Qual è la tecnologia alla base della frequenza LoRa?

LoRa utilizza la modulazione CSS (Chirp Spread Spectrum), che utilizza un metodo di diffusione della frequenza come tecnica di modulazione. I cosiddetti impulsi chirp vengono inviati come simboli, la cui frequenza LoRa aumenta o diminuisce in modo continuo nel tempo. La trasmissione dei dati avviene quindi tramite la sequenza di questi impulsi chirp.

Proprietà speciali

Poiché LoRa opera nelle bande di frequenza ISM (433 MHz, 868 MHz e 915 MHz), la potenza di trasmissione irradiata è limitata. Per ottenere una portata radio maggiore rispetto ai tipi di modulazione convenzionali, come FSK (Frequency Shift Keying), la sensibilità del ricevitore è stata notevolmente migliorata con LoRa. Il ricevitore LoRa può ancora ricevere e decodificare correttamente un segnale LoRa utile fino a 20 dB al di sotto del livello di rumore, il che si traduce in una sensibilità massima del ricevitore di -149 dBm. Rispetto alla sensibilità massima FSK di circa -125 dBm a -130 dBm, LoRa offre un miglioramento significativo. Con il ricevitore FSK, il segnale può essere decodificato correttamente solo se il segnale utile è di circa XNUMX dBm.

Grazie alla proprietà che permette a LoRa di ricevere un segnale utile fino a 20 dB al di sotto del livello di rumore, la robustezza alle interferenze radio è significativamente migliore rispetto a quella di FSK. I sistemi FSK funzionano correttamente solo se il segnale di interferenza è almeno 10 dB più debole del segnale utile. Nel migliore dei casi, i sistemi LoRa possono comunque ricevere il segnale utile se il segnale di interferenza è 20 dB più forte del segnale utile.

Limiti

Dal grafico sopra si può vedere che LoRa può ricevere segnali di circa 30 dB più deboli rispetto a FSK. Tuttavia, ci sono due limitazioni che relativizzano in qualche modo questa grande differenza.

• Innanzitutto, la modulazione LoRa è a banda larga rispetto alla modulazione FSK, il che significa che il livello di rumore del ricevitore LoRa è generalmente superiore a quello del ricevitore FSK. Nello specifico, raddoppiando la larghezza di banda, il livello di rumore aumenta di 3 dB.
• In secondo luogo, LoRa può ricevere un segnale utile solo fino a 20 dB al di sotto del livello di rumore a velocità di trasmissione dati molto basse, pari a ≤ 0.5 kbit/s. Non appena la velocità di trasmissione dati aumenta, il rapporto segnale/rumore negativo aumenta ulteriormente verso lo zero oppure è necessario aumentare ulteriormente la larghezza di banda, il che a sua volta aumenta il livello di rumore.

Misurazione comparativa tra LoRa e FSK

Per scoprire l'effettiva efficacia di LoRa, è necessario effettuare un confronto diretto tra LoRa e FSK. A tal fine, i nostri transceiver FSK standard precedentemente utilizzati (CC1020 e CC1101) vengono confrontati con i dati del transceiver LoRa/FSK SX1261.

Secondo le informazioni contenute nelle schede tecniche, LoRa raggiunge una sensibilità massima di almeno 24 dB superiore rispetto al miglior transceiver FSK (SX1261). Rispetto ai vecchi transceiver FSK (CC1020 e CC1101), la sensibilità massima è addirittura superiore di 31 o 33 dB. Poiché si può presumere che la portata radio possa raddoppiare per ogni 10 dB di sensibilità in più, con LoRa si dovrebbe raggiungere una portata radio da 4 a 8 volte superiore rispetto a quella con FSK.

Tuttavia, è anche evidente che la massima sensibilità LoRa si ottiene con una velocità di trasmissione dati estremamente bassa, pari a soli 0.02 kbit/s. Per ottenere un confronto diretto e significativo tra i diversi ricetrasmettitori, la sensibilità di tutti viene determinata alla stessa velocità di trasmissione dati. Secondo il produttore di Semtech, LoRa dovrebbe raggiungere una sensibilità maggiore di circa 7-10 dB rispetto all'FSK alla stessa velocità di trasmissione dati.

Le nostre misurazioni hanno dato i seguenti risultati:

Il ricetrasmettitore SX1261 con modulazione LoRa raggiunge una sensibilità maggiore di 4-6 dB rispetto alla modulazione FSK. Rispetto al CC1020, la sensibilità è maggiore di 8-11 dB e di 1101-13 dB rispetto al CC17. È sorprendente che più bassa è la velocità di trasmissione dati, maggiore è il guadagno di sensibilità ottenibile con LoRa.

Un'altra osservazione mostra il potenziale di risparmio energetico di LoRa. Per ottenere la stessa sensibilità dell'FSK, con LoRa è possibile utilizzare una velocità di trasmissione dati circa 4 volte superiore. Lo stesso telegramma radio diventa quindi 4 volte più breve e anche il consumo energetico si riduce di un fattore 4.

Conclusione:

Come per tutti i ricetrasmettitori radio, la massima sensibilità LoRa di -149 dBm si ottiene solo alla velocità di trasmissione dati più bassa. Questa velocità di trasmissione dati per LoRa è di soli 0.02 kbit/s circa ed è quindi inutilizzabile per molte applicazioni. Tuttavia, se si potessero utilizzare velocità di trasmissione dati così basse, si potrebbe teoricamente raggiungere una portata radio 4 volte superiore rispetto ai moderni ricetrasmettitori FSK.

Aumentando la velocità di trasmissione dati LoRa da 1.2 kBit/s a 10 kBit/s, LoRa raggiunge una sensibilità di circa 4-6 dB superiore rispetto ai moderni transceiver FSK. Rispetto ai vecchi transceiver FSK come il CC1101 o il CC1020, la portata radio può persino raddoppiare o triplicare con LoRa.

Esiste un'interessante opzione di risparmio energetico in applicazioni in cui l'attuale sensibilità FSK era sufficiente. Se si desidera ottenere la stessa sensibilità con LoRa, la velocità di trasmissione dati può essere aumentata di un fattore 4 rispetto all'FSK, riducendo così di un fattore 4 anche il consumo energetico.

Per noi, la tecnologia LoRa rappresenta un'alternativa interessante per applicazioni con velocità di trasmissione dati fino a 10 kbit/s, poiché la portata radio può essere notevolmente aumentata rispetto ai ricetrasmettitori più vecchi. Di particolare interesse per noi è la possibilità di connettersi alla rete LoRaWAN, poiché ciò significa che le applicazioni IoT possono essere connesse a Internet praticamente ovunque.

Con il nostro modulo LoRa “TRX433-70” siamo pronti per futuri progetti LoRa innovativi.

Trasmissione radio con LoRa

Le letture del contatore, i comandi di commutazione e altre informazioni possono essere trasmessi dal modulo concentratore al router e viceversa in diversi modi. Se la trasmissione via cavo non è possibile o è troppo costosa, la trasmissione radio con LoRa può essere un'alternativa per la lettura a distanza.

Lo standard radio LoRa

LoRa sta per Long Range, ovvero ad alta portata (radio), ed è uno standard radio alternativo alle tecnologie note come UMTS o LTE. In molti paesi, LoRa si è già affermato come base per uno standard di comunicazione nel cosiddetto Internet of Things (IoT), per la comunicazione machine-to-machine (M2M) e per applicazioni industriali e smart city.

Lo standard radio LoRa, come altre tecnologie radio, utilizza le bande di frequenza LoRa libere delle bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) senza licenza. In Europa, si tratta delle bande comprese tra 433 e 868 MHz. Utilizzando una speciale procedura radio, la cosiddetta diffusione di frequenza, la tecnologia è praticamente immune alle interferenze. La portata tra trasmettitore e ricevitore è compresa tra 2 e 15 km, a seconda dell'ambiente e dell'area edificabile. Grazie all'elevata sensibilità di -137 dBm, è possibile raggiungere un'elevata penetrazione negli edifici. I segnali radio penetrano in profondità all'interno di edifici e scantinati. Soprattutto nei campeggi, dove le coperture metalliche di roulotte e case mobili spesso indeboliscono la potenza del segnale WLAN, la trasmissione radio con LoRa è superiore. La velocità di trasmissione dati con LoRa è compresa tra 0.3 e 50 kbit/s.

Applicazioni per LoRa

LoRa viene utilizzato principalmente in applicazioni in cui è necessario trasmettere pochissimi dati su lunghe distanze con un notevole risparmio energetico. Questi dati sono solitamente valori misurati, segnali di stato o valori manipolati.

Differenze tra WLAN, LoRa e radio mobile

WLAN e radiomobile sono progettate per trasmettere grandi quantità di dati. Sono accettate portate relativamente brevi. LoRa, invece, è ottimizzata per la trasmissione di piccole quantità di dati su lunghe distanze. La tabella seguente mostra alcune differenze tra i diversi standard radio.

LoRaWAN (rete WAN a lungo raggio)

Le WAN a basso consumo (LPWAN) sono concetti di rete per l'Internet delle cose (IoT) e la comunicazione macchina-macchina (M2M). Le LPWAN sono caratterizzate dal fatto che possono coprire distanze fino a 50 km e consumare pochissima energia. Esistono diversi approcci tecnici per la realizzazione delle LPWAN. Uno di questi è l'ETSI GS LTN, altri nomi sono LoRaWAN, Weightless e RPMA, acronimo di Random Phase Multiple Access.

Per evitare che la distanza superabile sia eccessivamente compromessa dall'attenuazione dello spazio libero, alcuni dei concetti LPWAN menzionati utilizzano frequenze nelle bande ISM a 433 MHz e 868 MHz. Pochi funzionano anche nella banda ISM a 2.4 GHz.

Ad esempio, per quanto riguarda SigFox come LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), utilizza la banda ISM a 868 MHz (USA 915 MHz) in Europa. La portata supera i 5 km in area urbana e i 15 km fuori città. Esistono anche ricetrasmettitori radio nella gamma di frequenza LoRa di 2.4 GHz con cui è possibile superare una portata di 10 km. La trasmissione LoRa è una combinazione di Chirp Spread Spectrum (CSS) e Software Defined Radio (SDR). Un vantaggio fondamentale è che è possibile rilevare segnali fino a 20 dB inferiori al livello di rumore. Il concetto LoRaWAN supporta la comunicazione bidirezionale, la mobilità e i servizi basati sulla posizione.

I dispositivi finali sono collegati a una stazione base, che a sua volta riceve le informazioni crittografate da un backbone tramite TCP/IP e il protocollo SSL.
Per garantire la massima durata possibile della batteria dei componenti terminali, tutte le velocità di trasmissione dati e i segnali RF in uscita sono gestiti dalla rete LoRaWAN e i componenti terminali sono controllati tramite una velocità di trasmissione dati adattiva (ADR). Esistono tre classi di dispositivi terminali: i dispositivi di Classe A possono comunicare in modo bidirezionale e hanno una finestra di trasmissione pianificata in uplink, i dispositivi di Classe B hanno anch'essi una finestra di trasmissione pianificata in downlink e la finestra di trasmissione per i dispositivi di Classe C è costantemente aperta. La tecnologia LoRaWAN è standardizzata dalla LoRa Alliance.

LoRaWan – Framework per reti wireless

LoRaWan è una specifica che descrive un framework per reti wireless. Viene utilizzato in reti con poco traffico dati, ad esempio nelle reti di sensori. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) è un protocollo LPWAN (Low Power Wide Area Network). Questo articolo illustra le frequenze utilizzate da LoRaWan e le classi di dispositivi finali disponibili.

La frequenza LoRa varia in diverse regioni del mondo. Tuttavia, è necessario ottenere maggiori informazioni prima di avviare un dispositivo LoRa per impostare la frequenza corretta. La tabella seguente mostra le frequenze corrette per ciascun paese o continente:

Anche LoRaWan è gestito come una topologia a stella. I gateway inoltrano i messaggi dai dispositivi finali a uno specifico server di accesso. I gateway sono collegati tramite il server standard tramite connessioni Internet standard.

Dispositivi bidirezionali
End gestisce tre classi bidirezionali principali:

Classe A

I dati di uplink provengono sempre dal dispositivo finale. Il messaggio di uplink è seguito da 2 brevi finestre di ricezione per i messaggi di downlink. Questi messaggi di downlink possono essere inclusi anche per i messaggi di conferma e per i parametri del dispositivo. Poiché la comunicazione tra il terminale e il gateway avverrà sempre e solo dal terminale, potrebbe esserci un tempo di attesa tra la definizione dei nuovi parametri del dispositivo e l'implementazione del terminale.

Tra i contatti del tempo di trasmissione effettivo, i dispositivi di Classe A possono mettere il loro modulo LoRa completamente in modalità di risparmio energetico. Questo cambierà l'efficienza energetica.

Classe B

La Classe B, insieme alle finestre di errore della Classe A, diventano ulteriori finestre di ricezione. I dispositivi di Classe B vengono sincronizzati tramite beacon inviati ciclicamente. Questi beacon vengono utilizzati per comunicare e altre finestre di ricezione sono aperte in altri momenti. La perdita sta nel fatto che la latenza può essere determinata in anticipo, e la perdita di consumo energetico come numero di componenti. Tuttavia, il consumo energetico rimane sufficientemente basso per applicazioni a batteria.

Classe C

La classe C riduce significativamente la latenza per il downlink, poiché la finestra di ricezione del dispositivo finale viene sempre ascoltata finché il dispositivo stesso non invia alcun messaggio. Per questo motivo, il server attendibile può avviare una trasmissione in downlink. Una variazione oraria tra la classe A e la classe C è particolarmente importante nei contratti legali alimentati a batteria, ad esempio per gli aggiornamenti firmware "over-the-air".