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20 sep 20 Antenas de 868 MHz. Aspectos teóricos de transmisión y variedades a mi disposición

Uno de los elementos más importantes del proyecto de gateway LoRaWAN es la antena. En realidad, las antenas, ya que tenemos que tener en cuenta que vamos a tener dos: una de recepción y otra de emisión. En la práctica la afectación que vamos a tener en la calidad de la señal recibida es la misma por la parte emisora y la parte receptora, así que iré al grano en lo que se refiere a la descripción de las mismas. En un artículo anterior sobre LoRa hablé ya algo sobre la importancia de una buena antena, su ubicación, y sus características deseables. No hay nada nuevo en este artículo con respecto a lo comentado en su momento, que me permito recuperar:

  • La ubicación de la antena importa. Mucho. Es extraordinariamente importante que las antenas, tanto de emisor como receptor, estén verticales. Solamente este factor es de una importancia enorme para lograr una buena transmisión de la señal entre dispositivos. Pero no es el único. La frecuencia de 433 MHz no se lleva especialmente bien con paredes de hormigón forjado, ni con mallazo metálico. Si puedes poner la antena en espacio abierto, mejor que mejor.
  • Haz uso de una buena antena. Las que vienen con los dispositivos son extremadamente básicas. Hacen bien su función a distancias relativamente cortas, pero cuando intentas subir de nivel, la cosa cambia. Tanto es así, que el fabricante de los dispositivos da un rango de alcance de sus dispositivos de 2.8 km, frente a las decenas que soporta el protocolo. Sigue estando bastante bien para unos dispositivos que no llegan a los 20€ de precio, pero cuando intentas ir un poco más allá, es preciso invertir un poco más.
  • El tipo de antena importa. Esto es de cajón. Podemos distinguir -de manera muy general- entre antenas omnidireccionales y antenas directivas. La diferencia entre una y otra es la siguiente: mientras que las omnidireccionales emite (o reciben) de cualquier dirección, las directivas enfocan su capacidad hacia una zona concreta, por lo que el alcance obtenido es mucho mayor, a costa de sacrificar versatilidad, ya que las antenas tienen que estar enfocadas hacia la dirección concreta en la que se trate de establecer el enlace. En mi caso, en todo momento estoy tratanto de antenas omnidireccionales, ya que pretendo hacer un uso lo más amplio posible del gateway, sin restringirme a una localización en concreto para el enlace.
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¿Y cuál es la importancia de la antena en todo esto? Se puede entender muy bien en la imagen de más arriba. Para una descripción más detallada me remito a la página de la red LoRa relativa a las características físicas del enlace, pero ofreceré aquí un pequeño resumen: a la hora de medir la calidad, tenemos que tener en cuenta un parámetro ques el RSSI. Se puede definir en pocas palabras como el indicador de la fuerza de la señal recibida por un dispositivo, y está íntimamente relacionado con la sensibilidad del dispositivo en cuestión. Siempre se expresa en números negativos. Un RSSI de -1 dBm es una señal poco menos que perfecta, y en el caso de los dispositivos Heltec, éstos pueden captar con una calidad aceptable señales con un RSSI de -131 dBm. ¿Y cómo se calcula el RSSI? Es una fórmula resultado de sumar y restar los siguientes parámetros:

  • Potencia de emisión por parte del emisor. Se mide en dBm y, en el caso de los Heltec, puede estar en un máximo de 20 dBm, siendo regulable en tramos. Obviamente, a más potencia de emisión, más alcance tendremos, pero también tendremos un mayor gasto energético.
  • Pérdida del cable a la antena por parte del emisor. El cable que conecta el emisor a la antena provocará una pérdida, que será mayor o menor en función del grosor del cable y la longitud del mismo. Por eso es conveniente hacer uso de los cables más cortos posibles. En el caso del emisor, por razones de economía de espacio y materiales, suelen emplearse cables cortos y finos. Este parámetro se mide en dB.
  • Ganancia de la antena en el caso del emisor. Cómo de buena es la antena a la hora de transmitir la señal. Una antena doméstica puede andar entre los 2 y los 10 dBi, pero es cuestión de invertir dinero para lograr mejores antenas.
  • Pérdida por transmisión aérea (Free space losses). El hecho de viajar por el aire hace que la señal tenga pérdidas. Sin embargo, esta pérdida no es lineal, sino que va en función del logaritmo de la distancia y de la frecuencia de emisión, en base a la siguiente fórmula: L(fs) = 32,45 + 20*log(D) + 20*log(f), expresándose L(fs) en dB, D en km, y f en MHz. Como se puede apreciar, la mayor parte de la pérdida se produce por el mero hecho de poner la señal en el aire, atenuándose mucho la pérdida a medida que aumentan los kilómetros de distancia.
  • Ganancia de la antena en el caso del receptor. Al igual que en el caso del emisor, cómo de buena es la antena a la hora de recibir la señal. Aparte de la señal en sí, importa mucho la ubicación, a ser posible en alto y sin obstáculos, a fin de mantener la zona fresnel lo más limpia posible.
  • Pérdida del cable a la antena por parte del receptor. Igual que en el caso del emisor. El cable que conecta el emisor a la antena provocará una pérdida, que será mayor o menor en función del grosor del cable y la longitud del mismo. Por eso es conveniente hacer uso de los cables más cortos posibles. En el caso del receptor, por lo general se pueden hacer uso de cables más gruesos, pero por razones de ubicación suelen ser considerablemente más largos (varios metros) que en el caso del emisor. Este parámetro se mide en dB.

Llegados a este punto, y mediante sumas y restas sencillas, tenemos el RSSI en base a los parámetros anteriores. El último detalle a considerar es si nuestro RSSI es mayor o menor que la sensibilidad del receptor. Esto nos dirá si la señal que ha llegado al dispositivo puede ser interpretada por éste o no. En mis pruebas, con un RSSI de -131 dBm la señal es captada sin demasiados problemas por el receptor. A partir de ahí, se empiezan a experimentar pérdidas de datos.

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En cuanto a las antenas que tengo para este proyecto, dispongo de los siguientes tipos (de izquierda a derecha en la imagen superior):

  • Antena CubeCell: Es la antena que venía con el CubeCell. Como todas las de este artículo, es omnidireccional. No he encontrado información de la ganancia de la misma, pero debe de estar en torno a los 2 dBi. Se conecta al dispositivo directamente.
  • Antena Heltec LoRa 32: Es la antena que venía con el Heltec LoRa 32. Tampoco tengo información del fabricante. La construcción es algo mejor, pero sospecho que debe de andar igualmente por los 2 dBi. En este caso, viene con conector SMA, y se conecta a la placa con un pigtail de unos 5 cm.
  • Antena 5 dBi: Comprada en Aliexpress, declara 5 dBi. 30,1cm de longitud, viene equipada con base magnética, cable de 3m y un conector de tipo SMA. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.
  • Eightwood 868MHz: Adquirida en Amazon, declara 5 dBi. 30,1cm de longitud, viene equipada con un cable de 3m, la antena usa un conector de tipo TNC y el cable SMA, y dispone de base atornillable a una pared. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.
  • Antena 6 dBi: Comprada en Aliexpress, declara 6 dBi. 36cm de longitud, viene equipada con base magnética, cable de 2m y un conector de tipo SMA. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.

En mi caso, he escogido como ubicación de la antena el punto más alto de la casa: la parte superior de la chimenea de ventilación de los cuartos de baño. He fijado en ella una pequeña placa metálica donde colocaré la antena, haciendo uso de su base magnética. Realizaré pruebas con las diversas antenas, para evaluar la eficiencia de las mismas, pero en principio, la antena a utilizar sería la de 6 dBi, ya que tiene la mejor calidad teórica, y hace uso del cable más corto.

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