Air Check Logger による通信距離と信号強度のフィールド実験

” 遠くまで飛ぶ “ というLoRaの最大の特徴を検証することと、アンテナの違いでどのような結果になるかのフィールド実験を行ったレポートです。

この記事について


Air Check Loggerは、LoRaモジュール、GPSモジュール、microSDカードモジュールおよび7セグメントLED表示器を搭載しており、LoRa通信の通信可能範囲とその範囲での受信感度であるRSSI値(Received signal strength indication)の実測と同時にGPS位置情報をmicroSDカードに記録できる機器です。
Air Check Loggerは、1台で、アクセスポイント(基地局)、デバイス(移動局)、加えてアクセスポイント、デバイスそれぞれのRSSI値を表示するモニタ機(デバイスからLoRa通信で送信)と、1台4役を担う機器です。
機器の役割の変更はDIPスイッチで行います。
(今回の実験では、モニタ機を使用することでの不要な電波発出を行わないよう、モニタ機能は使用しないこととしました。)

今回は、Air Check Logger を実際に使用して、LoRa通信の可能性、有効性とAir Check Loggerの実用性を検証するためのフィールド実験を行った結果を記載するものです。

実験の概要


LoRaの通信到達距離、遮蔽物の影響と、使用するアンテナによる比較をおこなうためにフィールド実験を行いました。

概要は、アクセスポイント(基地局)の設置場所(建物)を、ビル内13階窓際、ビル屋上(3階相当の高さ)とし、一定間隔毎(今回は5秒)にアクセスポイント(基地局)から送信パケット(ビーコン)を発信。自動車屋根に設置したデバイス(移動局)でフィールドを移動しながら受信し、RSSI値とGPS位置情報をmicroSDカードに記録。デバイスで記録されたmicroSDカード内のデータを実験終了後に評価するというものです。

実験結果のまとめ


設置場所による結果の違いは、あきらかに、高所に設置した場合の方が到達距離は長い。
完全に見通せるエリア(基地局ビルが見えるエリア)では、今回の最遠直線距離は7.2kmほどで通信可能となった。
起伏と遮蔽物のあるフィールドにおいては、遮蔽物によってはある程度の回り込みによる受信は可能だが、条件の良いエリアはピンポイント的に通信が可能。

アンテナについて、上記の傾向性を前提として、
アクセスポイントに195mm標準アンテナを使用し、デバイスで全アンテナ種を測定した今回の実験では、
195mmの標準アンテナは、常に安定した受信が確認できた。
110mm、50mm、48mmのアンテナについては、見通しが良ければ、標準アンテナにも匹敵するくらい、かなりの距離の受信が可能と推測できる。
フレキシブルアンテナは、距離によって見通しに左右されること以上に遮蔽・回折に弱く、使用条件(収納ケースの形状、容量)が求められる場合で、近距離の用途に使用するのが適切と思われる。

測定機器構成と設置場所


1. 機器構成

Air Check Logger の動作 台数   設置場所     
アクセスポイント(基地局) 13階窓際、3階相当の屋上
デバイス(移動局) 1BOX軽自動車の屋根に設置

アクセスポイント、デバイス のセット を 2セット使用

2. 実験に用いたアンテナ

型番 サイズ VSWR(SWR)値 型式及び構成 利得
DTA-L9101-C [TX915-JKS-20] φ20 × 195 1.5以下 型式及び構成: 単一型(V)λ/2 3dBi
DTA-L9102-C [TX915-JK-11] φ10 × 110 1.5以下 型式及び構成: 単一型(V)λ/4 2.5dBi
DTA-L9103-C [TX915-JZ-5] φ9 × 50 1.5以下 型式及び構成: 単一型(V)λ/4 2dBi
DL868-915M-R-48 φ9 × 48 1.5以下 型式及び構成: 単一型(V)λ/4 2dBi
DTA-L9120-F[TX915-FPC-4510] 45 × 10 2.0以下 型式及び構成: 単一型(V)λ/4 2dBi

 弊社サイト内 LoRa 各種アンテナ

アクセスポイントには195mmの標準アンテナ、デバイスには、全種のアンテナを順に2種類ずつ取り付け、それぞれのアンテナで同行程のフィールド走行をし、受信状況をRSSI値とGPS位置情報としてSDカードに記録。

3. 設置場所

アクセスポイントの設置場所

アクセスポイント設置場所の2カ所は、東方向から東南方向へ開けた位置となります。

設置場所の外観(けいはんなプラザホームページより)

■ アクセスポイント(基地局)設置場所1 13階窓際

■ アクセスポイント(基地局)設置場所2 ビル3階の高さ相当の屋上、屋外に設置。

■ デバイス(移動局)の設置

2種類のアンテナ別のデバイスを1BOX軽自動車のルーフキャリアに固定。

1BOX軽自動車の屋根に設置した状態(写真奥が50mmアンテナ、手前が48mmアンテナ)

LoRa設定 と 測定時の環境


LoRa( E220-900T22S(JP) )設定

帯域幅(bw値) 125kHz
拡散率(sf値)   9
送信出力電力    13dBm
送信パケット長   32バイト
パケット送信感覚   5秒

帯域幅(bw値)、拡散率(sf値)はそれぞれ、E220-900T22S(JP)のデータシートでの最高受信感度(spec値.-129dBm)を設定。

測定時の環境

実験当日の時刻・天気・気温
 実験日 2023年 2月 21日 計測時刻 13:00~17:30 / 天気 晴 / 気温 6℃

実験のコース


フィールド実験でのデバイス(移動局)の移動は、京阪奈学研都市の中心にあり当社が入居する「けいはんなプラザ・ラボ棟」ビルからスタートし、起伏、遮蔽物のある南方向へ移動、直線距離6km程度から東方向へ進み、幹線道路を1周するエリア 1、田園地区から丘陵地にある住宅街を1周するエリア 2、ラボ棟ビルから近隣ビルの回り込み受信を確認した後、最寄り駅までの間の住宅地を抜ける大通りを通るエリア 3という、主に3つのエリアでの測定を行いました。

実験結果の評価


実測データのダウンロード -> クレアリンク入居ビル13階にAP設置計測データ 

以下の画像は、実験で移動中にデバイス内のmicroSDカードに記録されたファイル ”loralogxxxxx.geojson” (xxxxxxは記録されるファイルの連番) を、PC上でサイト<https://geojson.io/> の</>JSONにそのままペーストして表示されたものです。
geojson.io でプロット表示された GPS位置情報とRSSI値を用いたマーカーの色は以下になります。

RSSI値 プロット色 参考色 RSSI値 プロット色 参考色
RSSI >= -70 濃い赤 RSSI >= -124 水色
RSSI >= -80

RSSI >= -127
RSSI >= -90 RSSI >= -130 濃い青
RSSI >= -100 赤橙

RSSI >= -133
RSSI >= -103 濃いオレンジ RSSI >= -136 濃い紺
RSSI >= -106 オレンジ RSSI >= -139 濃い紺
RSSI >= -109 黄橙 RSSI >= -142
RSSI >= -112 薄黄橙 RSSI >= -145 濃い紫
RSSI >= -115 黄色 RSSI >= -148 黒紫
RSSI >= -118 黄緑 RSSI >= -151
RSSI >= -121 LoRaデータなし 薄い灰色

実験結果1 アクセスポイントを13階窓際に設置した場合


■195mm標準アンテナ (DTA-L9101-C [TX915-JKS-20]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
6.3 km -134 dBm
7.2 km -101 dBm
3.1 km -113 dBm

■110mmアンテナ (DTA-L9102-C [TX915-JK-11]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
5.9 km -118 dBm
7.2 km -127 dBm
3.1 km -135 dBm

■50mmアンテナ (DTA-L9103-C [TX915-JZ-5]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
6.3 km -135 dBm
7.2 km -118 dBm
3.1 km -114 dBm

■48mmアンテナ (DL868-915M-R-48) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
6.0 km -128 dBm
7.2 km -128 dBm
3.1 km -127 dBm

■フレキシブル・アンテナ (DTA-L9120-F[TX915-FPC-4510]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
6.0 km -137 dBm
6.9 km -136 dBm
2.7 km -138 dBm

実験結果2 アクセスポイントを3階(相当)屋上に設置した場合


■195mm標準アンテナ (DTA-L9101-C [TX915-JKS-20]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
4.9 km -135 dBm
7.2 km -130 dBm
2.7 km -130 dBm

■110mmアンテナ (DTA-L9102-C [TX915-JK-11]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
1.3 km -127 dBm
7.0 km -134 dBm
2.4 km -134 dBm

■50mmアンテナ (DTA-L9103-C [TX915-JZ-5]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
4.5 km -137 dBm
7.0 km -116 dBm
2.9 km -117 dBm

■48mmアンテナ (DL868-915M-R-48) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
2.5 km -131 dBm
6.9 km -123 dBm
2.6 km -134 dBm

■フレキシブル・アンテナ (DTA-L9120-F[TX915-FPC-4510]) による結果

エリア 最遠受信距離 RSSI値
650 m -114 dBm
6.9 km -137 dBm
2.9 km -134 dBm



参考実験


少し小高い住宅地の中ほどの(周辺にくらべ20~30mほど高い標高)戸建ての2階窓際(室内)にアクセスポイントを設置した実験の例。bw値250、sf値10。
最遠直線距離は9.3Km RSSI値 -134dBm 195mmアンテナ
最遠距離までの間には、比較的低地の住宅地、河川沿いの低地があり河川に沿って届いたものと推察。

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