ما هي التكنولوجيا وراء تردد LoRa

نطاق تردد لورا

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.

قوة التردد والإشارة LoRa

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 / جهاز الإرسال والاستقبال FSK SX1261.

جهاز الإرسال والاستقبال تعديل  

الحساسية القصوى وفقًا لورقة البيانات

معدل البيانات RX- عرض النطاق
CC1020 FSK -118 ديسيبل 2.4 كيلو بت / ثانية 12.5 كيلو هرتز
CC1101 FSK -116 ديسيبل 0.6 كيلو بت / ثانية 58 كيلو هرتز
SX1261 FSK -125 ديسيبل 0.6 كيلو بت / ثانية 4 كيلو هرتز
SX1261 لورا -149.2 ديسيبل 0.02 كيلو بت / ثانية 8 كيلو هرتز

حسب المعلومات الواردة في أوراق البيانات, يحقق LoRa حساسية قصوى أفضل بمقدار 24 ديسيبل على الأقل من أفضل جهاز إرسال واستقبال FSK (SX1261). مقارنة بأجهزة الإرسال والاستقبال FSK القديمة (CC1020 و CC1101), الحساسية القصوى حتى 31 أو 33 أفضل ديسيبل. حيث يمكن افتراض أنه يمكن مضاعفة نطاق الراديو لكل 10 حساسية أكثر ديسيبل, أ 4 إلى 8 مرات ينبغي أن يكون المدى الراديوي ممكنًا مع LoRa مقارنة بـ FSK.

ومع ذلك, من الملاحظ أيضًا أن الحد الأقصى من حساسية LoRa يتحقق مع معدل بيانات بطيء للغاية يبلغ فقط 0.02 كيلوبايت / س. من أجل الحصول على مباشر, مقارنة ذات مغزى بين أجهزة الإرسال والاستقبال المختلفة, يتم تحديد حساسية جميع أجهزة الإرسال والاستقبال بنفس معدل البيانات. بحسب الشركة المصنعة Semtech, لورا يجب أن تحقق حوالي 7 إلى 10 حساسية أكثر ديسيبل بنفس معدل البيانات مثل FSK.

أعطت قياساتنا النتائج التالية:

معدل البيانات حساسية
CC1020 CC1101 SX1261 SX1261
FSK FSK ديسيبل FSK لورا
1.2 كيلو بت / ثانية -117 ديسيبل -112 ديسيبل -123 ديسيبل -129 ديسيبل
2.4 كيلو بت / ثانية -117 ديسيبل -111 ديسيبل -121 ديسيبل -126 ديسيبل
4.8 كيلو بت / ثانية -114 ديسيبل -109 ديسيبل -118 ديسيبل -123 ديسيبل
9.6 كيلو بت / ثانية -112 ديسيبل -107 ديسيبل -116 ديسيبل -120 ديسيبل

يحقق جهاز الإرسال والاستقبال SX1261 مع تعديل LoRa 4 – 6 حساسية أكثر ديسيبل من تعديل FSK. بالمقارنة مع CC1020 8 – 11 ديسيبل وبالمقارنة مع CC1101 13 – 17 يتم تحقيق المزيد من الحساسية ديسيبل. من اللافت للنظر أنه كلما تم اختيار معدل بيانات أقل, يمكن تحقيق زيادة الحساسية مع LoRa.

يُظهر منظر آخر إمكانات توفير الطاقة في LoRa. من أجل تحقيق نفس الحساسية مثل FSK, تقريبا 4 مرات يمكن استخدام معدل البيانات مع LoRa. وهكذا يصبح نفس برقية الراديو 4 مرات أقصر وينخفض ​​استهلاك الطاقة أيضًا بمعامل 4.

خاتمة:

كما هو الحال مع جميع أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية, حساسية LoRa القصوى -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, تمثل تقنية LoRa بديلاً مثيرًا للاهتمام للتطبيقات ذات معدلات بيانات تصل إلى 10 كيلوبايت / س, حيث يمكن زيادة نطاق الراديو بشكل كبير مقارنة بأجهزة الإرسال والاستقبال الأقدم. من الأمور التي تهمنا بشكل خاص إمكانية الاتصال بشبكة LoRaWAN, لأن هذا يعني أنه يمكن توصيل تطبيقات إنترنت الأشياء بالإنترنت عمليًا في أي مكان.

مع وحدة LoRa الخاصة بنا “TRX433-70” نحن على استعداد لمشاريع LoRa المبتكرة في المستقبل.

البث اللاسلكي مع LoRa

قراءات العداد, يمكن نقل أوامر التبديل والمعلومات الأخرى من وحدة التركيز إلى جهاز التوجيه والعودة بعدة طرق. إذا كان النقل السلكي غير ممكن أو مكلف للغاية, يمكن أن يكون الإرسال اللاسلكي باستخدام LoRa بديلاً للقراءة عن بُعد.

معيار راديو LoRa

LoRa لتقف على المدى الطويل, بمعنى آخر. عالي (مذياع) النطاق وهو معيار راديو بديل للتقنيات المعروفة مثل UMTS أو LTE. في كثير من البلدان, لقد أثبتت LoRa نفسها بالفعل كأساس لمعيار الاتصال فيما يسمى بإنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء), من آلة إلى آلة (M2M) الاتصالات ولتطبيقات الصناعة والمدن الذكية.

معيار راديو LoRa, مثل تقنيات الراديو الأخرى, يستخدم نطاقات التردد LoRa المجانية من نطاقات ISM الخالية من الترخيص (صناعي, العلمية والطبية). في أوروبا, هذه هي العصابات في 433 و 868 نطاق ميغاهيرتز. باستخدام إجراء خاص بالراديو, انتشار ما يسمى التردد, التكنولوجيا تكاد تكون محصنة ضد التدخل. النطاق بين المرسل والمستقبل بين 2 و 15 كم, حسب البيئة والمنطقة العمرانية. بسبب الحساسية العالية لـ -137 ديسيبل, يمكن تحقيق اختراق عالي للمباني. تخترق إشارات الراديو عمق داخل المباني والأقبية. خاصة في المعسكرات حيث تضعف الأغطية المعدنية للكرفانات والمنازل المتنقلة في كثير من الأحيان من قوة إشارة WLAN, الإرسال اللاسلكي مع LoRa متفوق هنا. معدل البيانات في LoRa بين 0.3 و 50 كيلوبايت / س.

طلبات الحصول على LoRa

يستخدم LoRa بشكل أساسي في التطبيقات التي يتم فيها نقل القليل جدًا من البيانات عبر مسافة طويلة بطريقة موفرة للطاقة للغاية. عادة ما يتم قياس هذه البيانات القيم, إشارات الحالة أو القيم التي تم التلاعب بها.

الاختلافات بين WLAN, لورا وراديو محمول

تم تصميم WLAN والراديو المحمول لنقل كميات كبيرة من البيانات. نطاقات قصيرة نسبيا مقبولة. لورا, من ناحية أخرى, هو الأمثل لنقل كميات صغيرة من البيانات عبر مسافات كبيرة. يوضح الجدول التالي بعض الاختلافات بين معايير الراديو المختلفة.

 

WLAN لورا خلوي
رن <100 م 2.000-3.000(مدينة)

>10.000 م (بلد)

<300 م (مدينة)

<10.000 م (بلد)

 

ماكس. معدل البيانات

6.933 ميغابت / ثانية 50 كيلوبت / ثانية 1.000 ميغابت / ثانية
التكاليف متوسط منخفض عالي جدا
تردد LoRa 2.4 غيغاهرتز

5 غيغاهرتز

60 غيغاهرتز

433 ميغاهيرتز

868 ميغاهيرتز

800 ميغاهيرتز

900 ميغاهيرتز

1.800 ميغاهيرتز

2.100 ميغاهيرتز

2.600 ميغاهيرتز

ماكس. انتقال السلطة 1.000 ميغاواط 25 ميغاواط 20-50 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 المميزة LoRaWAN
 

نطاق الترددات

 

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

تعديل غرد انتشار الطيف (CSS)
القناة البريطانية 8*125 كيلو هرتز (أنا),

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

 

حجم العبوة

 

يحدده المستخدم

ورقة البيانات لأعلى / لأسفل 300 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.

منطقة تردد لورا
أوروبا 863-870 ميغاهيرتز

433 ميغاهيرتز

نحن 902-928 ميغاهيرتز
الصين 470-510 ميغاهيرتز

779-787 ميغاهيرتز

الاسترالية 915-928 ميغاهيرتز
هندي 865-867 ميغاهيرتز
آسيا 433 ميغاهيرتز
شمال امريكا 915 ميغاهيرتز

 

تحدث إلى خبير