Какая технология лежит в основе частоты LoRa?

LoRa использует модуляцию CSS (Chirp Spread Spectrum), которая использует метод расширения частоты. Так называемые ЛЧМ-импульсы передаются в виде символов, частота которых непрерывно увеличивается или уменьшается с течением времени. Передача данных осуществляется посредством последовательной последовательности этих ЛЧМ-импульсов.

Специальные свойства

Поскольку LoRa работает в диапазонах частот ISM (433 МГц, 868 МГц и 915 МГц), излучаемая мощность передачи ограничена. Чтобы иметь большую дальность радиосвязи, чем обычные типы модуляции, такие как FSK (частотная манипуляция), чувствительность приемника была значительно улучшена в LoRa. Приемник LoRa все еще может успешно принимать и декодировать полезный сигнал LoRa до 20 дБ ниже уровня шума, что дает максимальную чувствительность приемника -149 дБм. По сравнению с максимальной чувствительностью FSK приблизительно от -125 дБм до -130 дБм, LoRa предлагает значительное улучшение. С приемником FSK сигнал может быть успешно декодирован только если полезный сигнал приблизительно.

Благодаря способности LoRa успешно принимать полезный сигнал до 20 дБ ниже уровня шума, устойчивость к радиопомехам значительно выше, чем у FSK. Системы FSK работают корректно только в том случае, если сигнал помехи как минимум на 10 дБ слабее полезного сигнала. В лучшем случае системы LoRa способны принимать полезный сигнал, если сигнал помехи на 20 дБ сильнее полезного сигнала.

Ограничения

На графике выше видно, что LoRa может принимать сигналы примерно на 30 дБ слабее, чем с FSK. Однако есть два ограничения, которые несколько сглаживают эту существенную разницу.

• Во-первых, модуляция LoRa более широкополосная, чем FSK-модуляция, а это означает, что уровень шума приёмника LoRa, как правило, выше, чем у FSK-приёмника. В частности, удвоение полосы пропускания увеличивает уровень шума на 3 дБ.
• Во-вторых, LoRa может принимать полезный сигнал только до 20 дБ ниже уровня шума при очень низкой скорости передачи данных ≤ 0.5 кбит/с. С увеличением скорости передачи данных отрицательное отношение сигнал/шум либо продолжает стремиться к нулю, либо требуется дальнейшее расширение полосы пропускания, что, в свою очередь, увеличивает уровень шума.

Сравнительное измерение между LoRa и FSK

Чтобы оценить качество LoRa, необходимо провести прямое сравнение LoRa и FSK. Для этого данные наших ранее использовавшихся стандартных FSK-приёмопередатчиков (CC1020 и CC1101) сравниваются с данными LoRa/FSK-приёмопередатчика SX1261.

Согласно информации из технических описаний, LoRa обеспечивает максимальную чувствительность как минимум на 24 дБ выше, чем у лучшего FSK-приёмопередатчика (SX1261). По сравнению со старыми FSK-приёмопередатчиками (CC1020 и CC1101) максимальная чувствительность даже на 31–33 дБ выше. Поскольку можно предположить, что дальность связи удваивается при увеличении чувствительности на каждые 10 дБ, то дальность связи LoRa должна быть в 4–8 раз выше, чем FSK.

Однако также заметно, что максимальная чувствительность LoRa достигается при чрезвычайно низкой скорости передачи данных, всего лишь 0.02 кбит/с. Для прямого и осмысленного сравнения различных трансиверов чувствительность всех трансиверов определяется при одинаковой скорости передачи данных. По данным производителя Semtech, LoRa должен обладать примерно на 7–10 дБ большей чувствительностью при той же скорости передачи данных, что и FSK.

Наши собственные измерения дали следующие результаты:

Трансивер SX1261 с модуляцией LoRa обеспечивает чувствительность на 4–6 дБ выше, чем с модуляцией FSK. По сравнению с CC1020 чувствительность выше на 8–11 дБ, а с CC1101 – на 13–17 дБ. Примечательно, что чем ниже выбранная скорость передачи данных, тем большего прироста чувствительности можно добиться с LoRa.

Ещё один вид демонстрирует потенциал энергосбережения LoRa. Для достижения той же чувствительности, что и при FSK, LoRa позволяет использовать примерно в 4 раза большую скорость передачи данных. Таким образом, одна и та же радиограмма становится в 4 раза короче, а энергопотребление также снижается в 4 раза.

Вывод:

Как и у всех радиопередатчиков, максимальная чувствительность LoRa, равная -149 дБм, достигается только при минимальной скорости передачи данных. Эта скорость передачи данных для LoRa составляет всего около 0.02 кбит/с и поэтому непригодна для многих приложений. Однако при использовании таких низких скоростей теоретически возможно увеличение дальности связи в 4 раза по сравнению с современными FSK-трансиверами.

При увеличении скорости передачи данных LoRa до 1.2–10 кбит/с чувствительность LoRa увеличивается примерно на 4–6 дБ по сравнению с современными FSK-трансиверами. По сравнению со старыми FSK-трансиверами, такими как CC1101 или CC1020, дальность передачи данных LoRa может быть увеличена вдвое или втрое.

Интересный вариант энергосбережения существует в приложениях, где текущей чувствительности FSK было достаточно. Если необходимо достичь той же чувствительности с LoRa, скорость передачи данных можно увеличить в 4 раза по сравнению с FSK, что также позволит снизить энергопотребление в 4 раза.

Для нас технология LoRa представляет собой интересную альтернативу для приложений со скоростью передачи данных до 10 кбит/с, поскольку позволяет значительно увеличить дальность передачи данных по сравнению со старыми приёмопередатчиками. Особый интерес для нас представляет возможность подключения к сети LoRaWAN, поскольку это означает, что приложения Интернета вещей могут быть подключены к Интернету практически в любом месте.

С нашим модулем LoRa «TRX433-70» мы готовы к будущим инновационным проектам LoRa.

Радиопередача с LoRa

Показания счётчиков, команды переключения и другую информацию можно передавать от модуля-концентратора к маршрутизатору и обратно различными способами. Если проводная передача невозможна или слишком дорога, альтернативой удалённого считывания может стать радиосвязь по технологии LoRa.

Стандарт радиосвязи LoRa

LoRa означает Long Range (большой радиус действия радиосвязи) и является альтернативой таким известным технологиям, как UMTS или LTE. Во многих странах LoRa уже зарекомендовал себя в качестве основы для стандарта связи в так называемом Интернете вещей (IoT), для межмашинного взаимодействия (M2M), а также для промышленных приложений и приложений для умных городов.

Стандарт радиосвязи LoRa, как и другие радиотехнологии, использует свободные диапазоны частот LoRa из безлицензионных диапазонов ISM (промышленный, научный и медицинский). В Европе это диапазоны 433 и 868 МГц. Благодаря использованию специальной процедуры радиосвязи, так называемого частотного расширения, технология практически невосприимчива к помехам. Дальность связи между передатчиком и приёмником составляет от 2 до 15 км, в зависимости от окружающей среды и площади застройки. Благодаря высокой чувствительности -137 дБм, может быть достигнута высокая проникающая способность сквозь здания. Радиосигналы глубоко проникают внутрь зданий и подвалов. Особенно в кемпингах, где металлические покрытия караванов и мобильных домов часто ослабляют сигнал WLAN, передача радиосигнала с LoRa здесь превосходна. Скорость передачи данных в LoRa составляет от 0.3 до 50 кбит/с.

Приложения для LoRa

Технология LoRa в основном используется в приложениях, где требуется передавать очень мало данных на большие расстояния с минимальными затратами энергии. Эти данные обычно представляют собой измеренные значения, сигналы состояния или обработанные значения.

Различия между WLAN, LoRa и мобильной радиосвязью

Беспроводная локальная сеть (WLAN) и мобильная радиосвязь предназначены для передачи больших объёмов данных. Допустимы относительно небольшие расстояния. LoRa же оптимизирован для передачи небольших объёмов данных на большие расстояния. В следующей таблице показаны некоторые различия между различными стандартами радиосвязи.

LoRaWAN (широкополосная сеть дальнего радиуса действия)

Сети LPWAN с низким энергопотреблением (Low Power WAN, LPWAN) — это сетевые концепции для Интернета вещей (IoT) и межмашинного взаимодействия (M2M). LPWAN характеризуются тем, что могут охватывать расстояния до 50 км и потреблять очень мало энергии. Существует несколько технических подходов к реализации LPWAN. Один из них — ETSI GS LTN, другие названия — LoRaWAN, Weightless и RPMA (Random Phase Multiple Access).

Чтобы расстояние, на которое можно перекрыть связь, не слишком страдало от затухания в свободном пространстве, некоторые из упомянутых концепций LPWAN используют частоты в ISM-диапазонах 433 МГц и 868 МГц. Некоторые также работают в ISM-диапазоне 2.4 ГГц.

Например, что касается SigFox как LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), то в Европе он использует диапазон ISM на частоте 868 МГц (в США — 915 МГц). Дальность связи составляет более 5 км в городской черте и более 15 км за её пределами. Существуют также радиопередатчики в диапазоне частот LoRa 2.4 ГГц, с помощью которых можно обеспечить дальность связи до 10 км. Передача данных LoRa представляет собой комбинацию технологий широкополосной радиосвязи с частотной модуляцией (CSS) и программно-определяемой радиосвязи (SDR). Ключевым преимуществом является возможность обнаружения сигналов, уровень которых на 20 дБ ниже уровня шума. Концепция LoRaWAN поддерживает двунаправленную связь, мобильность и услуги, основанные на определении местоположения.

Конечные устройства подключаются к базовой станции, которая, в свою очередь, получает зашифрованную информацию из магистральной сети по протоколам TCP/IP и SSL.
Чтобы обеспечить максимально длительный срок службы аккумуляторов конечных компонентов, все скорости передачи данных и выходные радиочастотные сигналы управляются сетью LoRaWAN, а конечные компоненты – с помощью адаптивной скорости передачи данных (ADR). Существует три класса устройств: устройства класса A могут обмениваться данными в двунаправленном режиме и имеют запланированное окно передачи в восходящем канале, устройства класса B также имеют запланированное окно передачи в нисходящем канале, а окно передачи для устройств класса C постоянно открыто. Технология LoRaWAN стандартизирована альянсом LoRa.

LoRaWan – Фреймворк для беспроводных сетей

LoRaWan — это спецификация, описывающая структуру беспроводных сетей. Она используется в сетях с небольшим трафиком данных, например, в сенсорных сетях. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) — это так называемый протокол LPWAN (Low Power Wide Area Network). В этой статье представлены частоты, используемые LoRaWan, и доступные классы конечных устройств.

Частота LoRa различается в разных регионах мира. Однако перед подключением устройства LoRa необходимо получить дополнительную информацию, чтобы настроить правильную частоту. В следующей таблице представлены правильные частоты для каждой страны и континента:

LoRaWan также рассматривается как топология «звезда». Шлюзы пересылают сообщения от конечных устройств на определённый сервер доступа. Шлюзы подключаются через стандартный сервер через стандартные интернет-соединения.

Двунаправленные устройства
End обрабатывает три основных двунаправленных класса:

Класс A

Данные восходящего канала всегда поступают с конечного устройства. За восходящим сообщением следуют два коротких окна приёма для нисходящих сообщений. Эти нисходящие сообщения также могут быть включены в сообщения подтверждения и параметры устройства. Поскольку связь между терминалом и шлюзом всегда осуществляется только с терминала, между подробными параметрами нового устройства и его реализацией может возникнуть время ожидания.

В промежутках между моментами передачи данных устройства класса A могут полностью перевести свой модуль LoRa в энергосберегающий режим. Это изменит энергоэффективность.

Класс B

Устройства класса B, а также другие устройства, относящиеся к окнам сбоя класса A, становятся дополнительными окнами приёма. Устройства класса B синхронизируются посредством циклически отправляемых маяков. Эти маяки используются для связи, а другие окна приёма открыты в остальное время. Недостаток заключается в том, что задержку можно определить заранее, что приводит к потере энергопотребления как компонента. Тем не менее, энергопотребление остаётся достаточно низким для приложений с питанием от батареи.

Класс C

Класс C значительно снижает задержку в нисходящем канале, поскольку окно приёма конечного устройства всегда прослушивается, пока само устройство не отправляет никаких сообщений. По этой причине доверенный сервер может начать передачу в нисходящем канале. Разница во времени между классами A и C особенно важна в юридических контрактах с питанием от аккумуляторов, например, при обновлении прошивки «по воздуху».