Τι είναι η τεχνολογία πίσω από τη συχνότητα LoRa

Το LoRa χρησιμοποιεί το CSS (Chirp Spread Spectrum) διαμόρφωση που χρησιμοποιεί μια μέθοδο εξάπλωσης συχνότητας ως τεχνική διαμόρφωσης. Οι λεγόμενοι παλμοί κελαηδίσματος αποστέλλονται ως σύμβολα, τα οποία αυξάνουν ή μειώνουν τη συχνότητα LoRa συνεχώς με την πάροδο του χρόνου. Η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται στη συνέχεια με τη διαδοχική ακολουθία αυτών των παλμών τσιρπ.

Ειδικές ιδιότητες

Δεδομένου ότι το LoRa λειτουργεί στις ζώνες συχνοτήτων ISM (433 MHz, 868 MHz και 915 MHz), η ακτινοβολούμενη ισχύς μετάδοσης είναι περιορισμένη. Προκειμένου να έχουμε μεγαλύτερη εμβέλεια ραδιοφώνου από τους συμβατικούς τύπους διαμόρφωσης, όπως για την επίτευξη FSK (Πληκτρολόγηση μετατόπισης συχνότητας), η ευαισθησία του δέκτη έχει βελτιωθεί σημαντικά με το LoRa. Ο δέκτης LoRa μπορεί ακόμα να λάβει και να αποκωδικοποιήσει με επιτυχία ένα χρήσιμο σήμα LoRa μέχρι 20 dB κάτω από το επίπεδο θορύβου, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα ευαισθησία δέκτη το πολύ -149 dBm. Σε σύγκριση με τη μέγιστη ευαισθησία FSK περίπου. –125 dBm έως -130 dBm, Το LoRa προσφέρει σημαντική βελτίωση. Με τον δέκτη FSK, το σήμα μπορεί να αποκωδικοποιηθεί με επιτυχία μόνο εάν το χρήσιμο σήμα είναι περίπου.

Χάρη στην ιδιότητα που το LoRa μπορεί ακόμα να λαμβάνει με επιτυχία ένα χρήσιμο σήμα 20 dB κάτω από το επίπεδο θορύβου, η ανθεκτικότητα στις ραδιοπαρεμβολές είναι σημαντικά καλύτερη από αυτή του FSK. Τα συστήματα FSK λειτουργούν σωστά μόνο εάν το σήμα παρεμβολής είναι τουλάχιστον 10 dB ασθενέστερο από το χρήσιμο σήμα. Στην καλύτερη περίπτωση, Τα συστήματα LoRa μπορούν ακόμα να λαμβάνουν το χρήσιμο σήμα εάν το σήμα παρεμβολής είναι 20 dB ισχυρότερο από το χρήσιμο σήμα.

Περιορισμοί

Από το παραπάνω γράφημα μπορείτε να δείτε ότι το LoRa μπορεί να λάβει περίπου 30 dB ασθενέστερα σήματα από ό,τι με το FSK. Ωστόσο, υπάρχουν δύο περιορισμοί που σχετικοποιούν κάπως αυτή τη μεγάλη διαφορά.

• Πρώτα, η διαμόρφωση LoRa είναι ευρυζωνική από τη διαμόρφωση FSK, πράγμα που σημαίνει ότι το επίπεδο θορύβου του δέκτη LoRa είναι γενικά υψηλότερο από αυτό του δέκτη FSK. ΕΙΔΙΚΑ, Ο διπλασιασμός του εύρους ζώνης αυξάνει το επίπεδο θορύβου κατά 3 dB.
• Κατα δευτερον, Το LoRa μπορεί να λάβει ένα χρήσιμο σήμα μόνο μέχρι 20 dB κάτω από το επίπεδο θορύβου σε πολύ αργούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων ≤ 0.5 kbit / μικρό. Μόλις αυξηθεί ο ρυθμός δεδομένων, είτε ο λόγος αρνητικού σήματος προς θόρυβο αυξάνεται περαιτέρω προς το μηδέν είτε το εύρος ζώνης πρέπει να αυξηθεί περαιτέρω, που με τη σειρά του αυξάνει το επίπεδο θορύβου.

Συγκριτική μέτρηση μεταξύ LoRa και FSK

Για να μάθετε πόσο καλή είναι πραγματικά η LoRa, θα πρέπει να πραγματοποιηθεί μια άμεση σύγκριση μεταξύ LoRa και FSK. Για το σκοπό αυτό, Οι τυπικοί πομποδέκτες FSK που χρησιμοποιούσαμε στο παρελθόν (CC1020 και CC1101) συγκρίνονται με τα δεδομένα από το LoRa / Πομποδέκτης FSK SX1261.

Σύμφωνα με πληροφορίες από τα δελτία δεδομένων, Το LoRa επιτυγχάνει τουλάχιστον 24dB καλύτερη μέγιστη ευαισθησία από ό,τι με τον καλύτερο πομποδέκτη FSK (SX1261). Σε σύγκριση με τους παλιούς πομποδέκτες FSK (CC1020 και CC1101), η μέγιστη ευαισθησία είναι ομοιόμορφη 31 ή 33 dB καλύτερα. Δεδομένου ότι μπορεί να υποτεθεί ότι η εμβέλεια του ραδιοφώνου μπορεί να διπλασιαστεί για κάθε 10 dB περισσότερη ευαισθησία, ένα 4 προς την 8 φορές η εμβέλεια του ραδιοφώνου θα πρέπει να είναι δυνατή με το LoRa σε σύγκριση με το FSK.

Ωστόσο, Είναι επίσης αξιοσημείωτο ότι η μέγιστη ευαισθησία LoRa επιτυγχάνεται μόνο με εξαιρετικά αργό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 0.02 kbit / μικρό. Για να αποκτήσετε μια άμεση, ουσιαστική σύγκριση μεταξύ των διαφορετικών πομποδεκτών, η ευαισθησία όλων των πομποδεκτών προσδιορίζεται με τον ίδιο ρυθμό δεδομένων. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή της Semtech, Η LoRa θα έπρεπε να πετύχει περίπου 7 προς την 10 dB μεγαλύτερη ευαισθησία με τον ίδιο ρυθμό δεδομένων με το FSK.

Οι δικές μας μετρήσεις έδωσαν τα ακόλουθα αποτελέσματα:

Ο πομποδέκτης SX1261 με διαμόρφωση LoRa επιτυγχάνει 4 – 6 dB μεγαλύτερη ευαισθησία από ό,τι με τη διαμόρφωση FSK. Σε σύγκριση με το CC1020 8 – 11 dB και σε σύγκριση με το CC1101 13 – 17 dB επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ευαισθησία. Είναι εντυπωσιακό ότι όσο χαμηλότερος επιλέγεται ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, τόσο μεγαλύτερη ευαισθησία μπορεί να επιτευχθεί με το LoRa.

Μια άλλη άποψη δείχνει τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας του LoRa. Για να επιτευχθεί η ίδια ευαισθησία όπως με το FSK, κατά προσέγγιση 4 φορές ο ρυθμός δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί με το LoRa. Το ίδιο ραδιοτηλεγράφημα γίνεται έτσι 4 φορές μικρότερη και η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται επίσης κατά ένα συντελεστή 4.

συμπέρασμα:

Όπως με όλους τους πομποδέκτες ραδιοφώνου, η μέγιστη ευαισθησία LoRa του -149 Τα dBm επιτυγχάνονται μόνο με τον χαμηλότερο ρυθμό δεδομένων. Αυτός ο ρυθμός δεδομένων για το LoRa είναι μόνο περίπου. 0.02 kbit / s και επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, εάν μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο χαμηλοί ρυθμοί δεδομένων, 4 φορές η εμβέλεια του ραδιοφώνου είναι θεωρητικά δυνατή σε σύγκριση με τους σύγχρονους πομποδέκτες FSK.

Εάν ο ρυθμός δεδομένων LoRa αυξηθεί σε 1.2 kBit / s να 10 kBit / μικρό, Το LoRa επιτυγχάνει περίπου. 4-6 dB μεγαλύτερη ευαισθησία σε σύγκριση με τους σύγχρονους πομποδέκτες FSK. Σε σύγκριση με παλαιότερους πομποδέκτες FSK όπως ο CC1101 ή ο CC1020, Η εμβέλεια του ραδιοφώνου μπορεί ακόμη και να διπλασιαστεί ή να τριπλασιαστεί με το LoRa.

Υπάρχει μια ενδιαφέρουσα επιλογή εξοικονόμησης ενέργειας σε εφαρμογές όπου η τρέχουσα ευαισθησία FSK ήταν επαρκής. Εάν πρέπει να επιτευχθεί η ίδια ευαισθησία με το LoRa, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μπορεί να αυξηθεί κατά συντελεστή 4 σε σύγκριση με το FSK, οπότε η κατανάλωση ενέργειας μπορεί επίσης να μειωθεί κατά συντελεστή 4.

Για εμάς, Η τεχνολογία LoRa αντιπροσωπεύει μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική για εφαρμογές με ταχύτητες δεδομένων έως 10 kbit / μικρό, αφού η εμβέλεια του ραδιοφώνου μπορεί να αυξηθεί μαζικά σε σύγκριση με τους παλαιότερους πομποδέκτες. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για εμάς είναι η δυνατότητα σύνδεσης στο δίκτυο LoRaWAN, καθώς αυτό σημαίνει ότι οι εφαρμογές IoT μπορούν να συνδεθούν στο Διαδίκτυο σχεδόν οπουδήποτε.

Με τη μονάδα LoRa “TRX433-70” είμαστε έτοιμοι για μελλοντικά καινοτόμα έργα LoRa.

Ραδιοφωνική μετάδοση με LoRa

Οι ενδείξεις του μετρητή, εντολές μεταγωγής και άλλες πληροφορίες μπορούν να μεταδοθούν από τη μονάδα συγκεντρωτή στο δρομολογητή και πίσω με διάφορους τρόπους. Εάν η ενσύρματη μετάδοση δεν είναι δυνατή ή είναι πολύ ακριβή, Η ραδιοφωνική μετάδοση με LoRa μπορεί να είναι μια εναλλακτική λύση για την απομακρυσμένη ανάγνωση.

Το πρότυπο ραδιοφώνου LoRa

Το LoRa σημαίνει Long Range, δηλ. υψηλός (ραδιόφωνο) εμβέλεια και είναι ένα εναλλακτικό πρότυπο ραδιοφώνου σε σχέση με τις γνωστές τεχνολογίες όπως το UMTS ή το LTE. Σε πολλές χώρες, Το LoRa έχει ήδη καθιερωθεί ως η βάση για ένα πρότυπο επικοινωνίας στο λεγόμενο Internet of Things (ΙΩΤ), για μηχανή με μηχανή (Μ2Μ) επικοινωνίας και για εφαρμογές βιομηχανίας και έξυπνων πόλεων.

Το πρότυπο ραδιοφώνου LoRa, όπως και άλλες ραδιοτεχνολογίες, χρησιμοποιεί τις ελεύθερες ζώνες συχνοτήτων LoRa από τις ζώνες ISM χωρίς άδεια (Βιομηχανικός, Επιστημονική και Ιατρική). Στην Ευρώπη, αυτές είναι οι μπάντες στο 433 και 868 Εύρος MHz. Χρησιμοποιώντας μια ειδική διαδικασία ραδιοφώνου, το λεγόμενο spread συχνότητας, η τεχνολογία είναι σχεδόν απρόσβλητη σε παρεμβολές. Το εύρος μεταξύ πομπού και δέκτη είναι μεταξύ 2 και 15 χιλιόμετρα, ανάλογα με το περιβάλλον και την οικιστική περιοχή. Λόγω της υψηλής ευαισθησίας του -137 dBm, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή διείσδυση των κτιρίων. Τα ραδιοφωνικά σήματα διεισδύουν βαθιά στο εσωτερικό των κτιρίων και των υπογείων. Ειδικά σε κάμπινγκ όπου τα μεταλλικά καλύμματα των τροχόσπιτων και των τροχόσπιτων συχνά εξασθενούν την ισχύ του σήματος του WLAN, Η ραδιοφωνική μετάδοση με LoRa είναι ανώτερη εδώ. Ο ρυθμός δεδομένων στο LoRa είναι μεταξύ 0.3 και 50 kbit / μικρό.

Αιτήσεις για LoRa

Το LoRa χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές στις οποίες πρόκειται να μεταδοθούν πολύ λίγα δεδομένα σε μεγάλη απόσταση με πολύ τρόπο εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτά τα δεδομένα είναι συνήθως μετρούμενες τιμές, σήματα κατάστασης ή παραποιημένες τιμές.

Διαφορές μεταξύ WLAN, LoRa και κινητό ραδιόφωνο

Το WLAN και το κινητό ραδιόφωνο έχουν σχεδιαστεί για να μεταδίδουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων. Γίνονται αποδεκτές σχετικά μικρές αποστάσεις. LoRa, αφ 'ετέρου, είναι βελτιστοποιημένη για τη μετάδοση μικρών ποσοτήτων δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει ορισμένες διαφορές μεταξύ των διαφορετικών προτύπων ραδιοφώνου.

LoRaWAN (μεγάλης εμβέλειας δίκτυο ευρείας περιοχής)

WAN χαμηλής ισχύος (LPWAN) είναι έννοιες δικτύου για το Διαδίκτυο των πραγμάτων (ΙΩΤ) και επικοινωνία μηχανής με μηχανή (Μ2Μ). Τα LPWAN χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι μπορούν να καλύψουν αποστάσεις έως και 50 km και απαιτούν πολύ λίγη ενέργεια. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές προσεγγίσεις για την υλοποίηση των LPWAN. Ένα από το ETSI: ETSI GS LTN, άλλα ονόματα είναι LoRaWAN, Χωρίς βάρος και RPMA, που σημαίνει τυχαία πολλαπλή πρόσβαση φάσης.

Έτσι ώστε η γεφυρώσιμη απόσταση να μην επηρεάζεται πολύ από την εξασθένηση του ελεύθερου χώρου, Μερικές από τις έννοιες LPWAN που αναφέρονται χρησιμοποιούν συχνότητες σε ζώνες ISM στο 433 MHz και 868 MHz. Λίγοι εργάζονται επίσης στο συγκρότημα ISM στο 2.4 GHz.

Για παράδειγμα, όσον αφορά τη SigFox ως LoRaWAN (Δίκτυο ευρείας περιοχής μεγάλης εμβέλειας), χρησιμοποιεί τη ζώνη ISM στο 868 MHz (ΗΠΑ 915 MHz) στην Ευρώπη. Η γεφυροποιήσιμη απόσταση έχει τελειώσει 5 χλμ στην αστική περιοχή και πάνω 15 χλμ έξω από την πόλη. Υπάρχουν επίσης πομποδέκτες ραδιοφώνου στο εύρος συχνοτήτων LoRa του 2.4 GHz με τα οποία ένα εύρος των 10 χλμ μπορούν να γεφυρωθούν. Η μετάδοση LoRa είναι ένας συνδυασμός Chirp Spread Spectrum (CSS) και ραδιόφωνο που καθορίζεται από λογισμικό (SDR). Ένα βασικό πλεονέκτημα είναι ότι τα σήματα είναι μέχρι 20 Μπορεί ακόμα να ανιχνευθεί dB κάτω από το επίπεδο θορύβου. Η ιδέα LoRaWAN υποστηρίζει αμφίδρομη επικοινωνία, υπηρεσίες κινητικότητας και τοποθεσίας.

Οι τελικές συσκευές συνδέονται σε ένα σταθμό βάσης, το οποίο με τη σειρά του λαμβάνει τις πληροφορίες κρυπτογραφημένες από έναν κορμό μέσω TCP / IP και το πρωτόκολλο SSL.
Για να διασφαλίσετε ότι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας των τελικών εξαρτημάτων είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη, όλοι οι ρυθμοί δεδομένων και τα σήματα εξόδου RF διαχειρίζονται από το δίκτυο LoRaWAN και τα τελικά στοιχεία ελέγχονται μέσω προσαρμοστικού ρυθμού δεδομένων (ADR). Υπάρχουν κατηγορίες συσκευών τριών τερματικών: Οι συσκευές κατηγορίας Α μπορούν να επικοινωνούν αμφίδρομα και να έχουν ένα προγραμματισμένο παράθυρο μετάδοσης στην άνω ζεύξη, Οι συσκευές κατηγορίας Β έχουν επίσης ένα προγραμματισμένο παράθυρο μετάδοσης στην κάτω ζεύξη και το παράθυρο μετάδοσης για συσκευές κατηγορίας C είναι συνεχώς ανοιχτό. Η τεχνολογία LoRaWAN είναι τυποποιημένη από την LoRa Alliance.

LoRaWan – Πλαίσιο για ασύρματα δίκτυα

Το LoRaWan είναι μια προδιαγραφή και περιγράφει ένα πλαίσιο για ασύρματα δίκτυα. Χρησιμοποιείται σε δίκτυα με μικρή κίνηση δεδομένων, για παράδειγμα σε δίκτυα αισθητήρων. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) είναι ένα λεγόμενο LPWAN (Δίκτυο ευρείας περιοχής χαμηλής ισχύος) πρωτόκολλο. Αυτό το άρθρο δείχνει τις συχνότητες που χρησιμοποιούνται από το LoRaWan και τις διαθέσιμες κατηγορίες τελικών συσκευών.

Η συχνότητα LoRa ποικίλλει σε διάφορες περιοχές του κόσμου. Ωστόσο, Είναι απαραίτητο εδώ να λάβετε περισσότερες πληροφορίες πριν ξεκινήσετε μια συσκευή LoRa για να ρυθμίσετε τη σωστή συχνότητα. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τις σωστές συχνότητες για κάθε χώρα ή ήπειρο:

Το LoRaWan αντιμετωπίζεται επίσης σαν τοπολογία αστεριών. Πύλες προώθησης μηνυμάτων από τις τελικές συσκευές σε συγκεκριμένο διακομιστή πρόσβασης. Οι πύλες συνδέονται μέσω του τυπικού διακομιστή μέσω τυπικών συνδέσεων Διαδικτύου.

Αμφίδρομες συσκευές
Υπάρχουν τρεις κύριες αμφίδρομες κλάσεις που χειρίζεται το End:

Τάξη Α

Τα δεδομένα ανοδικής ζεύξης προέρχονται πάντα από την τελική συσκευή. Το μήνυμα ανοδικής σύνδεσης ακολουθείται από 2 σύντομα παράθυρα λήψης για μηνύματα κατερχόμενης ζεύξης. Αυτά τα μηνύματα κατερχόμενης ζεύξης μπορούν επίσης να συμπεριληφθούν για μηνύματα επιβεβαίωσης καθώς και για παραμέτρους συσκευής. Δεδομένου ότι η επικοινωνία μεταξύ του τερματικού και της πύλης θα γίνεται μόνο από το τερματικό, ενδέχεται να υπάρχει χρόνος αναμονής μεταξύ των λεπτομερών παραμέτρων της νέας συσκευής και της υλοποίησης του τερματικού.

Μεταξύ των επαφών του πραγματικού χρόνου μετάδοσης, Οι συσκευές κατηγορίας Α μπορούν να θέσουν πλήρως τη μονάδα LoRa σε λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτό θα αλλάξει την ενεργειακή απόδοση.

Τάξη Β

Τάξη Β, άλλοι στα παράθυρα σφάλματος κατηγορίας Α, γίνονται περαιτέρω παράθυρα υποδοχής. Οι συσκευές κατηγορίας Β συγχρονίζονται μέσω κυκλικά αποσταλμένων φάρων. Αυτοί οι φάροι χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία, και άλλα παράθυρα της ρεσεψιόν είναι ανοιχτά άλλες φορές. Η απώλεια είναι ότι η καθυστέρηση μπορεί να προσδιοριστεί εκ των προτέρων, την απώλεια κατανάλωσης ενέργειας ως συστατικό αριθμό. Ωστόσο, η κατανάλωση ενέργειας παραμένει αρκετά χαμηλή για εφαρμογές που λειτουργούν με μπαταρία.

Τάξη Γ

Η κλάση C μειώνει σημαντικά τον λανθάνοντα χρόνο για την κατερχόμενη ζεύξη, αφού το παράθυρο λήψης της τελικής συσκευής ακούγεται πάντα εφόσον η ίδια η συσκευή δεν δίνει κανένα μήνυμα. Γι 'αυτό το λόγο, ο αξιόπιστος διακομιστής μπορεί να ξεκινήσει μια μετάδοση κατερχόμενης ζεύξης. Η αλλαγή ώρας μεταξύ κατηγορίας Α και Γ είναι ιδιαίτερα σημαντική σε νομικές συμβάσεις που λειτουργούν με μπαταρία, για παράδειγμα, “firmware-over-the-air” ενημερώσεις.