¿Cuál es la tecnología detrás de la frecuencia LoRa?

Rango de frecuencia LoRa

LoRa usa el CSS (Chirp Spread Spectrum) modulación que utiliza un método de dispersión de frecuencia como técnica de modulación. Los llamados pulsos de chirp se envían como símbolos, que aumentan o disminuyen la frecuencia de LoRa continuamente con el tiempo. La transmisión de datos se realiza luego por la secuencia secuencial de estos pulsos de chirp.

Frecuencia LoRa

Propiedades especiales

Dado que LoRa funciona en las bandas de frecuencia ISM (433 megahercio, 868 MHz y 915 megahercio), la potencia de transmisión radiada es limitada. Para tener un rango de radio mayor que los tipos de modulación convencionales, como Para lograr FSK (Frecuencia de modulación por desplazamiento), La sensibilidad del receptor se ha mejorado significativamente con LoRa. El receptor LoRa aún puede recibir y decodificar con éxito una señal LoRa útil hasta 20 dB por debajo del nivel de ruido, lo que resulta en una sensibilidad del receptor de un máximo de -149 dBm. En comparación con la máxima sensibilidad FSK de aprox.. –125 dBm a -130 dBm, LoRa ofrece una mejora significativa. Con el receptor FSK, la señal solo se puede decodificar con éxito si la señal útil es aprox..

Fuerza de señal y frecuencia LoRa

Gracias a la propiedad de que LoRa aún puede recibir con éxito una señal útil hasta 20 dB por debajo del nivel de ruido, La robustez de la interferencia de radio es significativamente mejor que la de FSK. Los sistemas FSK solo funcionan correctamente si la señal de interferencia es al menos 10 dB más débil que la señal útil. En el mejor de los casos, Los sistemas LoRa aún pueden recibir la señal útil si la señal de interferencia es 20 dB más fuerte que la señal útil.

Limitaciones

En el gráfico de arriba puede ver que LoRa puede recibir acerca de 30 dB señales más débiles que con FSK. sin embargo, Hay dos restricciones que relativizan un poco esta gran diferencia..

• Primero, la modulación LoRa es de banda ancha que la modulación FSK, lo que significa que el nivel de ruido del receptor LoRa es generalmente más alto que el del receptor FSK. Específicamente, duplicar el ancho de banda aumenta el nivel de ruido en 3 dB.
• en segundo lugar, LoRa solo puede recibir una señal útil hasta 20 dB por debajo del nivel de ruido a velocidades de datos muy lentas de ≤ 0.5 kbit / s. Tan pronto como aumenta la velocidad de datos, o bien la relación señal / ruido negativa aumenta aún más hacia cero o el ancho de banda debe aumentarse aún más, que a su vez aumenta el nivel de ruido.

Medición comparativa entre LoRa y FSK

Para descubrir qué tan bueno es realmente LoRa, se debe realizar una comparación directa entre LoRa y FSK. Para este propósito, nuestros transceptores FSK estándar utilizados anteriormente (CC1020 y CC1101) se comparan con los datos de LoRa / Transceptor FSK SX1261.

TransceptorModulación 

Sensibilidad máxima según la hoja de datos

Velocidad de datosRX- banda ancha
CC1020FSK-118 dBm2.4 kBit / s12.5 kHz
CC1101FSK-116 dBm0.6 kBit / s58 kHz
SX1261FSK-125 dBm0.6 kBit / s4 kHz
SX1261LoRa-149.2 dBm0.02 kBit / s8 kHz

Según la información de las hojas de datos, LoRa logra al menos una sensibilidad máxima de 24dB mejor que con el mejor transceptor FSK (SX1261). En comparación con los antiguos transceptores FSK (CC1020 y CC1101), la sensibilidad máxima es uniforme 31 o 33 dB mejor. Como se puede suponer que el alcance de la radio se puede duplicar por cada 10 dB más sensibilidad, una 4 a 8 veces el rango de radio debería ser posible con LoRa en comparación con FSK.

sin embargo, También es notable que la máxima sensibilidad LoRa se logra con una velocidad de datos extremadamente lenta de solo 0.02 kbit / s. Para obtener un directo, comparación significativa entre los diferentes transceptores, la sensibilidad de todos los transceptores se determina a la misma velocidad de datos. Según el fabricante de Semtech, LoRa tendría que lograr sobre 7 a 10 dB más sensibilidad a la misma velocidad de datos que FSK.

Nuestras propias mediciones han dado los siguientes resultados:

Velocidad de datosSensibilidad
CC1020CC1101SX1261SX1261
FSKFSK dBmFSKLoRa
1.2 kBit / s-117 dBm-112 dBm-123 dBm-129 dBm
2.4 kBit / s-117 dBm-111 dBm-121 dBm-126 dBm
4.8 kBit / s-114 dBm-109 dBm-118 dBm-123 dBm
9.6 kBit / s-112 dBm-107 dBm-116 dBm-120 dBm

El transceptor SX1261 con modulación LoRa logra 4 – 6 dB más sensibilidad que con la modulación FSK. En comparación con el CC1020 8 – 11 dB y en comparación con el CC1101 13 – 17 dB se logra más sensibilidad. Llama la atención que cuanto menor sea la velocidad de datos elegida, se puede lograr una mayor ganancia de sensibilidad con LoRa.

Otra vista muestra el potencial de ahorro de energía de LoRa. Para lograr la misma sensibilidad que con FSK, aproximadamente 4 veces la velocidad de datos se puede usar con LoRa. El mismo telegrama de radio se convierte así 4 veces más corto y el consumo de energía también disminuye en un factor de 4.

Conclusión:

Como con todos los transceptores de radio, la sensibilidad máxima de LoRa de -149 dBm solo se logra a la velocidad de datos más baja. Esta velocidad de datos para LoRa es solo aprox.. 0.02 kbit / sy, por lo tanto, no se puede usar para muchas aplicaciones. sin embargo, si se pueden usar velocidades de datos tan bajas, 4 veces el alcance de la radio es teóricamente posible en comparación con los transceptores FSK modernos.

Si la velocidad de datos de LoRa aumenta a 1.2 kBit / s a 10 kBit / s, LoRa logra aprox.. 4-6 dB más sensibilidad en comparación con los transceptores FSK modernos. En comparación con los transceptores FSK más antiguos, como el CC1101 o CC1020, el alcance de la radio puede incluso duplicarse o triplicarse con LoRa.

Existe una opción interesante de ahorro de energía en aplicaciones donde la sensibilidad FSK actual era suficiente. Si se logra la misma sensibilidad con LoRa, la velocidad de datos puede incrementarse por un factor de 4 en comparación con FSK, por lo que el consumo de energía también puede reducirse por un factor de 4.

Para nosotros, La tecnología LoRa representa una alternativa interesante para aplicaciones con velocidades de datos de hasta 10 kbit / s, Dado que el alcance de la radio se puede aumentar masivamente en comparación con los transceptores más antiguos. De particular interés para nosotros es la posibilidad de conectarse a la red LoRaWAN, ya que esto significa que las aplicaciones de IoT pueden conectarse a Internet prácticamente en cualquier lugar.

Con nuestro módulo LoRa “TRX433-70” estamos listos para futuros proyectos innovadores de LoRa.

Transmisión de radio con LoRa

Las lecturas del medidor, los comandos de conmutación y otra información se pueden transmitir desde el módulo concentrador al enrutador y viceversa de varias maneras. Si la transmisión por cable no es posible o es demasiado costosa, La transmisión de radio con LoRa puede ser una alternativa para la lectura remota.

El estándar de radio LoRa

LoRa significa Long Range, es decir. alto (radio) alcance y es un estándar de radio alternativo a las tecnologías conocidas como UMTS o LTE. En muchos países, LoRa ya se ha establecido como la base para un estándar de comunicación en el llamado Internet de las cosas (IoT), para máquina a máquina (M2M) comunicación y para aplicaciones industriales y de ciudades inteligentes.

El estándar de radio LoRa, como otras tecnologías de radio, utiliza las bandas de frecuencia LoRa gratuitas de las bandas ISM sin licencia (Industrial, Científica y médica). En Europa, Estas son las bandas en el 433 y 868 Rango de MHz. Mediante el uso de un procedimiento especial de radio, la llamada propagación de frecuencia, la tecnología es casi inmune a la interferencia. El rango entre transmisor y receptor está entre 2 y 15 km, dependiendo del entorno y del área urbanizada. Debido a la alta sensibilidad de -137 dBm, Se puede lograr una alta penetración de los edificios. Las señales de radio penetran profundamente en el interior de los edificios y sótanos.. Especialmente en campings donde las cubiertas metálicas de las caravanas y casas móviles a menudo debilitan la potencia de la señal de WLAN, La transmisión de radio con LoRa es superior aquí. La velocidad de datos en LoRa está entre 0.3 y 50 kbit / s.

Aplicaciones para LoRa

LoRa se utiliza principalmente en aplicaciones en las que se transmiten muy pocos datos a larga distancia de una manera que ahorre mucha energía. Estos datos suelen ser valores medidos, señales de estado o valores manipulados.

Diferencias entre WLAN, LoRa y radio móvil

La WLAN y la radio móvil están diseñadas para transmitir grandes cantidades de datos.. Se aceptan rangos relativamente cortos. LoRa, por otra parte, Está optimizado para la transmisión de pequeñas cantidades de datos a grandes distancias. La siguiente tabla muestra algunas diferencias entre los diferentes estándares de radio.

 

WLANLoRACelular
Sonó<100 metro2.000-3.000(ciudad)

>10.000 metro (país)

<300 metro (ciudad)

<10.000 metro (país)

 

Max. velocidad de datos

6.933 Mbit / s50 kbit / s1.000 Mbit / s
CostosMedioBajoMuy alto
Frecuencia LoRa2.4 GHz

5 GHz

60 GHz

433 megahercio

868 megahercio

800 megahercio

900 megahercio

1.800 megahercio

2.100 megahercio

2.600 megahercio

Max. poder de transmision1.000 mW25 mW20-50 w (Estación base)

200 Mw (Dispositivos terminales)

LoRaWAN (red de área amplia de largo alcance)

WAN de baja potencia (LPWAN) son conceptos de red para Internet de las cosas (IoT) y comunicación de máquina a máquina (M2M). Las LPWAN se caracterizan por el hecho de que pueden cubrir distancias de hasta 50 km y requieren muy poca energía. Existen varios enfoques técnicos para realizar las LPWAN. Uno de ETSI: ETSI GS LTN, otros nombres son LoRaWAN, Sin peso y RPMA, que significa acceso aleatorio de fase múltiple.

Para que la distancia puenteable no se vea afectada demasiado por la atenuación del espacio libre, Algunos de los conceptos LPWAN mencionados utilizan frecuencias en bandas ISM en 433 MHz y 868 megahercio. Pocos también trabajan en la banda ISM en 2.4 GHz.

Por ejemplo, en cuanto a SigFox como LoRaWAN (Red de área amplia de largo alcance), utiliza la banda ISM en 868 megahercio (Estados Unidos 915 megahercio) en Europa. El rango de distancia puenteable ha terminado 5 km en el área urbana y más 15 km fuera de la ciudad. También hay transceptores de radio en el rango de frecuencia LoRa de 2.4 GHz con el que un rango de 10 km puede ser puenteado. La transmisión LoRa es una combinación de Chirp Spread Spectrum (CSS) y radio definida por software (DEG). Una ventaja clave es que las señales que están a la altura 20 dB por debajo del nivel de ruido todavía se puede detectar. El concepto LoRaWAN admite la comunicación bidireccional., servicios de movilidad y ubicación.

Valores característicosLoRaWAN
 

Rango de frecuencia

 

Banda ISM, 433 megahercio, 868 megahercio (YO), 915 megahercio (Estados Unidos)

ModulaciónChirp extendido espectro (CSS)
Canal británico8*125 KHz (YO),

64*125KHz,8*125KHz(Estados Unidos)

 

Tamaño del paquete

 

Determinado por el usuario

Hoja de datos arriba / abajo300 bit / s 50 kbit / s (YO)

900 bit / s a 100 kbit / s(Estados Unidos)

 

topología

 

Topología de las estrellas

 

distancia

Hasta 5 km en zonas urbanizadas

Hasta 15 km en la zona rural

 

Los dispositivos finales están conectados a una estación base, que a su vez recibe la información encriptada de una red troncal a través de TCP / IP y el protocolo SSL.
Para garantizar que la duración de la batería de los componentes finales sea lo más larga posible, todas las velocidades de datos y las señales de salida de RF son gestionadas por la red LoRaWAN y los componentes finales se controlan a través de una velocidad de datos adaptativa (ADR). Hay clases de dispositivos de tres terminales.: Los dispositivos de clase A pueden comunicarse bidireccionalmente y tienen una ventana de transmisión planificada en el enlace ascendente, Los dispositivos de clase B también tienen una ventana de transmisión planificada en el enlace descendente y la ventana de transmisión para dispositivos de clase C está continuamente abierta. La tecnología LoRaWAN está estandarizada por LoRa Alliance.

LoRaWan – Marco para redes inalámbricas

LoRaWan es una especificación y describe un marco para redes inalámbricas. Se utiliza en redes con poco tráfico de datos., por ejemplo en redes de sensores. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) es un llamado LPWAN (Red de área amplia de baja potencia) protocolo. Este artículo muestra las frecuencias utilizadas por LoRaWan y las clases disponibles de dispositivos finales.

La frecuencia de LoRa varía en diferentes regiones del mundo.. sin embargo, aquí es necesario obtener más información antes de iniciar un dispositivo LoRa para establecer la frecuencia correcta. La siguiente tabla muestra las frecuencias correctas para cada país o continente:

LoRaWan también se trata como una topología en estrella.. Las puertas de enlace reenvían mensajes desde los dispositivos finales a un servidor de acceso específico. Las puertas de enlace están conectadas a través del servidor estándar a través de conexiones de internet estándar.

Dispositivos bidireccionales
Hay tres clases bidireccionales principales manejadas por End:

Clase A

Los datos del enlace ascendente siempre se originan desde el dispositivo final. El mensaje de enlace ascendente es seguido por 2 breves ventanas de recepción para mensajes de enlace descendente. Estos mensajes de enlace descendente también se pueden incluir para mensajes de confirmación y para parámetros del dispositivo. Dado que la comunicación entre el terminal y la puerta de enlace solo será desde el terminal, puede haber un tiempo de espera entre los nuevos parámetros detallados del dispositivo y la implementación del terminal.

Entre los contactos de tiempo de transmisión real, Los dispositivos de clase A pueden poner su módulo LoRa completamente en un modo de ahorro de energía. Esto cambiará la eficiencia energética..

Clase B

Clase B, otros a las ventanas de falla de clase A, convertirse en más ventanas de recepción. Los dispositivos de clase B se sincronizan a través de balizas enviadas cíclicamente. Estas balizas se usan para comunicarse, y otras ventanas de recepción están abiertas en otros momentos. La pérdida es que la latencia se puede determinar de antemano, la pérdida de consumo de energía como número de componente. sin embargo, el consumo de energía sigue siendo lo suficientemente bajo para aplicaciones que funcionan con baterías.

Clase C

La clase C reduce significativamente la latencia para el enlace descendente, ya que la ventana de recepción del dispositivo final siempre se escucha siempre que el dispositivo en sí no envíe ningún mensaje. Por esta razón, el servidor de confianza puede iniciar una transmisión de enlace descendente. Un cambio de horario entre las clases A y C es particularmente importante en los contratos legales con baterías, por ejemplo, “firmware por aire” actualizaciones.

RegiónLa frecuencia de LoRa
Europa863-870 megahercio

433 megahercio

NOS902-928 megahercio
China470-510 megahercio

779-787 megahercio

australiano915-928 megahercio
indio865-867 megahercio
Asia433 megahercio
Norteamérica915 megahercio