di buona qualità per siti web inadatti. 

Come i tre lavorano insieme 

La sensibilità è determinata principalmente dal fattore di rumore: un fattore di rumore inferiore generalmente significa una sensibilità migliore. Tuttavia, un'eccellente sensibilità non garantisce buone prestazioni nel mondo reale. Un ricevitore può ottenere risultati brillanti in un ambiente privo di interferenze e crollare non appena arrivano segnali forti fuori banda, e la maggior parte delle installazioni si trova proprio in questo tipo di ambiente. In tali contesti, la linearità è ciò che preserva la portata del gateway e il tasso di successo della trasmissione dei pacchetti. 

Dietro a tutto ciò si cela un vero e proprio compromesso progettuale. Un front-end con un rumore di fondo molto basso, inferiore a 3 dB, non è solitamente il più lineare, perché la ricerca del minimo rumore tende a implicare un guadagno maggiore e un filtraggio minore a monte del mixer, riducendo la tolleranza ai segnali forti. Una buona progettazione del ricevitore si basa su un equilibrio tra basso rumore, guadagno, filtraggio e linearità. Un'attenta progettazione del front-end RF e un filtraggio adeguato sono ciò che garantisce le prestazioni una volta che il gateway esce dal laboratorio. 

In breve: 

• La figura del rumore aiuta il gateway a rilevare segnali deboli 

• La sensibilità definisce quanto deboli possono essere quei segnali 

• La linearità decide se è ancora in grado di sentirli quando l'ambiente RF è rumoroso, il che accade la maggior parte delle volte. 

Tre scenari di ascolto umano che spiegano tutto 

• Il tranquillo sito rurale 

La stanza è silenziosa e il ronzio della mosca è debole ma facilmente udibile. Si tratta di un gateway in un ambiente rurale tranquillo, dove il fattore di rumore e la sensibilità sono fondamentali. Un ricevitore migliore è in grado di captare segnali più deboli. 

• Il tipico sito urbano 

C'è molto rumore di fondo, ma è comunque possibile seguire un amico se l'udito è in grado di distinguere la voce utile dal frastuono. È qui che la linearità diventa essenziale: il gateway rileva i sensori deboli ignorando i segnali forti e indesiderati circostanti. 

• Troppo vicino a trasmettitori potenti 

La persona che parla potrebbe essere proprio accanto a te, ma il rumore dell'aereo è così forte che le tue orecchie vengono sovraccaricate. In termini di radiofrequenza, il ricevitore è sovraccarico: la sensibilità crolla, la perdita di pacchetti aumenta e la copertura si riduce. Questo è ciò che accade in prossimità di potenti antenne LTE/5G senza un filtraggio o una linearità adeguati. 

Cosa cercare in un gateway 

Un gateway con grande sensibilità ma scarsa linearità può brillare in laboratorio e deludere su un tetto, una torre, una fabbrica o un palo della città. Un gateway veramente gateway di livello carrier Mette insieme il quadro generale: 

• Un buon indice di rumore: permette di sentire segnali deboli in ambienti silenziosi. 

• Sensibilità eccellente: per un budget di collegamento elevato e un'ampia copertura. 

• Elevata linearità: per mantenere la sensibilità anche in presenza di forti interferenze. 

• Filtro RF potente: per respingere i segnali fuori banda prima che sovraccarichino il front-end. 

• Design frontale robusto: per garantire la tenuta di tutti i componenti nel corso degli anni sul campo. 

Questo equilibrio è esattamente ciò che progettiamo nel portfolio di gateway KONA di livello carrier di TEKTELIC, dall'alimentazione solare KONA Photon per siti remoti al KONA Enterprise per una copertura interna economicamente vantaggiosa per il Macro KONA e 64 canali KONA Mega per installazioni ad alta capacità in ambienti esterni, su tetti, per telecomunicazioni e in ambito industriale. 

L'obiettivo è sempre lo stesso: una copertura affidabile e un'elevata percentuale di successo nella trasmissione dei pacchetti negli ambienti reali e rumorosi in cui operano le reti. 

Aspetti fondamentali da tenere a mente nella scelta del gateway. 

• Non considerare il singolo valore di sensibilità 

• Chiedi come si comporta il ricevitore in presenza di segnali forti, quale filtraggio protegge la sezione di ingresso e come il progetto bilancia rumore, guadagno e linearità. 

•  Per i siti rurali, basso fattore di rumore e forte sensibilità portano 

• Per i siti urbani, industriali, di pubblica utilità, per edifici intelligenti e sui tetti, la linearità e il filtraggio sono altrettanto importanti e spesso ancora di più 

I migliori gateway LoRaWAN sono quelli che riescono a sentire un sussurro anche quando il mondo intorno a loro urla. 

Desideri discutere della tua implementazione? 

Che stiate progettando una nuova rete, espandendo una rete esistente o risolvendo problemi di copertura che sulla carta sembrano a posto, saremo lieti di discutere in modo chiaro e diretto quale gateway si adatti al vostro ambiente RF. 

Contatta il nostro team: info@tektelic.com