E220-900T22S(JP)

AirChekerによる通信距離と信号強度のフィールド実験

2022.12.07
2022.12.26

” 遠くまで飛ぶ “ というLoRaの最大の特徴を検証するため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
実験の概要
実験結果のまとめ
測定機器構成と設置場所
LoRa設定と測定時の環境
- LoRa（ E220-900T22S(JP) ）設定
- 測定時の環境
実験結果の評価
- 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
- 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
参考実験

この記事について

AirChecker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位置情報を記録できる機器です。
AirCheckerは、それ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。
今回は、AirCheker を実際に使用して、LoRa通信の可能性、有効性とAirCheker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。
AirCheckerは、７セグメントLEDによってRSSI値をリアルタイムに表示しますが、自動車屋根に設置した場合にはRSSI値の表示が目視できないため、AirCheckerのRSSI値モニタ機能を利用し、自動車内で確認しながらフィールドを移動しました。

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。

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、エリア内で見通しの効くエリアはピンポイント的に通信が可能。

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１９.５cmアンテナでは７.３ｋｍで通信可能となった。

アンテナについては、１９.５cm（DTA-LO9002）の場合、回り込み、通信可能距離ともに良い結果が得られた。
１１cm（DTA-LO9001）については、通信可能距離は１９.５cmに及ばないものの、通信可能エリア内では１９.５cmと遜色のない結果が得られた。

今回の実験で考慮しておかなければならない点がひとつ。アクセスポイントを設置した１３階の外壁に設置されている鉄骨足場と養生シートがLoRa通信になんらかの影響を及ぼす可能性の有無があげられます。

測定機器構成と設置場所

機器構成

AirCheker の機能	台数	設置場所
アクセスポイント（基地局）	１	設置場所は１３階と３階相当の屋上に移動
デバイス（移動局）	２	１BOX軽自動車の屋根に設置
RSSI値モニタ	１	１BOX軽自動車車内

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。
また、実験日は、設置場所１については外壁改修工事のためビル東面（１３階含む）には工事用
シート、鉄骨足場が設置されています。

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１１３階窓際

窓の外に外壁改修工事のための工事用養生シートと鉄骨足場が設置された状態。

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

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
パケット送信間隔　　　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
・１９.５cmアンテナを用いた実験
計測時刻　１５：５０～１７：２２／天気　雨　／　気温　１９.９度
・１１cmアンテナを用いた実験
計測時刻　１３：２１～１５：３９／天気　雨　／　気温　１９.９度

実験結果の評価

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、近隣ビルの回り込み受信を確認した後、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、ラボ棟ビルから見通しのよい住宅地のある丘陵地へ向かい、最遠直線距離が測れる住宅地奥（最遠地７.３km）を回り帰路という道程で行いました。
以下の画像は、実験で移動中に２台のデバイス内の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	RSSI値	プロット色
RSSI > -30	濃い赤	RSSI > -110	青緑
RSSI > -40	濃い赤	RSSI > -115	水色
RSSI > -50	赤	RSSI > -120	空色
RSSI > -60	赤	RSSI > -125	青
RSSI > -70	薄い赤	RSSI > -130	濃い青
RSSI > -80	トマト	RSSI > -135	紺
RSSI > -85	ダークオレンジ	RSSI > -135	紺
RSSI > -90	オレンジ	RSSI > -140	濃紺
RSSI > -95	黄色	RSSI > -145	濃紺
RSSI > -100	黄緑	RSSI > -150	濃紺
RSSI > -105	緑	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

デバイス１１９.５cm標準アンテナによる結果

ラボ棟ビルから半径２００ｍ以内の近隣ビル回り込み、半径６００ｍ以内での緩やかな起伏を含み低い建造物のある地区の受信状態は、LoRaの特徴の一つである回り込みにも強いという結果を表している。
南方向は直線距離６km（東に向かう地点）までの間、起伏と住宅地・商業施設などの遮蔽物が多く、受信可能な地点がまばらな状態となったが、顕著なのは比較的小高い地区、平坦な土地が連続している地区において受信可能となった。
東方向で受信可能となった地区は、なだらかな丘陵にある住宅地で、ラボ棟からの見通しが利き東に行くほど標高が高くなっていく地区であり、住宅地の最も奥の地区で最遠直線距離が７.３Km、ＲＳＳＩ値－１２３dBmとなった。
ただこのデバイスでの結果の期待値を裏切って受信不可となった中央と上部の地区について、自動車屋根に取りつけた雨天による影響か、なんらかの物理的要因で受信できない状況が発生したものと推察。その地区についての期待値は、－１２０～－１３０ｄBm程度で受信可能な結果がでることだった。再度の実験が望まれる。

デバイス２１１cm小型アンテナによる結果

ラボ棟近隣の回り込みは、ＲＳＳＩ値も高めの受信結果となった。
南方向の、起伏のある地区、遮蔽物のある地区および東方向の遠距離な地区では、１１cmという短いアンテナの特性により受信可能な範囲外となった。
ラボ棟北東の地区は、ラボ棟からは標高が低くなっていく地域となり、細かな起伏、住宅地を超えて直線距離３.３km、ＲＳＳＩ値－１１７dBmで受信可能となった。
この結果により、先述の１９.５cmアンテナの場合、地図上の中央と上部についてはより広範囲に受信可能だったことが期待できる。

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

デバイス１１９.５cm標準アンテナによる結果

１３階に設置したときの受信可能域と類似した結果となったが、やはり設置場所が３階相当の屋上という高さのハンディは否めず、若干狭範囲な受信可能域となった。
最遠直線距離は、７.２km、ＲＳＳＩ値―１２８dBm。

デバイス２１１cm小型アンテナによる結果

設置場所の高さが最大限に結果に表れ、回り込みはラボ棟ビル１００ｍ以内、最遠距離も東方向の半径６００ｍ、ＲＳＳＩ値－９７dBm程度となった。

参考実験