Как рассчитать радиолинию Sub-GHz и LoRa
Заявление «до 15 км» не является характеристикой готового устройства. Дальность зависит от частоты, мощности, data rate, чувствительности, антенн, высоты, препятствий, помех и нормативных ограничений. Один и тот же трансивер может работать на километры над открытым полем и терять пакеты через две железобетонные стены. Link budget переводит систему в децибелы: к мощности передатчика добавляются усиления антенн, вычитаются потери тракта и распространения, после чего полученный уровень сравнивается с чувствительностью приёмника. Разность — запас. Расчёт даёт инженерную гипотезу, а не заменяет site survey и packet-error test.
Исходные данные для link budget
| Параметр | Что зафиксировать | Влияние на расчёт |
|---|---|---|
| Регион и частота | Разрешённый диапазон, EIRP и duty cycle | Законная мощность и режим обмена |
| Трафик | Payload, период, latency и подтверждения | Airtime, data rate и ёмкость сети |
| Трасса | Дальность, высоты, стены, рельеф и Fresnel zone | Path loss и дополнительный fade margin |
| RF-тракт | TX power, sensitivity, antenna gains, cable losses | Численный баланс мощности |
| Надёжность | Требуемая availability и сезонные условия | Запас, diversity и field test plan |
Зафиксируйте требования к данным
Определите payload, период передачи, допустимую задержку, вероятность доставки, направление downlink, число узлов и срок работы от батареи. LoRa с малой скоростью может дать высокую чувствительность, но увеличивает airtime и энергозатраты одного сообщения. В плотной сети долгие пакеты повышают вероятность коллизии.
Отдельно задайте, допустимы ли повторные передачи и сколько времени сообщение может ждать. Для аварийного сигнала профиль отличается от почасового показания счётчика.
Мощность передатчика и EIRP
Conducted output power измеряется на RF-выводе. Эффективная изотропно излучаемая мощность EIRP = P_TX + G_TX − L_TX, где усиление антенны указано относительно изотропного излучателя, а потери включают matching, дорожку, разъём и кабель.
Если трансивер выдаёт 14 dBm, антенна имеет 2 dBi, а тракт теряет 1 dB, EIRP равна 15 dBm. Именно EIRP сравнивают с региональным ограничением. Программное значение PA не доказывает фактическую излучаемую мощность.
Чувствительность зависит от режима
Sensitivity задаётся для конкретной modulation, bandwidth, spreading factor/coding rate, packet-error criterion и температуры. Снижение bandwidth и data rate обычно улучшает sensitivity, но увеличивает airtime. Значение из marketing table может относиться к самому медленному режиму, который не подходит по latency или duty cycle.
Используйте гарантированную либо измеренную sensitivity выбранного MPN и профиля. Добавьте потери RF switch/filter и degradation от шума платы.
Формула свободных потерь
Для прямой видимости в свободном пространстве FSPL(dB) = 32,44 + 20 log10(f_MHz) + 20 log10(d_km). На 868 МГц и 5 км получаем 32,44 + 58,77 + 13,98 ≈ 105,2 dB.
FSPL не включает стены, листву, землю, diffraction, polarization mismatch и fading. Это нижняя оценка потерь для идеальной геометрии. В помещении лучше использовать измеренную модель объекта.
Соберите полный link budget
Received power можно оценить как P_RX = P_TX + G_TX − L_TX − L_PATH + G_RX − L_RX. Для примера: 14 + 2 − 1 − 105,2 + 2 − 1 = −89,2 dBm в свободном пространстве.
Добавим 20 dB на environment/obstruction и 6 dB на implementation/polarization/aging: ожидаемо −115,2 dBm. Если sensitivity выбранного режима −130 dBm, запас около 14,8 dB. Это умеренный, а не огромный margin; сезонная листва или новый металлический объект может его съесть.
Fade margin выбирают по надёжности
Запас покрывает медленные и быстрые замирания, погоду, ориентацию, tolerances и будущие изменения объекта. Универсального числа нет. Для фиксированной line-of-sight точки и для носимого датчика внутри металлоконструкции нужны разные margins.
Задайте целевой percentile доставки, измерьте распределение RSSI/SNR и смотрите не среднее, а нижние квантили. Значение «обычно −95 dBm» скрывает редкие провалы до −125 dBm.
Зона Френеля и высота антенн
Прямая видимость между антеннами недостаточна: препятствие в первой зоне Френеля создаёт diffraction loss. Радиус в середине пути приближённо r ≈ 17,32 √(d1·d2/(f_GHz·d)), где расстояния в километрах. Для 5 км на 868 МГц, d1=d2=2,5 км, получаем около 20,8 м.
Желательно очистить существенную часть зоны, часто ориентируются на 60 %, то есть около 12,5 м в данном примере. Земная кривизна и рельеф добавляются для длинных трасс. Подъём антенны иногда даёт больше, чем увеличение PA на несколько децибел.
Поляризация и ориентация
Вертикальный диполь и горизонтально повернутый приёмник теряют сигнал из-за polarization mismatch. В мобильном устройстве ориентация меняется, поэтому антенну и diversity проверяют во всём рабочем положении. Усиление в одной точке диаграммы не равно всенаправленной эффективности.
Металлический корпус, батарея и кабели деформируют pattern. Antenna datasheet на evaluation board не гарантирует такой же gain в конечном изделии.
Стены, листва и промышленная среда
Потери стены зависят от материала, влажности, угла и частоты; фиксированная таблица даёт только ориентир. Металл может полностью экранировать либо создать отражённый путь. В цехе движущиеся краны и транспорт изменяют multipath.
Проводите measurements в худший сезон и при работающем оборудовании. Site survey записывает координаты, высоты, orientation, RSSI, SNR, packet error и режим radio.
Интерференция и noise floor
Sensitivity из лаборатории предполагает определённый noise floor. На объекте соседние передатчики, импульсные БП и harmonics могут поднять его на десятки dB. Высокий RSSI при плохом SNR иногда означает помеху, а не сильный полезный сигнал.
Измерьте spectrum и channel occupancy. Узкополосный interferer требует frequency planning/filtering, а широкополосный шум — устранения источника или переноса антенны.
Airtime и нормативные ограничения
Региональные параметры задают доступные частоты, channel plan, power, duty cycle/dwell time и другие условия. Они меняются по юрисдикциям. Перед выпуском проверяют действующие национальные нормы и актуальную версию Regional Parameters, а не настройки из иностранного проекта.
Long airtime при высоком spreading factor ограничивает число сообщений и capacity сети. Рассчитайте airtime для реального payload, preamble, headers и coding, затем умножьте на число узлов и retries.
Энергия одного сообщения
Средний ток скрывает PA burst. Энергия TX приближённо E = V × I_TX × t_air. При 3,3 В, 120 мА и airtime 1,2 с получится 0,475 Дж. Если сообщение отправляется каждые 10 минут, средняя мощность только TX около 0,79 мВт до retries и RX windows.
Повышение sensitivity медленным режимом может увеличить energy per bit. Иногда более мощная короткая передача экономичнее долгой слабой — решение принимают после расчёта и соблюдения EIRP.
Практическая валидация 5-км линии
Расчёт показал запас 14,8 dB с условными 26 dB environment/implementation losses. На местности устанавливают production antennas на реальной высоте и в корпусах. Передают не менее нескольких тысяч пакетов в разные часы, логируя RSSI/SNR и retries. Затем намеренно уменьшают TX power на величину целевого запаса и подтверждают связь.
Если при снижении на 10 dB пакетная доставка резко падает, расчётный margin отсутствует. Корректируют высоту/место антенны, кабель, matching или topology с gateway/repeater, а не обещают дальность по максимальному единичному пакету.
Примеры из каталога ChipBaza
SX1262IMLTRT иллюстрирует Sub-GHz transceiver семейства LoRa/FSK, а CC1312R1F3RGZR — wireless MCU для Sub-1 GHz. Они имеют разные radio architecture, protocol software и output options; выбор требует точного regional profile.
К ним отдельно подбираются antenna, matching, oscillator, filter и power supply. Наличие RF IC не означает готовую сертифицированную радиолинию.
Типовые ошибки
- использовать рекламную дальность вместо link budget;
- путать conducted power и EIRP;
- брать sensitivity самого медленного режима;
- считать FSPL полной моделью участка;
- игнорировать Fresnel clearance и polarization;
- оценивать по среднему RSSI;
- не измерять noise floor;
- забывать airtime, duty cycle и RX energy.
Чек-лист радиолинии
- заданы payload, latency, delivery и node count;
- рассчитаны EIRP и все RF losses;
- sensitivity соответствует выбранному mode;
- FSPL дополнен environment/fade margins;
- проверены Fresnel, heights и polarization;
- действующие regional rules подтверждены;
- рассчитаны airtime и battery energy;
- site survey выполнен production hardware;
- запас проверен искусственным снижением TX power.
Источники для технической проверки
Параметры и ограничения сверяйте с актуальной документацией производителя для полного артикула и нужного исполнения.
Следующий шаг
Проверьте артикулы и количество до отправки заявки
Загрузите спецификацию в BOM-сервис или пришлите полный код производителя менеджеру. Если точное совпадение не доказано, позиция останется на ручной проверке.