Was ist die Technologie hinter der LoRa-Frequenz?

LoRa verwendet das CSS (Chirp Spread Spectrum) Modulation, die ein Frequenzspreizverfahren als Modulationstechnik verwendet. Sogenannte Chirp-Impulse werden als Symbole gesendet, die die LoRa-Frequenz im Laufe der Zeit kontinuierlich erhöhen oder verringern. Die Datenübertragung wird dann durch die sequentielle Sequenz dieser Chirp-Impulse realisiert.

Besondere Eigenschaften

Da LoRa in den ISM-Frequenzbändern arbeitet (433 MHz, 868 MHz und 915 MHz), Die abgestrahlte Sendeleistung ist begrenzt. Um eine größere Funkreichweite als herkömmliche Modulationstypen wie FSK zu erreichen (Frequenzumtastung), Die Empfängerempfindlichkeit wurde mit LoRa erheblich verbessert. Der LoRa-Empfänger kann weiterhin ein nützliches LoRa-Signal bis zu erfolgreich empfangen und decodieren 20 dB unter dem Geräuschpegel, Dies führt zu einer Empfängerempfindlichkeit von maximal -149 dBm. Im Vergleich zur maximalen FSK-Empfindlichkeit von ca.. –125 dBm bis -130 dBm, LoRa bietet eine deutliche Verbesserung. Mit dem FSK-Empfänger, Das Signal kann nur erfolgreich dekodiert werden, wenn das Nutzsignal ca..

Dank der Eigenschaft, dass LoRa noch erfolgreich ein Nutzsignal empfangen kann bis 20 dB unter dem Geräuschpegel, Die Robustheit gegenüber Funkstörungen ist deutlich besser als die von FSK. FSK-Systeme funktionieren nur dann einwandfrei, wenn das Störsignal mindestens ist 10 dB schwächer als das Nutzsignal. Im besten Fall, LoRa-Systeme können das Nutzsignal weiterhin empfangen, wenn das Interferenzsignal ist 20 dB stärker als das Nutzsignal.

Einschränkungen

Aus der obigen Grafik können Sie ersehen, dass LoRa ungefähr empfangen kann 30 dB schwächere Signale als bei FSK. jedoch, Es gibt zwei Einschränkungen, die diesen großen Unterschied etwas relativieren.

• Zuerst, Die LoRa-Modulation ist breitbandig als die FSK-Modulation, Dies bedeutet, dass der Rauschpegel des LoRa-Empfängers im Allgemeinen höher ist als der des FSK-Empfängers. Speziell, Durch Verdoppeln der Bandbreite wird der Rauschpegel um erhöht 3 dB.
• Zweitens, LoRa kann nur ein Nutzsignal bis zu empfangen 20 dB unter dem Geräuschpegel bei sehr langsamen Datenraten von ≤ 0.5 kbit / s. Sobald die Datenrate erhöht wird, entweder steigt das negative Signal-Rausch-Verhältnis weiter gegen Null an oder die Bandbreite muss weiter erhöht werden, was wiederum den Geräuschpegel erhöht.

Vergleichsmessung zwischen LoRa und FSK

Um herauszufinden, wie gut LoRa wirklich ist, Ein direkter Vergleich zwischen LoRa und FSK sollte durchgeführt werden. Für diesen Zweck, unsere bisher verwendeten Standard-FSK-Transceiver (CC1020 und CC1101) werden mit den Daten aus dem LoRa verglichen / FSK-Transceiver SX1261.

Nach den Angaben aus den Datenblättern, LoRa erreicht eine um mindestens 24 dB bessere maximale Empfindlichkeit als der beste FSK-Transceiver (SX1261). Im Vergleich zu den alten FSK-Transceivern (CC1020 und CC1101), Die maximale Empfindlichkeit ist gerade 31 oder 33 dB besser. Da davon auszugehen ist, dass die Funkreichweite für jeden verdoppelt werden kann 10 dB mehr Empfindlichkeit, ein 4 zu 8 mal sollte die Funkreichweite mit LoRa im Vergleich zu FSK möglich sein.

jedoch, Es fällt auch auf, dass die maximale LoRa-Empfindlichkeit mit einer extrem langsamen Datenrate von nur erreicht wird 0.02 kbit / s. Um eine direkte zu erhalten, aussagekräftiger Vergleich zwischen den verschiedenen Transceivern, Die Empfindlichkeit aller Transceiver wird mit der gleichen Datenrate bestimmt. Laut Hersteller von Semtech, LoRa müsste etwa erreichen 7 zu 10 dB mehr Empfindlichkeit bei gleicher Datenrate wie FSK.

Unsere eigenen Messungen haben die folgenden Ergebnisse ergeben:

Der SX1261-Transceiver mit LoRa-Modulation erreicht 4 – 6 dB empfindlicher als bei FSK-Modulation. Im Vergleich zum CC1020 8 – 11 dB und im Vergleich zum CC1101 13 – 17 dB mehr Empfindlichkeit wird erreicht. Es fällt auf, dass je niedriger die Datenrate gewählt wird, Je mehr Empfindlichkeitsgewinn mit LoRa erzielt werden kann.

Eine andere Ansicht zeigt das Energiesparpotential von LoRa. Um die gleiche Empfindlichkeit wie bei FSK zu erreichen, etwa 4 mal kann die Datenrate mit LoRa verwendet werden. Das gleiche Radiotelegramm wird somit 4 mal kürzer und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls um den Faktor 4.

Fazit:

Wie bei allen Funk-Transceivern, die maximale LoRa-Empfindlichkeit von -149 dBm wird nur bei der niedrigsten Datenrate erreicht. Diese Datenrate für LoRa beträgt nur ca.. 0.02 kbit / s und ist daher für viele Anwendungen unbrauchbar. jedoch, wenn so niedrige Datenraten verwendet werden können, 4 mal ist die Funkreichweite im Vergleich zu modernen FSK-Transceivern theoretisch möglich.

Wenn die LoRa-Datenrate auf erhöht wird 1.2 kBit / s zu 10 kBit / s, LoRa erreicht ca.. 4-6 dB mehr Empfindlichkeit im Vergleich zu modernen FSK-Transceivern. Im Vergleich zu älteren FSK-Transceivern wie dem CC1101 oder dem CC1020, Die Funkreichweite kann mit LoRa sogar verdoppelt oder verdreifacht werden.

In Anwendungen, in denen die aktuelle FSK-Empfindlichkeit ausreichend war, gibt es eine interessante Energiesparoption. Wenn mit LoRa die gleiche Empfindlichkeit erreicht werden soll, Die Datenrate kann um den Faktor erhöht werden 4 im Vergleich zu FSK, wodurch der Energieverbrauch auch um den Faktor reduziert werden kann 4.

Für uns, Die LoRa-Technologie ist eine interessante Alternative für Anwendungen mit Datenraten bis zu 10 kbit / s, da die Funkreichweite im Vergleich zu den älteren Transceivern massiv erhöht werden kann. Von besonderem Interesse für uns ist die Möglichkeit, eine Verbindung zum LoRaWAN-Netzwerk herzustellen, Dies bedeutet, dass IoT-Anwendungen praktisch überall mit dem Internet verbunden werden können.

Mit unserem LoRa-Modul “TRX433-70” Wir sind bereit für zukünftige innovative LoRa-Projekte.

Funkübertragung mit LoRa

Die Zählerstände, Schaltbefehle und andere Informationen können auf verschiedene Weise vom Konzentratormodul zum Router und zurück übertragen werden. Wenn die Kabelübertragung nicht möglich oder zu teuer ist, Die Funkübertragung mit LoRa kann eine Alternative zum Fernlesen sein.

Der LoRa-Funkstandard

LoRa steht für Long Range, d.h.. hoch (Radio) Reichweite und ist ein alternativer Funkstandard zu den bekannten Technologien wie UMTS oder LTE. In vielen Ländern, LoRa hat sich bereits als Basis für einen Kommunikationsstandard im sogenannten Internet der Dinge etabliert (IoT), für Maschine zu Maschine (M2M) Kommunikation und für Industrie- und Smart-City-Anwendungen.

Der LoRa-Funkstandard, wie andere Funktechnologien, verwendet die kostenlosen LoRa-Frequenzbänder aus den lizenzfreien ISM-Bändern (Industriell, Wissenschaftlich und medizinisch). In Europa, Das sind die Bands in der 433 und 868 MHz-Bereich. Durch Verwendung eines speziellen Funkverfahrens, die sogenannte Frequenzspreizung, Die Technologie ist nahezu unempfindlich gegen Störungen. Der Bereich zwischen Sender und Empfänger liegt zwischen 2 und 15 km, abhängig von der Umgebung und der bebauten Fläche. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit von -137 dBm, Es kann eine hohe Durchdringung von Gebäuden erreicht werden. Die Funksignale dringen tief in das Innere von Gebäuden und Kellern ein. Besonders auf Campingplätzen, auf denen die Metallabdeckungen der Wohnwagen und Mobilheime häufig die Signalstärke von WLAN schwächen, Die Funkübertragung mit LoRa ist hier überlegen. Die Datenrate bei LoRa liegt zwischen 0.3 und 50 kbit / s.

Anwendungen für LoRa

LoRa wird hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen sehr wenig Daten sehr energiesparend über große Entfernungen übertragen werden sollen. Diese Daten sind normalerweise Messwerte, Statussignale oder manipulierte Werte.

Unterschiede zwischen WLAN, LoRa und Mobilfunk

WLAN und Mobilfunk sind für die Übertragung großer Datenmengen ausgelegt. Relativ kurze Reichweiten werden akzeptiert. LoRa, andererseits, ist für die Übertragung kleiner Datenmengen über große Entfernungen optimiert. Die folgende Tabelle zeigt einige Unterschiede zwischen den verschiedenen Funkstandards.

LoRaWAN (Weitverkehrsnetz)

WANs mit geringem Stromverbrauch (LPWANs) sind Netzwerkkonzepte für das Internet der Dinge (IoT) und Kommunikation von Maschine zu Maschine (M2M). LPWANs zeichnen sich dadurch aus, dass sie Entfernungen von bis zu 50 km und benötigen sehr wenig Energie. Es gibt verschiedene technische Ansätze zur Realisierung der LPWANs. Einer von ETSI: ETSI GS LTN, andere Namen sind LoRaWAN, Schwerelos und RPMA, Dies steht für Random Phase Multiple Access.

Damit der überbrückbare Abstand durch die Freiraumdämpfung nicht zu stark beeinträchtigt wird, Einige der genannten LPWAN-Konzepte verwenden Frequenzen in ISM-Bändern bei 433 MHz und 868 MHz. Nur wenige arbeiten auch in der ISM-Band bei 2.4 GHz.

Beispielsweise, in Bezug auf SigFox als LoRaWAN (Weitbereichsnetz), Es verwendet das ISM-Band bei 868 MHz (USA 915 MHz) in Europa. Der überbrückbare Entfernungsbereich ist vorbei 5 km im Stadtgebiet und darüber 15 km außerhalb der Stadt. Es gibt auch Funk-Transceiver im LoRa-Frequenzbereich von 2.4 GHz mit dem ein Bereich von 10 km können überbrückt werden. Die LoRa-Übertragung ist eine Kombination aus Chirp Spread Spectrum (CSS) und Software Defined Radio (SDR). Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Signale bis zu 20 dB unterhalb des Geräuschpegels kann weiterhin erkannt werden. Das LoRaWAN-Konzept unterstützt die bidirektionale Kommunikation, Mobilität und standortbezogene Dienstleistungen.

Die Endgeräte sind an eine Basisstation angeschlossen, Dieser wiederum empfängt die von einem Backbone verschlüsselten Informationen über TCP / IP und das SSL-Protokoll.
Um sicherzustellen, dass die Batterielebensdauer der Endkomponenten so lang wie möglich ist, Alle Datenraten und die HF-Ausgangssignale werden vom LoRaWAN-Netzwerk verwaltet und die Endkomponenten werden über eine adaptive Datenrate gesteuert (ADR). Es gibt Geräteklassen mit drei Endgeräten: Geräte der Klasse A können bidirektional kommunizieren und haben ein geplantes Übertragungsfenster im Uplink, Geräte der Klasse B haben auch ein geplantes Übertragungsfenster im Downlink und das Übertragungsfenster für Geräte der Klasse C ist kontinuierlich geöffnet. Die LoRaWAN-Technologie ist von der LoRa Alliance standardisiert.

LoRaWan – Framework für drahtlose Netzwerke

LoRaWan ist eine Spezifikation und beschreibt ein Framework für drahtlose Netzwerke. Es wird in Netzwerken mit wenig Datenverkehr verwendet, zum Beispiel in Sensornetzwerken. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) ist ein sogenanntes LPWAN (Wide Area Network mit geringem Stromverbrauch) Protokoll. Dieser Artikel zeigt die von LoRaWan verwendeten Frequenzen und die verfügbaren Klassen von Endgeräten.

Die LoRa-Frequenz variiert in verschiedenen Regionen der Welt. jedoch, Hier müssen Sie vor dem Starten eines LoRa-Geräts weitere Informationen einholen, um die richtige Frequenz einzustellen. Die folgende Tabelle zeigt die richtigen Frequenzen für jedes Land oder jeden Kontinent:

LoRaWan wird auch wie eine Sterntopologie behandelt. Gateways leiten Nachrichten von den Endgeräten an einen bestimmten Zugriffsserver weiter. Die Gateways sind über den Standardserver über Standard-Internetverbindungen verbunden.

Bidirektionale Geräte
Es gibt drei bidirektionale Hauptklassen, die von End behandelt werden:

Klasse a

Die Uplink-Daten stammen immer vom Endgerät. Auf die Uplink-Nachricht folgt 2 kurze Empfangsfenster für Downlink-Nachrichten. Diese Downlink-Nachrichten können auch für Bestätigungsnachrichten sowie für Geräteparameter enthalten sein. Da die Kommunikation zwischen dem Terminal und dem Gateway immer nur vom Terminal aus erfolgt, Zwischen den detaillierten neuen Geräteparametern und der Implementierung des Terminals kann eine Wartezeit liegen.

Zwischen den tatsächlichen Übertragungszeitkontakten, Geräte der Klasse A können ihr LoRa-Modul vollständig in einen Energiesparmodus versetzen. Dies wird die Energieeffizienz verändern.

Klasse b

Klasse b, andere zu den Fehlerfenstern der Klasse A., werden weitere Empfangsfenster. Geräte der Klasse B werden über zyklisch gesendete Beacons synchronisiert. Diese Beacons werden zur Kommunikation verwendet, und andere Empfangsfenster sind zu anderen Zeiten geöffnet. Der Verlust besteht darin, dass die Latenz im Voraus bestimmt werden kann, der Verlust des Energieverbrauchs als Komponentennummer. jedoch, Der Energieverbrauch bleibt für batteriebetriebene Anwendungen niedrig genug.

Klasse C

Klasse C reduziert die Latenz für den Downlink erheblich, da das Empfangsfenster des Endgeräts immer zu hören ist, solange das Gerät selbst keine Nachrichten gibt. Deshalb, Der vertrauenswürdige Server kann eine Downlink-Übertragung starten. Ein zeitlicher Wechsel zwischen Klasse A und C ist besonders wichtig bei batteriebetriebenen Rechtsverträgen, beispielsweise, “Firmware über Funk” Aktualisierung.