LoRa wykorzystuje modulację CSS (Chirp Spread Spectrum), która wykorzystuje metodę rozpraszania częstotliwości jako technikę modulacji. Tak zwane impulsy chirp są wysyłane jako symbole, które w sposób ciągły zwiększają lub zmniejszają częstotliwość LoRa w czasie. Transmisja danych jest następnie realizowana przez sekwencyjną sekwencję tych impulsów ćwierkających.

Specjalne właściwości

Ponieważ LoRa działa w pasmach częstotliwości ISM (433 MHz, 868 MHz i 915 MHz), emitowana moc transmisji jest ograniczona. Aby mieć większy zasięg radiowy niż konwencjonalne typy modulacji, takie jak Aby osiągnąć FSK (Frequency Shift Keying), czułość odbiornika została znacznie poprawiona dzięki LoRa. Odbiornik LoRa może nadal z powodzeniem odbierać i dekodować użyteczny sygnał LoRa do 20 dB poniżej poziomu szumów, co daje czułość odbiornika maksymalnie -149 dBm. W porównaniu z maksymalną czułością FSK wynoszącą ok. –125 dBm do -130 dBm, LoRa oferuje znaczną poprawę. W przypadku odbiornika FSK sygnał może być pomyślnie zdekodowany tylko wtedy, gdy użyteczny sygnał wynosi ok.

Dzięki tej właściwości, że LoRa może nadal z powodzeniem odbierać użyteczny sygnał do 20 dB poniżej poziomu hałasu, odporność na zakłócenia radiowe jest znacznie lepsza niż w przypadku FSK. Systemy FSK działają poprawnie tylko wtedy, gdy sygnał zakłócający jest co najmniej o 10 dB słabszy niż sygnał użyteczny. W najlepszym przypadku systemy LoRa mogą nadal odbierać sygnał użyteczny, jeśli sygnał zakłócający jest o 20 dB silniejszy niż sygnał użyteczny.

Ograniczenia

Z powyższego wykresu widać, że LoRa może odbierać sygnały o około 30 dB słabsze niż z FSK. Istnieją jednak dwa ograniczenia, które nieco relatywizują tę dużą różnicę.

• Po pierwsze, modulacja LoRa jest szerokopasmowa niż modulacja FSK, co oznacza, że ​​poziom szumów odbiornika LoRa jest generalnie wyższy niż odbiornika FSK. W szczególności podwojenie szerokości pasma zwiększa poziom hałasu o 3 dB.
• Po drugie, LoRa może odbierać użyteczny sygnał tylko do 20 dB poniżej poziomu szumów przy bardzo niskich szybkościach transmisji danych ≤ 0,5 kbit/s. Gdy tylko szybkość transmisji danych zostanie zwiększona, albo ujemny stosunek sygnału do szumu wzrośnie dalej do zera, albo przepustowość musi zostać jeszcze bardziej zwiększona, co z kolei zwiększy poziom szumu.

Pomiar porównawczy między LoRa i FSK

Aby dowiedzieć się, jak dobra jest LoRa, należy przeprowadzić bezpośrednie porównanie LoRa i FSK. W tym celu nasze poprzednio używane standardowe transceivery FSK (CC1020 i CC1101) są porównywane z danymi z transceivera LoRa/FSK SX1261.

Zgodnie z informacjami zawartymi w datasheetach, LoRa osiąga co najmniej 24dB lepszą maksymalną czułość niż najlepszy transceiver FSK (SX1261). W porównaniu do starych transiwerów FSK (CC1020 i CC1101) maksymalna czułość jest nawet o 31 lub 33 dB lepsza. Ponieważ można założyć, że zasięg radiowy można podwoić na każde 10 dB więcej czułości, 4 do 8 razy większy zasięg radiowy powinien być możliwy z LoRa w porównaniu z FSK.

Jednak zauważalne jest również to, że maksymalna czułość LoRa jest osiągana przy wyjątkowo niskiej szybkości transmisji danych wynoszącej zaledwie 0,02 kbit / s. W celu uzyskania bezpośredniego, sensownego porównania między różnymi nadajnikami-odbiornikami, czułość wszystkich nadajników-odbiorników jest określana przy tej samej szybkości transmisji danych. Według producenta Semtecha LoRa musiałby osiągnąć około 7 do 10 dB większą czułość przy tej samej szybkości transmisji danych co FSK.

Nasze własne pomiary dały następujące wyniki:

Transceiver SX1261 z modulacją LoRa osiąga o 4 – 6 dB większą czułość niż z modulacją FSK. W porównaniu z CC1020 uzyskuje się 8 – 11 dB iw porównaniu z CC1101 13 – 17 dB większą czułość. Uderzające jest to, że im niższa jest wybrana szybkość transmisji danych, tym większy wzrost czułości można osiągnąć dzięki LoRa.

Inny widok pokazuje energooszczędny potencjał LoRa. Aby osiągnąć taką samą czułość jak w przypadku FSK, w przypadku LoRa można zastosować około 4-krotną szybkość transmisji danych. W ten sposób ten sam telegram radiowy staje się 4 razy krótszy, a zużycie energii również spada 4-krotnie.

Wniosek:

Podobnie jak w przypadku wszystkich nadajników-odbiorników radiowych, maksymalna czułość LoRa wynosząca -149 dBm jest osiągana tylko przy najniższej szybkości transmisji danych. Ta szybkość transmisji danych dla LoRa wynosi tylko ok. 0,02 kbit/s i dlatego nie nadaje się do wielu zastosowań. Jeśli jednak można zastosować tak niskie szybkości transmisji danych, teoretycznie możliwy jest 4-krotny zasięg radiowy w porównaniu z nowoczesnymi nadajnikami-odbiornikami FSK.

Jeśli szybkość transmisji danych LoRa zostanie zwiększona z 1,2 kBit/s do 10 kBit/s, LoRa osiąga ok. Czułość większa o 4-6 dB w porównaniu do nowoczesnych transceiverów FSK. W porównaniu ze starszymi nadajnikami-odbiornikami FSK, takimi jak CC1101 lub CC1020, zasięg radiowy można nawet podwoić lub potroić dzięki LoRa.

Istnieje ciekawa opcja oszczędzania energii w aplikacjach, w których aktualna czułość FSK była wystarczająca. Jeśli ta sama czułość ma zostać osiągnięta za pomocą LoRa, szybkość transmisji danych można zwiększyć o współczynnik 4 w porównaniu z FSK, przy czym zużycie energii można również zmniejszyć o współczynnik 4.

Dla nas technologia LoRa stanowi interesującą alternatywę dla aplikacji z szybkością transmisji danych do 10 kbit/s, ponieważ zasięg radiowy można znacznie zwiększyć w porównaniu ze starszymi nadajnikami-odbiornikami. Szczególnie interesująca nas jest możliwość podłączenia do sieci LoRaWAN, ponieważ oznacza to, że aplikacje IoT można podłączyć do Internetu praktycznie w każdym miejscu.

Dzięki naszemu modułowi LoRa „TRX433-70” jesteśmy gotowi na przyszłe innowacyjne projekty LoRa.

Transmisja radiowa z LoRa

Odczyty liczników, polecenia przełączania i inne informacje mogą być przesyłane z modułu koncentratora do routera iz powrotem na różne sposoby. Jeśli transmisja przewodowa nie jest możliwa lub jest zbyt kosztowna, alternatywą dla zdalnego odczytu może być transmisja radiowa z LoRa.

Standard radiowy LoRa

LoRa oznacza Long Range, czyli wysoki zasięg (radiowy) i jest alternatywnym standardem radiowym do znanych technologii takich jak UMTS czy LTE. W wielu krajach LoRa stała się już podstawą standardu komunikacji w tzw. Internecie rzeczy (IoT), komunikacji machine-to-machine (M2M) oraz w zastosowaniach przemysłowych i smart city.

Standard radiowy LoRa, podobnie jak inne technologie radiowe, wykorzystuje wolne pasma częstotliwości LoRa z nielicencjonowanych pasm ISM (Industrial, Scientific i Medical). W Europie są to pasma z zakresu 433 i 868 MHz. Dzięki zastosowaniu specjalnej procedury radiowej, tzw. spreadu częstotliwości, technologia ta jest niemal całkowicie odporna na zakłócenia. Zasięg między nadajnikiem a odbiornikiem wynosi od 2 do 15 km, w zależności od otoczenia i obszaru zabudowanego. Dzięki wysokiej czułości -137 dBm można osiągnąć wysoką penetrację budynków. Sygnały radiowe wnikają głęboko do wnętrz budynków i piwnic. Szczególnie na kempingach, gdzie metalowe osłony przyczep kempingowych i domów mobilnych często osłabiają siłę sygnału WLAN, transmisja radiowa z LoRa jest tutaj lepsza. Szybkość transmisji danych w LoRa wynosi od 0,3 do 50 kbit/s.

Aplikacje dla LoRa

LoRa jest używany głównie w aplikacjach, w których bardzo mało danych ma być przesyłanych na duże odległości w sposób bardzo energooszczędny. Dane te to zazwyczaj wartości mierzone, sygnały stanu lub wartości manipulowane.

Różnice między WLAN, LoRa i radiem mobilnym

Sieci WLAN i radio mobilne są przeznaczone do przesyłania dużych ilości danych. Stosunkowo krótkie zakresy są akceptowane. Z kolei LoRa jest zoptymalizowana pod kątem przesyłania niewielkich ilości danych na duże odległości. W poniższej tabeli przedstawiono pewne różnice między różnymi standardami radiowymi.

LoRaWAN (sieć rozległa dalekiego zasięgu)

Sieci WAN o niskim poborze mocy (LPWAN) to koncepcje sieci dla Internetu rzeczy (IoT) i komunikacji maszyna-maszyna (M2M). Sieci LPWAN charakteryzują się tym, że mogą pokonywać odległości do 50 km i zużywają bardzo mało energii. Istnieje kilka technicznych podejść do realizacji sieci LPWAN. Jeden z ETSI: ETSI GS LTN, inne nazwy to LoRaWAN, Weightless i RPMA, co oznacza Random Phase Multiple Access.

Aby odległość, którą można pokonać, nie została zbytnio osłabiona przez tłumienie wolnej przestrzeni, niektóre z wymienionych koncepcji LPWAN wykorzystują częstotliwości w pasmach ISM przy 433 MHz i 868 MHz. Niewielu pracuje również w paśmie ISM na częstotliwości 2,4 GHz.

Na przykład, jeśli chodzi o SigFox jako LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), wykorzystuje pasmo ISM na 868 MHz (USA 915 MHz) w Europie. Dystans do pokonania to ponad 5 km w terenie miejskim i ponad 15 km poza miastem. Istnieją również nadajniki-odbiorniki radiowe w zakresie częstotliwości LoRa 2,4 GHz, z którymi można zmostkować zasięg 10 km. Transmisja LoRa to połączenie Chirp Spread Spectrum (CSS) i Software Defined Radio (SDR). Kluczową zaletą jest to, że sygnały, które są do 20 dB poniżej poziomu hałasu, nadal mogą być wykrywane. Koncepcja LoRaWAN obsługuje komunikację dwukierunkową, mobilność i usługi lokalizacyjne.

Urządzenia końcowe są podłączone do stacji bazowej, która z kolei odbiera zaszyfrowane informacje ze szkieletu za pośrednictwem protokołu TCP/IP i SSL.
Aby zapewnić jak najdłuższą żywotność baterii komponentów końcowych, wszystkie szybkości transmisji danych i sygnały wyjściowe RF są zarządzane przez sieć LoRaWAN, a komponenty końcowe są kontrolowane za pomocą adaptacyjnej szybkości transmisji danych (ADR). Istnieją trzy klasy urządzeń końcowych: Urządzenia klasy A mogą komunikować się dwukierunkowo i mają zaplanowane okno transmisji w łączu w górę, urządzenia klasy B mają również zaplanowane okno transmisji w łączu w dół, a okno transmisji dla urządzeń klasy C jest stale otwarte. Technologia LoRaWAN jest standaryzowana przez LoRa Alliance.

LoRaWan – Framework dla sieci bezprzewodowych

LoRaWan to specyfikacja i opis struktury sieci bezprzewodowych. Stosowany jest w sieciach o małym ruchu danych, na przykład w sieciach sensorowych. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) to tak zwany protokół LPWAN (Low Power Wide Area Network). W tym artykule przedstawiono częstotliwości wykorzystywane przez LoRaWan oraz dostępne klasy urządzeń końcowych.

Częstotliwość LoRa różni się w różnych regionach świata. Jednak tutaj konieczne jest uzyskanie dodatkowych informacji przed uruchomieniem urządzenia LoRa w celu ustawienia prawidłowej częstotliwości. Poniższa tabela przedstawia prawidłowe częstotliwości dla każdego kraju lub kontynentu:

LoRaWan jest również traktowany jak topologia gwiazdy. Bramy przekazują komunikaty z urządzeń końcowych do określonego serwera dostępowego. Bramy są połączone za pośrednictwem standardowego serwera za pośrednictwem standardowych połączeń internetowych.

Urządzenia dwukierunkowe
Istnieją trzy główne klasy dwukierunkowe obsługiwane przez End:

Klasa A

Dane uplink zawsze pochodzą z urządzenia końcowego. Po komunikacie w łączu w górę następują 2 krótkie okna odbiorcze dla komunikatów w łączu w dół. Te komunikaty łącza w dół mogą być również dołączone do komunikatów potwierdzających, jak również do parametrów urządzenia. Ponieważ komunikacja między terminalem a bramką będzie zawsze odbywała się tylko z terminala, między szczegółowymi parametrami nowego urządzenia a wdrożeniem terminala może upłynąć trochę czasu.

Pomiędzy rzeczywistymi stykami czasu transmisji, urządzenia klasy A mogą całkowicie przestawić swój moduł LoRa w tryb oszczędzania energii. To zmieni efektywność energetyczną.

Klasa B

Klasa B, inne okna z winy klasy A, stają się kolejnymi oknami odbiorczymi. Urządzenia klasy B synchronizowane są za pomocą cyklicznie wysyłanych beaconów. Te latarnie służą do komunikacji, a inne okna recepcji są otwarte w innym czasie. Strata polega na tym, że opóźnienie można określić z góry, utratę zużycia energii jako liczbę komponentów. Jednak zużycie energii pozostaje wystarczająco niskie dla zastosowań zasilanych bateryjnie.

klasa C

Klasa C znacznie zmniejsza opóźnienie łącza w dół, ponieważ okno odbiorcze urządzenia końcowego jest zawsze słyszalne, o ile samo urządzenie nie wysyła żadnych komunikatów. Z tego powodu zaufany serwer może rozpocząć transmisję łącza w dół. Zmiana czasu między klasą A i C jest szczególnie ważna w umowach prawnych zasilanych bateryjnie, na przykład aktualizacja oprogramowania układowego bezprzewodowo.

Źródło: https://www.mokosmart.com/lora-frequency/