¿Cuál es la tecnología detrás de la frecuencia LoRa?

LoRa utiliza la modulación CSS (Chirp Spread Spectrum), que utiliza un método de dispersión de frecuencia como técnica de modulación. Los llamados pulsos chirp se envían como símbolos, cuya frecuencia LoRa aumenta o disminuye continuamente con el tiempo. La transmisión de datos se realiza mediante la secuencia de estos pulsos chirp.

Propiedades especiales

Dado que LoRa funciona en las bandas de frecuencia ISM (433 MHz, 868 MHz y 915 MHz), la potencia de transmisión radiada es limitada. Para lograr un mayor alcance de radio que los tipos de modulación convencionales, como FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia), la sensibilidad del receptor se ha mejorado significativamente con LoRa. El receptor LoRa aún puede recibir y decodificar correctamente 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 sensibilidad FSK máxima de aproximadamente -125 dBm a -130 dBm, LoRa ofrece una mejora significativa. Con el receptor FSK, la señal solo se puede decodificar correctamente si la señal útil es de aproximadamente...

Gracias a que LoRa puede recibir con éxito una señal útil hasta 20 dB por debajo del nivel de ruido, su robustez a las interferencias 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 pueden recibir la señal útil si la señal de interferencia es 20 dB más fuerte que la señal útil.

Limitaciones

En el gráfico anterior se puede observar que LoRa puede recibir señales unos 30 dB más débiles que con FSK. Sin embargo, existen dos restricciones que relativizan en cierta medida esta gran diferencia.

En primer lugar, la modulación LoRa ofrece un ancho de banda mayor que la modulación FSK, lo que significa que el nivel de ruido del receptor LoRa suele ser mayor que el del receptor FSK. En concreto, 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. Al aumentar la velocidad de datos, la relación señal-ruido negativa aumenta aún más hacia cero o es necesario aumentar aún más el ancho de banda, lo que a su vez incrementa el nivel de ruido.

Medición comparativa entre LoRa y FSK

Para determinar la calidad real de LoRa, se debe realizar una comparación directa entre LoRa y FSK. Para ello, se comparan nuestros transceptores FSK estándar (CC1020 y CC1101) con los datos del transceptor LoRa/FSK SX1261.

Transceptor	De Sabor	Máxima sensibilidad según la hoja de datos.	Velocidad de datos	Ancho de banda RX
CC1020	FSK	118-dBm	2.4 kbit / s	12.5 kHz
CC1101	FSK	116-dBm	0.6 kbit / s	58 kHz
SX1261	FSK	125-dBm	0.6 kbit / s	4 kHz
SX1261	LoRa	149.2-dBm	0.02 kbit / s	8 kHz

Según la información de las hojas de datos, LoRa alcanza una sensibilidad máxima al menos 24 dB superior a la del mejor transceptor FSK (SX1261). En comparación con los antiguos transceptores FSK (CC1020 y CC1101), la sensibilidad máxima es incluso 31 o 33 dB superior. Dado que se puede suponer que el alcance de radio se duplica por cada 10 dB de sensibilidad adicional, se espera que LoRa alcance de radio de 4 a 8 veces superior al de FSK.

Sin embargo, también cabe destacar que la sensibilidad máxima de LoRa se alcanza con una velocidad de datos extremadamente baja de tan solo 0.02 kbit/s. Para obtener una comparación directa y significativa entre los diferentes transceptores, la sensibilidad de todos ellos se determina a la misma velocidad de datos. Según el fabricante de Semtech, LoRa debería alcanzar entre 7 y 10 dB más de sensibilidad a la misma velocidad de datos que FSK.

Nuestras propias mediciones han dado los siguientes resultados:

Velocidad de datos	Sensibilidad
	CC1020	CC1101	SX1261	SX1261
	FSK	FSK dBm	FSK	LoRa
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 alcanza una sensibilidad de 4 a 6 dB superior a la de la modulación FSK. En comparación con el CC1020, esta sensibilidad es de 8 a 11 dB superior, y en comparación con el CC1101, de 13 a 17 dB superior. Cabe destacar que, cuanto menor sea la velocidad de datos elegida, mayor será la ganancia de sensibilidad que se puede lograr con LoRa.

Otra vista muestra el potencial de ahorro energético de LoRa. Para lograr la misma sensibilidad que con FSK, se puede utilizar con LoRa una velocidad de datos aproximadamente cuatro veces superior. De esta forma, el mismo radiotelegrama se acorta cuatro veces y el consumo de energía también se reduce cuatro veces.

Conclusión:

Como ocurre con todos los transceptores de radio, la sensibilidad máxima de LoRa de -149 dBm solo se alcanza con la velocidad de datos más baja. Esta velocidad de datos para LoRa es de tan solo aproximadamente 0.02 kbit/s, por lo que resulta inservible para muchas aplicaciones. Sin embargo, si se pueden utilizar velocidades de datos tan bajas, teóricamente se podría alcanzar un alcance de radio cuatro veces superior al de los transceptores FSK modernos.

Si la velocidad de datos de LoRa se incrementa de 1.2 kBit/s a 10 kBit/s, LoRa alcanza una sensibilidad aproximadamente de 4 a 6 dB superior a la de los transceptores FSK modernos. En comparación con transceptores FSK más antiguos, como el CC1101 o el CC1020, el alcance de radio puede incluso duplicarse o triplicarse con LoRa.

Existe una interesante opción de ahorro de energía en aplicaciones donde la sensibilidad FSK actual era suficiente. Si se desea lograr la misma sensibilidad con LoRa, la velocidad de datos se puede cuadruplicar en comparación con FSK, lo que también reduce el consumo de energía.

Para nosotros, la tecnología LoRa representa una alternativa interesante para aplicaciones con velocidades de datos de hasta 10 kbit/s, ya que el alcance de radio puede aumentar considerablemente en comparación con los transceptores más antiguos. Nos interesa especialmente la posibilidad de conectarse a la red LoRaWAN, ya que esto significa que las aplicaciones IoT pueden conectarse a Internet prácticamente desde cualquier lugar.

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

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 diversas maneras. Si la transmisión por cable no es posible o resulta demasiado costosa, la transmisión por radio con LoRa puede ser una alternativa para la lectura remota.

El estándar de radio LoRa

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

El estándar de radio LoRa, al igual que otras tecnologías de radio, utiliza las bandas de frecuencia LoRa libres de las bandas ISM (Industrial, Científica y Médica) sin licencia. En Europa, estas bandas se encuentran en el rango de 433 y 868 MHz. Gracias a un procedimiento de radio especial, la llamada dispersión de frecuencia, la tecnología es prácticamente inmune a las interferencias. El alcance entre el transmisor y el receptor oscila entre 2 y 15 km, dependiendo del entorno y la zona urbanizada. Gracias a su alta sensibilidad de -137 dBm, se puede lograr una alta penetración en edificios. Las señales de radio penetran profundamente en el interior de edificios y sótanos. Especialmente en campings, donde las cubiertas metálicas de las caravanas y autocaravanas suelen debilitar la intensidad de la señal WLAN, la transmisión de radio con LoRa es superior en estos casos. La velocidad de datos con LoRa oscila entre 0.3 y 50 kbit/s.

Aplicaciones para LoRa

LoRa se utiliza principalmente en aplicaciones donde se requiere transmitir muy pocos datos a larga distancia con un alto ahorro energético. Estos datos suelen ser valores medidos, señales de estado o valores manipulados.

Diferencias entre WLAN, LoRa y radio móvil

Las redes WLAN y la radio móvil están diseñadas para transmitir grandes cantidades de datos. Se aceptan alcances relativamente cortos. LoRa, por otro lado, está optimizado para la transmisión de pequeñas cantidades de datos a grandes distancias. La siguiente tabla muestra algunas diferencias entre los distintos estándares de radio.

 

	WLAN	lora	Celular
Posición		2.000-3.000(ciudad) >10.000 m (país)	<300 m (ciudad) <10.000 m (país)
máx. velocidad de datos	6.933 Mbit / s	50 kbit / s	1.000 Mbit / s
Costes	Media	Bajo	Muy alto
Frecuencia LoRa	2.4 GHz 5 GHz 60 GHz	433 MHz 868 MHz	800 MHz 900 MHz 1.800 MHz 2.100 MHz 2.600 MHz
Max. poder de transmision	1.000 mW	25 mW	20-50 w (estación base) 200 Mw (dispositivos terminales)

LoRaWAN (red de área amplia de largo alcance)

Las WAN de bajo consumo (LPWAN) son conceptos de red para el Internet de las Cosas (IoT) y la comunicación máquina a máquina (M2M). Se caracterizan por su capacidad para cubrir distancias de hasta 50 km y un consumo energético muy bajo. Existen varios enfoques técnicos para implementar las LPWAN. Uno de ellos es ETSI GS LTN; otros nombres son LoRaWAN, Weightless y RPMA (acceso múltiple de fase aleatoria).

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

Por ejemplo, en el caso de SigFox como LoRaWAN (Red de Área Amplia de Largo Alcance), utiliza la banda ISM de 868 MHz (EE. UU., 915 MHz) en Europa. El alcance de transmisión es superior a 5 km en zonas urbanas y a 15 km fuera de ellas. También existen transceptores de radio en el rango de frecuencia LoRa de 2.4 GHz, con los que se puede transmitir un alcance de 10 km. La transmisión LoRa combina Chirp Spread Spectrum (CSS) y Radio Definida por Software (SDR). Una ventaja clave es que permite detectar señales hasta 20 dB por debajo del nivel de ruido. El concepto LoRaWAN facilita la comunicación bidireccional, la movilidad y los servicios basados en la ubicación.

Valores característicos	LoRaWAN
Rango de frecuencia	Banda ISM, 433 MHz, 868 MHz (UE), 915 MHz (EE. UU.)
De Sabor	Espectro ensanchado de chirp (CSS)
Canal británico	8*125 KHz (UE), 64*125 KHz, 8*125 KHz (EE. UU.)
Tamaño del paquete	Determinado por el usuario
Ficha técnica Arriba/Abajo	300 bit/s 50 kbit/s (UE) 900 bit/s a 100 kbit/s (EE. UU.)
topología	Topología de las estrellas
distancia	Hasta 5 km en zonas urbanizadas Hasta 15 km en zona rural

 

Los dispositivos finales están conectados a una estación base, que a su vez recibe la información encriptada desde una red troncal a través de TCP/IP y el protocolo SSL.
Para garantizar la máxima duración de la batería de los componentes finales, la red LoRaWAN gestiona todas las velocidades de datos y las señales de salida de RF, y los componentes finales se controlan mediante una velocidad de datos adaptativa (ADR). Existen tres clases de dispositivos 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 de los dispositivos de clase C está continuamente abierta. La tecnología LoRaWAN está estandarizada por LoRa Alliance.

LoRaWan: marco para redes inalámbricas

LoRaWan es una especificación que 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 protocolo LPWAN (Low Power Wide Area Network). Este artículo muestra las frecuencias que utiliza LoRaWan y las clases de dispositivos finales disponibles.

La frecuencia de LoRa varía según la región del mundo. Sin embargo, es necesario obtener más información antes de poner en marcha un dispositivo LoRa para configurar la frecuencia correcta. La siguiente tabla muestra las frecuencias correctas para cada país o continente:

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

dispositivos bidireccionales
Hay tres clases bidireccionales principales manejadas por End:

Clase A

Los datos de enlace ascendente siempre provienen del dispositivo final. Al mensaje de enlace ascendente le siguen dos breves ventanas de recepción para los mensajes de enlace descendente. Estos mensajes de enlace descendente también pueden incluirse para mensajes de confirmación y para los parámetros del dispositivo. Dado que la comunicación entre el terminal y la puerta de enlace solo se realizará desde el terminal, puede haber un tiempo de espera entre la configuración detallada de los nuevos parámetros del dispositivo y la implementación del terminal.

Entre los contactos de tiempo de transmisión, los dispositivos de clase A pueden activar completamente su módulo LoRa en modo de ahorro de energía. Esto mejorará la eficiencia energética.

clase B

La clase B, junto con las ventanas de fallo de la clase A, se convierten en ventanas de recepción adicionales. Los dispositivos de clase B se sincronizan mediante balizas enviadas cíclicamente. Estas balizas se utilizan para la comunicación, y otras ventanas de recepción se abren en otros momentos. La desventaja es que la latencia se puede determinar con antelación, lo que implica una pérdida de consumo de energía como número de componente. Sin embargo, el consumo de energía se mantiene lo suficientemente bajo para aplicaciones que funcionan con baterías.

Clase C

La clase C reduce significativamente la latencia del enlace descendente, ya que la ventana de recepción del dispositivo final siempre se escucha mientras el dispositivo no emita ningún mensaje. Por esta razón, el servidor de confianza puede iniciar una transmisión descendente. Un cambio de horario entre las clases A y C es especialmente importante en contratos legales con batería, por ejemplo, actualizaciones de firmware inalámbricas.

Región	La frecuencia LoRa
Europa	863-870 MHz 433 MHz
US	902-928 MHz
China	470-510 MHz 779-787 MHz
Australiano	915-928 MHz
Indian	865-867 MHz

Asia	433 MHz
Norteamérica	915 MHz