Quelle est la technologie derrière la fréquence LoRa

Gamme de fréquences LoRa

LoRa utilise le CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation qui utilise une méthode d'étalement de fréquence comme technique de modulation. Les impulsions dites chirp sont envoyées sous forme de symboles, qui augmentent ou diminuent la fréquence LoRa en continu au fil du temps. La transmission des données est alors réalisée par la séquence séquentielle de ces impulsions de chirp.

Fréquence LoRa

Propriétés spéciales

Puisque LoRa fonctionne dans les bandes de fréquences ISM (433 MHz, 868 MHz et 915 MHz), la puissance d'émission rayonnée est limitée. Afin d'avoir une plus grande portée radio que les types de modulation conventionnels tels que Pour atteindre FSK (Modulation par déplacement de fréquence), la sensibilité du récepteur a été considérablement améliorée avec LoRa. Le récepteur LoRa peut toujours recevoir et décoder avec succès un signal LoRa utile jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit, ce qui se traduit par une sensibilité du récepteur d'un maximum de -149 dBm. Par rapport à la sensibilité FSK maximale d'env.. –125 dBm à -130 dBm, LoRa offre une amélioration significative. Avec le récepteur FSK, le signal ne peut être décodé avec succès que si le signal utile est d'env..

LoRa-fréquence-et-force du signal

Grâce à la propriété que LoRa peut encore recevoir avec succès un signal utile jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit, la robustesse aux interférences radio est nettement meilleure que celle du FSK. Les systèmes FSK ne fonctionnent correctement que si le signal d'interférence est au moins 10 dB plus faible que le signal utile. Dans le meilleur des cas, Les systèmes LoRa peuvent toujours recevoir le signal utile si le signal d'interférence est 20 dB plus fort que le signal utile.

Limites

À partir du graphique ci-dessus, vous pouvez voir que LoRa peut recevoir environ 30 dB signaux plus faibles qu'avec FSK. toutefois, il y a deux restrictions qui relativisent quelque peu cette grosse différence.

• Première, la modulation LoRa est à large bande par rapport à la modulation FSK, ce qui signifie que le niveau de bruit du récepteur LoRa est généralement supérieur à celui du récepteur FSK. Plus précisément, doubler la bande passante augmente le niveau de bruit de 3 dB.
• Deuxièmement, LoRa ne peut recevoir un signal utile que jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit à des débits de données très lents de ≤ 0.5 kbit / s. Dès que le débit de données est augmenté, soit le rapport signal / bruit négatif augmente encore vers zéro, soit la bande passante doit être augmentée davantage, qui à son tour augmente le niveau de bruit.

Mesure comparative entre LoRa et FSK

Pour découvrir à quel point LoRa est vraiment bon, une comparaison directe entre LoRa et FSK doit être effectuée. Dans ce but, nos émetteurs-récepteurs FSK standard précédemment utilisés (CC1020 et CC1101) sont comparées aux données du LoRa / Émetteur-récepteur FSK SX1261.

Émetteur-récepteurModulation 

Sensibilité maximale selon la fiche technique

Débit de donnéesRX- largeur de bande
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

Selon les informations des fiches techniques, LoRa atteint au moins une meilleure sensibilité maximale de 24 dB qu'avec le meilleur émetteur-récepteur FSK (SX1261). Par rapport aux anciens émetteurs-récepteurs FSK (CC1020 et CC1101), la sensibilité maximale est égale 31 ou 33 dB mieux. Puisqu'on peut supposer que la portée radio peut être doublée pour chaque 10 dB plus de sensibilité, une 4 à 8 fois la portée radio doit être possible avec LoRa par rapport à FSK.

toutefois, il est également à noter que la sensibilité LoRa maximale est atteinte avec un débit de données extrêmement lent de seulement 0.02 kbit / s. Afin d'obtenir une, comparaison significative entre les différents émetteurs-récepteurs, la sensibilité de tous les émetteurs-récepteurs est déterminée au même débit de données. Selon le fabricant de Semtech, LoRa devrait atteindre environ 7 à 10 dB plus de sensibilité au même débit de données que FSK.

Nos propres mesures ont donné les résultats suivants:

Débit de donnéesSensibilité
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

L'émetteur-récepteur SX1261 avec modulation LoRa atteint 4 – 6 dB plus de sensibilité qu'avec la modulation FSK. Par rapport au CC1020 8 – 11 dB et par rapport au CC1101 13 – 17 dB plus de sensibilité est atteint. Il est frappant de constater que plus le débit de données est choisi bas, plus le gain de sensibilité peut être obtenu avec LoRa.

Une autre vue montre le potentiel d'économie d'énergie de LoRa. Afin d'obtenir la même sensibilité qu'avec FSK, approximativement 4 fois le débit de données peut être utilisé avec LoRa. Le même radiotélégramme devient ainsi 4 fois plus courte et la consommation d'énergie diminue également d'un facteur de 4.

Conclusion:

Comme avec tous les émetteurs-récepteurs radio, la sensibilité LoRa maximale de -149 Le dBm n'est atteint qu'au débit de données le plus bas. Ce débit de données pour LoRa n'est qu'environ. 0.02 kbit / s et est donc inutilisable pour de nombreuses applications. toutefois, si des débits de données aussi faibles peuvent être utilisés, 4 fois la portée radio est théoriquement possible par rapport aux émetteurs-récepteurs FSK modernes.

Si le débit de données LoRa est augmenté à 1.2 kBit / s à 10 kBit / s, LoRa atteint environ. 4-6 dB plus de sensibilité par rapport aux émetteurs-récepteurs FSK modernes. Par rapport aux anciens émetteurs-récepteurs FSK tels que le CC1101 ou le CC1020, la portée radio peut même être doublée ou triplée avec LoRa.

Il existe une option intéressante d'économie d'énergie dans les applications où la sensibilité FSK actuelle était suffisante. Si la même sensibilité doit être obtenue avec LoRa, le débit de données peut être augmenté d'un facteur de 4 par rapport à FSK, grâce à quoi la consommation d'énergie peut également être réduite d'un facteur de 4.

Pour nous, La technologie LoRa représente une alternative intéressante pour les applications avec des débits allant jusqu'à 10 kbit / s, puisque la portée radio peut être augmentée massivement par rapport aux anciens émetteurs-récepteurs. La possibilité de se connecter au réseau LoRaWAN nous intéresse particulièrement, car cela signifie que les applications IoT peuvent être connectées à Internet pratiquement n'importe où.

Avec notre module LoRa “TRX433-70” nous sommes prêts pour les futurs projets innovants LoRa.

Transmission radio avec LoRa

Les lectures du compteur, les commandes de commutation et d'autres informations peuvent être transmises du module concentrateur au routeur et inversement de diverses manières. Si la transmission filaire n'est pas possible ou trop chère, la transmission radio avec LoRa peut être une alternative à la lecture à distance.

La norme radio LoRa

LoRa signifie Long Range, c'est à dire. haute (radio) gamme et est une norme radio alternative aux technologies connues telles que UMTS ou LTE. Dans beaucoup de pays, LoRa s'est déjà imposé comme la base d'un standard de communication dans le soi-disant Internet des objets (IoT), pour machine à machine (M2M) communication et pour les applications de l'industrie et de la ville intelligente.

La norme radio LoRa, comme d'autres technologies radio, utilise les bandes de fréquences LoRa gratuites des bandes ISM sans licence (Industriel, Scientifique et médical). En Europe, ce sont les groupes dans le 433 et 868 Gamme MHz. En utilisant une procédure radio spéciale, la soi-disant propagation de fréquence, la technologie est presque à l'abri des interférences. La portée entre l'émetteur et le récepteur est comprise entre 2 et 15 km, en fonction de l'environnement et de la zone bâtie. En raison de la haute sensibilité de -137 dBm, une pénétration élevée des bâtiments peut être obtenue. Les signaux radio pénètrent profondément à l'intérieur des bâtiments et des sous-sols. Surtout dans les campings où les couvertures métalliques des caravanes et des mobil-homes affaiblissent souvent la puissance du signal du WLAN, la transmission radio avec LoRa est ici supérieure. Le débit de données à LoRa est compris entre 0.3 et 50 kbit / s.

Applications pour LoRa

LoRa est principalement utilisé dans les applications dans lesquelles très peu de données doivent être transmises sur une longue distance de manière très économe en énergie. Ces données sont généralement des valeurs mesurées, signaux d'état ou valeurs manipulées.

Différences entre WLAN, LoRa et radio mobile

Le WLAN et la radio mobile sont conçus pour transmettre de grandes quantités de données. Des portées relativement courtes sont acceptées. LoRa, d'autre part, est optimisé pour la transmission de petites quantités de données sur de grandes distances. Le tableau suivant montre quelques différences entre les différentes normes radio.

 

WLANLoRACellulaire
A sonné<100 m2.000-3.000(ville)

>10.000 m (pays)

<300 m (ville)

<10.000 m (pays)

 

Max. débit de données

6.933 Mbit / s50 kbit / s1.000 Mbit / s
FraisMoyenFaibleTrès haut
Fréquence LoRa2.4 GHz

5 GHz

60 GHz

433 MHz

868 MHz

800 MHz

900 MHz

1.800 MHz

2.100 MHz

2.600 MHz

Max. puissance d'émission1.000 mW25 mW20-50 w (Station de base)

200 Mw (Appareils terminaux)

LoRaWAN (réseau étendu à longue portée)

WAN à faible puissance (LPWAN) sont des concepts de réseau pour l'Internet des objets (IoT) et communication machine à machine (M2M). Les LPWAN se caractérisent par le fait qu'ils peuvent couvrir des distances allant jusqu'à 50 km et nécessitent très peu d'énergie. Il existe plusieurs approches techniques pour réaliser les LPWAN. Un de l'ETSI: ETSI GS LTN, les autres noms sont LoRaWAN, Apesanteur et RPMA, qui signifie Random Phase Multiple Access.

Pour que la distance pontable ne soit pas trop altérée par l'atténuation de l'espace libre, certains des concepts LPWAN mentionnés utilisent des fréquences dans les bandes ISM à 433 MHz et 868 MHz. Rares sont ceux qui travaillent également dans la bande ISM à 2.4 GHz.

Par exemple, en ce qui concerne SigFox comme LoRaWAN (Réseau étendu à longue portée), il utilise la bande ISM à 868 MHz (Etats-Unis 915 MHz) en Europe. La plage de distance pontable est terminée 5 km en zone urbaine et plus 15 km en dehors de la ville. Il existe également des émetteurs-récepteurs radio dans la gamme de fréquences LoRa de 2.4 GHz avec laquelle une plage de 10 km peut être franchi. La transmission LoRa est une combinaison de Chirp Spread Spectrum (CSS) et radio définie par logiciel (DTS). Un avantage clé est que les signaux 20 dB en dessous du niveau de bruit peut toujours être détecté. Le concept LoRaWAN prend en charge la communication bidirectionnelle, services de mobilité et de localisation.

Valeurs caractéristiquesLoRaWAN
 

Gamme de fréquences

 

Bande ISM, 433 MHz, 868 MHz (MOI), 915 MHz (Etats-Unis)

ModulationSpectre étalé de Chirp (CSS)
Canal britannique8*125 KHz (MOI),

64*125KHz,8*125KHz(Etats-Unis)

 

Taille du paquet

 

Déterminé par l'utilisateur

Fiche technique haut / bas300 morceaux 50 kbit / s (MOI)

900 bit / s à 100 kbit / s(Etats-Unis)

 

topologie

 

Topologie en étoile

 

distance

Jusqu'à 5 km en agglomération

Jusqu'à 15 km en zone rurale

 

Les terminaux sont connectés à une station de base, qui à son tour reçoit les informations cryptées à partir d'un backbone via TCP / IP et le protocole SSL.
Pour garantir que la durée de vie de la batterie des composants finaux est aussi longue que possible, tous les débits de données et les signaux de sortie RF sont gérés par le réseau LoRaWAN et les composants finaux sont contrôlés via un débit de données adaptatif (ADR). Il existe trois classes d'appareils à terminaux: Les appareils de classe A peuvent communiquer de manière bidirectionnelle et avoir une fenêtre de transmission planifiée dans la liaison montante, Les appareils de classe B ont également une fenêtre de transmission planifiée dans la liaison descendante et la fenêtre de transmission pour les appareils de classe C est ouverte en permanence. La technologie LoRaWAN est standardisée par la LoRa Alliance.

LoRaWan – Cadre pour les réseaux sans fil

LoRaWan est une spécification et décrit un cadre pour les réseaux sans fil. Il est utilisé dans les réseaux avec peu de trafic de données, par exemple dans les réseaux de capteurs. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) est un soi-disant LPWAN (Réseau étendu à faible puissance) protocole. Cet article présente les fréquences utilisées par LoRaWan et les classes disponibles de terminaux.

La fréquence LoRa varie selon les régions du monde. toutefois, il est nécessaire ici d'obtenir plus d'informations avant de démarrer un appareil LoRa afin de régler la fréquence correcte. Le tableau suivant montre les fréquences correctes pour chaque pays ou continent:

LoRaWan est également traité comme une topologie en étoile. Les passerelles transfèrent les messages des terminaux vers un serveur d'accès spécifique. Les passerelles sont connectées via le serveur standard via des connexions Internet standard.

Appareils bidirectionnels
Il existe trois principales classes bidirectionnelles gérées par End:

Classe A

Les données de liaison montante proviennent toujours du périphérique final. Le message de liaison montante est suivi de 2 courtes fenêtres de réception pour les messages de liaison descendante. Ces messages de liaison descendante peuvent également être inclus pour les messages de confirmation ainsi que pour les paramètres de l'appareil. Puisque la communication entre le terminal et la passerelle ne se fera jamais qu'à partir du terminal, il peut y avoir un temps d'attente entre les nouveaux paramètres détaillés de l'appareil et la mise en œuvre du terminal.

Entre les contacts de temps de transmission réel, Les appareils de classe A peuvent mettre leur module LoRa complètement en mode d'économie d'énergie. Cela changera l'efficacité énergétique.

Classe B

Classe B, autres aux fenêtres de pannes de classe A, devenir de nouvelles fenêtres de réception. Les appareils de classe B sont synchronisés via des balises envoyées cycliquement. Ces balises sont utilisées pour communiquer, et d'autres fenêtres de réception sont ouvertes à d'autres moments. La perte est que la latence peut être déterminée à l'avance, la perte de consommation d'énergie en tant que numéro de composant. toutefois, la consommation d'énergie reste suffisamment faible pour les applications fonctionnant sur batterie.

Classe C

La classe C réduit considérablement la latence de la liaison descendante, puisque la fenêtre de réception de l'appareil final est toujours entendue tant que l'appareil lui-même ne donne aucun message. Pour cette raison, le serveur de confiance peut démarrer une transmission en liaison descendante. Un changement d'heure entre les classes A et C est particulièrement important dans les contrats légaux alimentés par batterie, par exemple, “firmware-over-the-air” mises à jour.

RégionLa fréquence LoRa
L'Europe 863-870 MHz

433 MHz

NOUS902-928 MHz
Chine470-510 MHz

779-787 MHz

australien915-928 MHz
Indien865-867 MHz
Asie433 MHz
Amérique du Nord915 MHz