ما هي التكنولوجيا وراء تردد LoRa

LoRa frequency range

يستخدم LoRa CSS (طيف انتشار النرد) التشكيل الذي يستخدم طريقة نشر التردد كطريقة تشكيل. يتم إرسال ما يسمى نبضات الغرد كرموز, التي تزيد أو تنقص في تردد LoRa بشكل مستمر بمرور الوقت. ثم يتم تحقيق نقل البيانات من خلال التسلسل المتسلسل لنبضات الغرد هذه.

تردد لورا

خصائص خاصة

منذ LoRa يعمل في نطاقات التردد ISM (433 ميغاهيرتز, 868 ميغا هرتز و 915 ميغاهيرتز), قدرة الإرسال المشعة محدودة. من أجل الحصول على نطاق راديو أكبر من أنواع التشكيل التقليدية مثل لتحقيق FSK (تردد التحول القفل), تم تحسين حساسية جهاز الاستقبال بشكل كبير باستخدام LoRa. لا يزال بإمكان مستقبل LoRa تلقي وفك تشفير إشارة LoRa مفيدة حتى 20 ديسيبل أقل من مستوى الضوضاء, مما ينتج عنه حساسية جهاز استقبال بحد أقصى -149 ديسيبل. مقارنة بأقصى حساسية FSK تبلغ تقريبًا. -125 ديسيبل ميلي واط إلى -130 ديسيبل, تقدم LoRa تحسنًا كبيرًا. مع جهاز استقبال FSK, لا يمكن فك تشفير الإشارة بنجاح إلا إذا كانت الإشارة المفيدة تقريبية.

LoRa-Frequency-and-signal strength

بفضل الخاصية التي لا يزال بإمكان LoRa تلقي إشارة مفيدة حتى 20 ديسيبل أقل من مستوى الضوضاء, قوة التداخل الراديوي أفضل بكثير من قوة FSK. تعمل أنظمة FSK بشكل صحيح فقط إذا كانت إشارة التداخل على الأقل 10 أضعف ديسيبل من الإشارة المفيدة. في أفضل الأحوال, لا يزال بإمكان أنظمة LoRa استقبال الإشارة المفيدة إذا كانت إشارة التداخل 20 أقوى ديسيبل من الإشارة المفيدة.

محددات

من الرسم أعلاه يمكنك أن ترى أن LoRa يمكن أن تتلقى حوالي 30 إشارات أضعف من ديسيبل من FSK. ومع ذلك, هناك نوعان من القيود التي تجعل هذا الاختلاف الكبير نسبيًا إلى حد ما.

• أول, يعد تشكيل LoRa نطاق عريض مقارنة بتشكيل FSK, مما يعني أن مستوى ضوضاء مستقبل LoRa أعلى بشكل عام من مستوى مستقبل FSK. على وجه التحديد, مضاعفة عرض النطاق الترددي يزيد من مستوى الضوضاء بمقدار 3 ديسيبل.
• ثانيا, يمكن LoRa فقط تلقي إشارة مفيدة تصل إلى 20 dB أقل من مستوى الضوضاء بمعدلات بيانات بطيئة جدًا تبلغ 0.5 كيلوبايت / س. بمجرد زيادة معدل البيانات, إما أن تزداد نسبة الإشارة إلى الضوضاء السلبية نحو الصفر أو يجب زيادة عرض النطاق الترددي أكثر, مما يؤدي بدوره إلى زيادة مستوى الضوضاء.

قياس المقارنة بين LoRa و FSK

لمعرفة مدى جودة LoRa حقًا, يجب إجراء مقارنة مباشرة بين LoRa و FSK. لهذا الغرض, لدينا أجهزة الإرسال والاستقبال FSK القياسية المستخدمة سابقا (CC1020 و CC1101) مقارنة بالبيانات من LoRa / FSK transceiver SX1261.

Transceiverتعديل 

Max sensitivity according to the datasheet

Data rateRX- bandwidth
CC1020FSK-118 ديسيبل2.4 kBit/s12.5 كيلو هرتز
CC1101FSK-116 ديسيبل0.6 kBit/s58 كيلو هرتز
SX1261FSK-125 ديسيبل0.6 kBit/s4 كيلو هرتز
SX1261لورا-149.2 ديسيبل0.02 kBit/s8 كيلو هرتز

According to the information from the datasheets, LoRa achieves at least a 24dB better maximum sensitivity than with the best FSK transceiver (SX1261). Compared to the old FSK transceivers (CC1020 و CC1101), the maximum sensitivity is even 31 أو 33 dB better. Since it can be assumed that the radio range can be doubled for every 10 dB more sensitivity, أ 4 إلى 8 times the radio range should be possible with LoRa compared to FSK.

ومع ذلك, it is also noticeable that the maximum LoRa sensitivity is achieved with an extremely slow data rate of only 0.02 كيلوبايت / س. In order to obtain a direct, meaningful comparison between the different transceivers, the sensitivity of all transceivers is determined at the same data rate. According to Semtech’s manufacturer, LoRa would have to achieve about 7 إلى 10 dB more sensitivity at the same data rate as FSK.

Our own measurements have given the following results:

Data rateحساسية
CC1020CC1101SX1261SX1261
FSKFSK dBmFSKلورا
1.2 kBit/s-117 ديسيبل-112 ديسيبل-123 ديسيبل-129 ديسيبل
2.4 kBit/s-117 ديسيبل-111 ديسيبل-121 ديسيبل-126 ديسيبل
4.8 kBit/s-114 ديسيبل-109 ديسيبل-118 ديسيبل-123 ديسيبل
9.6 kBit/s-112 ديسيبل-107 ديسيبل-116 ديسيبل-120 ديسيبل

The SX1261 transceiver with LoRa modulation achieves 4 – 6 dB more sensitivity than with FSK modulation. In comparison to the CC1020 8 – 11 dB and in comparison to the CC1101 13 – 17 dB more sensitivity is achieved. It is striking that the lower the data rate is chosen, the more sensitivity gain can be achieved with LoRa.

Another view shows the energy-saving potential of LoRa. In order to achieve the same sensitivity as with FSK, approximately 4 times the data rate can be used with LoRa. The same radio telegram thus becomes 4 times shorter and the energy consumption also drops by a factor of 4.

خاتمة:

As with all radio transceivers, the maximum LoRa sensitivity of -149 يتم تحقيق dBm فقط عند أدنى معدل بيانات. معدل بيانات LoRa هذا تقريبي فقط. 0.02 كيلوبايت / s وبالتالي فهو غير قابل للاستخدام في العديد من التطبيقات. ومع ذلك, إذا كان من الممكن استخدام معدلات البيانات المنخفضة هذه, 4 أضعاف مدى الراديو ممكن من الناحية النظرية مقارنة بأجهزة الإرسال والاستقبال FSK الحديثة.

إذا تم زيادة معدل بيانات LoRa إلى 1.2 كيلو بت / ق ل 10 كيلو بت / س, LoRa يحقق تقريبًا. 4-6 حساسية أكثر ديسيبل مقارنة بأجهزة الإرسال والاستقبال FSK الحديثة. مقارنة بأجهزة الإرسال والاستقبال FSK الأقدم مثل CC1101 أو CC1020, يمكن حتى مضاعفة نطاق الراديو أو مضاعفته ثلاث مرات مع LoRa.

هناك خيار مثير للاهتمام لتوفير الطاقة في التطبيقات حيث كانت حساسية FSK الحالية كافية. إذا تم تحقيق نفس الحساسية مع LoRa, يمكن زيادة معدل البيانات بمعامل 4 مقارنة FSK, حيث يمكن أيضًا تقليل استهلاك الطاقة بمعامل 4.

لنا, LoRa technology represents an interesting alternative for applications with data rates up to 10 كيلوبايت / س, since the radio range can be increased massively compared to the older transceivers. Of particular interest to us is the possibility of connecting to the LoRaWAN network, as this means that IoT applications can be connected to the Internet practically anywhere.

With our LoRa moduleTRX433-70we are ready for future innovative LoRa projects.

Radio transmission with LoRa

The meter readings, switching commands and other information can be transmitted from the concentrator module to the router and back in a variety of ways. If the wired transmission is not possible or too expensive, radio transmission with LoRa can be an alternative for remote reading.

The LoRa radio standard

LoRa stands for Long Range, بمعنى آخر. high (radio) range and is an alternative radio standard to the known technologies such as UMTS or LTE. In many countries, LoRa has already established itself as the basis for a communication standard in the so-called Internet of Things (إنترنت الأشياء), for machine-to-machine (M2M) communication and for industry and smart city applications.

The LoRa radio standard, like other radio technologies, uses the free LoRa frequency bands from the license-free ISM bands (صناعي, Scientific and Medical). في أوروبا, these are the bands in the 433 و 868 MHz range. By using a special radio procedure, the so-called frequency spread, the technology is almost immune to interference. The range between transmitter and receiver is between 2 و 15 كم, depending on the environment and built-up area. Due to the high sensitivity of -137 ديسيبل, high penetration of buildings can be achieved. The radio signals penetrate deep into the interior of buildings and basements. Especially at campsites where the metallic covers of the caravans and mobile homes often weaken the signal strength of WLAN, radio transmission with LoRa is superior here. The data rate at LoRa is between 0.3 و 50 كيلوبايت / س.

Applications for LoRa

LoRa is mainly used in applications in which very little data is to be transmitted over a long distance in a very energy-saving manner. These data are usually measured values, status signals or manipulated values.

Differences between WLAN, LoRa and mobile radio

WLAN and mobile radio are designed to transmit large amounts of data. Relatively short ranges are accepted. لورا, on the other hand, is optimized for the transmission of small amounts of data over large distances. يوضح الجدول التالي بعض الاختلافات بين معايير الراديو المختلفة.

 

WLANلوراخلوي
رن<100 م2.000-3.000(مدينة)

>10.000 م (بلد)

<300 م (مدينة)

<10.000 م (بلد)

 

ماكس. معدل البيانات

6.933 ميغابت / ثانية50 كيلوبت / ثانية1.000 ميغابت / ثانية
التكاليفمتوسطمنخفضعالي جدا
تردد LoRa2.4 غيغاهرتز

5 غيغاهرتز

60 غيغاهرتز

433 ميغاهيرتز

868 ميغاهيرتز

800 ميغاهيرتز

900 ميغاهيرتز

1.800 ميغاهيرتز

2.100 ميغاهيرتز

2.600 ميغاهيرتز

ماكس. انتقال السلطة1.000 ميغاواط25 ميغاواط20-50 ث (المحطة الأساسية)

200 ميغاواط (الأجهزة الطرفية)

LoRaWAN (شبكة واسعة المدى)

شبكات WAN منخفضة الطاقة (شبكات LPWAN) هي مفاهيم الشبكة لإنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء) والتواصل من آلة إلى آلة (M2M). تتميز شبكات LPWAN بحقيقة أنها يمكن أن تغطي مسافات تصل إلى 50 كم وتتطلب القليل من الطاقة. هناك العديد من الأساليب الفنية لتحقيق شبكات LPWAN. واحد من ETSI: ETSI GS LTN, الأسماء الأخرى LoRaWAN, عديم الوزن و RPMA, والتي تعني الوصول العشوائي متعدد المراحل.

بحيث لا تتأثر المسافة التي يمكن جسرها كثيرًا بسبب توهين المساحة الحرة, بعض مفاهيم LPWAN المذكورة تستخدم الترددات في نطاقات ISM في 433 ميغا هرتز و 868 ميغاهيرتز. قليلون أيضًا يعملون في نطاق ISM في 2.4 غيغاهرتز.

فمثلا, فيما يتعلق SigFox باسم LoRaWAN (شبكة واسعة النطاق بعيدة المدى), يستخدم نطاق ISM في 868 ميغاهيرتز (الولايات المتحدة الأمريكية 915 ميغاهيرتز) في أوروبا. مدى المسافة التي يمكن جسرها قد انتهى 5 كم في المنطقة الحضرية وأكثر 15 كم خارج المدينة. هناك أيضًا أجهزة إرسال واستقبال لاسلكية في نطاق تردد LoRa 2.4 غيغاهرتز مع نطاق 10 يمكن جسر كم. انتقال LoRa هو مزيج من Chirp Spread Spectrum (CSS) والراديو المحدد بالبرمجيات (حقوق السحب الخاصة). الميزة الرئيسية هي أن الإشارات التي تصل 20 لا يزال من الممكن اكتشاف ديسيبل أقل من مستوى الضوضاء. يدعم مفهوم LoRaWAN الاتصال ثنائي الاتجاه, التنقل والخدمات المستندة إلى الموقع.

القيم المميزةLoRaWAN
 

نطاق الترددات

 

فرقة ISM, 433 ميغاهيرتز, 868 ميغاهيرتز (أنا), 915 ميغاهيرتز (الولايات المتحدة الأمريكية)

تعديلغرد انتشار الطيف (CSS)
القناة البريطانية8*125 كيلو هرتز (أنا),

64*125كيلو هرتز,8*125كيلو هرتز(الولايات المتحدة الأمريكية)

 

حجم العبوة

 

يحدده المستخدم

ورقة البيانات لأعلى / لأسفل300 بت / ثانية 50 كيلوبت / ثانية (أنا)

900 بت / ثانية إلى 100 كيلوبت / ثانية(الولايات المتحدة الأمريكية)

 

طوبولوجيا

 

طوبولوجيا النجوم

 

مسافة

يصل إلى 5 كم في المناطق المبنية

يصل إلى 15 كم في المنطقة الريفية

 

الأجهزة الطرفية متصلة بمحطة أساسية, والذي بدوره يتلقى المعلومات المشفرة من العمود الفقري عبر TCP / IP وبروتوكول SSL.
للتأكد من أن عمر بطارية المكونات النهائية أطول ما يمكن, تتم إدارة جميع معدلات البيانات وإشارات خرج التردد اللاسلكي بواسطة شبكة LoRaWAN ويتم التحكم في المكونات النهائية عبر معدل بيانات قابل للتكيف (ADR). هناك ثلاث فئات للأجهزة الطرفية: يمكن لأجهزة الفئة A الاتصال ثنائي الاتجاه ولديها نافذة إرسال مخطط لها في الوصلة الصاعدة, تحتوي أجهزة الفئة B أيضًا على نافذة إرسال مخطط لها في الوصلة الهابطة ونافذة الإرسال للأجهزة من الفئة C مفتوحة باستمرار. تم توحيد تقنية LoRaWAN بواسطة تحالف LoRa.

LoRaWan – إطار عمل للشبكات اللاسلكية

LoRaWan هي مواصفات وتصف إطار عمل للشبكات اللاسلكية. يتم استخدامه في الشبكات مع حركة مرور بيانات قليلة, على سبيل المثال في شبكات الاستشعار. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) هو ما يسمى LPWAN (شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة) بروتوكول. توضح هذه المقالة الترددات التي تستخدمها LoRaWan والفئات المتاحة للأجهزة الطرفية.

يختلف تردد LoRa في مناطق مختلفة من العالم. ومع ذلك, من الضروري هنا الحصول على مزيد من المعلومات قبل بدء تشغيل جهاز LoRa من أجل ضبط التردد الصحيح. يوضح الجدول التالي الترددات الصحيحة لكل بلد أو قارة:

يتم التعامل مع LoRaWan أيضًا مثل طوبولوجيا النجوم. تقوم البوابات بإعادة توجيه الرسائل من الأجهزة الطرفية إلى خادم وصول محدد. ترتبط البوابات عبر الخادم القياسي عبر اتصالات الإنترنت القياسية.

الأجهزة ثنائية الاتجاه
هناك ثلاث فئات رئيسية ثنائية الاتجاه يتم التعامل معها بواسطة End:

فئة أ

تنشأ بيانات الوصلة الصاعدة دائمًا من الجهاز النهائي. يتبع رسالة الإرسال 2 نوافذ استقبال قصيرة لرسائل الوصلة الهابطة. يمكن أيضًا تضمين رسائل الوصلة الهابطة هذه في رسائل التأكيد وكذلك لمعلمات الجهاز. نظرًا لأن الاتصال بين المحطة والبوابة سيكون فقط من المحطة, قد يكون هناك وقت انتظار بين معلمات الجهاز الجديدة المفصلة وتنفيذ الجهاز.

بين الاتصالات وقت الإرسال الفعلي, يمكن لأجهزة الفئة A وضع وحدة LoRa الخاصة بها بالكامل في وضع توفير الطاقة. سيؤدي هذا إلى تغيير كفاءة الطاقة.

الصف ب

الصف ب, البعض الآخر إلى نوافذ خطأ الفئة أ, تصبح نوافذ استقبال إضافية. تتم مزامنة أجهزة الفئة ب عبر منارات يتم إرسالها دوريًا. تستخدم هذه المنارات للتواصل, ونوافذ الاستقبال الأخرى تفتح في أوقات أخرى. الخسارة هي أنه يمكن تحديد وقت الاستجابة مسبقًا, فقدان استهلاك الطاقة كرقم مكون. ومع ذلك, يظل استهلاك الطاقة منخفضًا بدرجة كافية للتطبيقات التي تعمل بالبطاريات.

فئة ج

تقلل الفئة C بشكل ملحوظ زمن انتقال الوصلة الهابطة, نظرًا لأن نافذة الاستلام الخاصة بالجهاز النهائي تُسمع دائمًا طالما أن الجهاز نفسه لا يعطي أية رسائل. لهذا السبب, يمكن للخادم الموثوق به بدء إرسال الوصلة الهابطة. يعد تغيير الوقت بين الفئتين A و C مهمًا بشكل خاص في العقود القانونية التي تعمل بالبطاريات, فمثلا, “البرامج الثابتة على الهواء” التحديثات.

منطقةتردد لورا
أوروبا863-870 ميغاهيرتز

433 ميغاهيرتز

نحن902-928 ميغاهيرتز
الصين470-510 ميغاهيرتز

779-787 ميغاهيرتز

الاسترالية915-928 ميغاهيرتز
هندي865-867 ميغاهيرتز
آسيا433 ميغاهيرتز
شمال امريكا915 ميغاهيرتز