Qual è la tecnologia alla base della frequenza LoRa

LoRa utilizza il CSS (Chirp Spread Spectrum) modulazione che utilizza un metodo di diffusione di frequenza come tecnica di modulazione. I cosiddetti impulsi di cinguettio vengono inviati come simboli, che aumentano o diminuiscono continuamente la frequenza LoRa nel tempo. La trasmissione dei dati viene quindi realizzata dalla sequenza sequenziale di questi impulsi di cinguettio.

Proprietà speciali

Poiché LoRa funziona nelle bande di frequenza ISM (433 MHz, 868 MHz e 915 MHz), la potenza di trasmissione irradiata è limitata. Al fine di avere una portata radio più ampia rispetto ai tipi di modulazione convenzionali come Per ottenere FSK (Keying del cambio di frequenza), la sensibilità del ricevitore è stata notevolmente migliorata con LoRa. Il ricevitore LoRa può ancora ricevere e decodificare con successo un segnale LoRa utile fino a 20 dB sotto il livello di rumore, che si traduce in una sensibilità del ricevitore di un massimo di -149 dBm. Rispetto alla massima sensibilità FSK di ca.. Da –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 ca..

Grazie alla proprietà che LoRa può ancora ricevere con successo un segnale utile fino a 20 dB sotto il livello di rumore, la solidità alle interferenze radio è significativamente migliore di 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 lo è 20 dB più forte del segnale utile.

limitazioni

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

• Primo, 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. In particolare, il raddoppio della larghezza di banda aumenta il livello di rumore di 3 dB.
• In secondo luogo, LoRa può ricevere solo un segnale utile fino a 20 dB al di sotto del livello di rumore con velocità dei dati molto basse di ≤ 0.5 kbit / S. Non appena la velocità dei dati viene aumentata, o il rapporto segnale-rumore negativo aumenta ulteriormente verso zero o la larghezza di banda deve essere ulteriormente aumentata, che a sua volta aumenta il livello di rumore.

Misura comparativa tra LoRa e FSK

Per scoprire quanto è veramente buono LoRa, dovrebbe essere effettuato un confronto diretto tra LoRa e FSK. Per questo scopo, i nostri ricetrasmettitori FSK standard precedentemente utilizzati (CC1020 e CC1101) vengono confrontati con i dati di LoRa / Ricetrasmettitore FSK SX1261.

Secondo le informazioni dai fogli dati, LoRa raggiunge una sensibilità massima di almeno 24 dB rispetto al miglior ricetrasmettitore FSK (SX1261). Rispetto ai vecchi ricetrasmettitori FSK (CC1020 e CC1101), la massima sensibilità è pari 31 o 33 dB meglio. Dal momento che si può presumere che la portata della radio possa essere raddoppiata per ogni 10 dB maggiore sensibilità, un' 4 per 8 volte la portata radio dovrebbe essere possibile con LoRa rispetto a FSK.

però, è anche evidente che la massima sensibilità LoRa è raggiunta con una velocità dati estremamente lenta di solo 0.02 kbit / S. Al fine di ottenere un diretto, confronto significativo tra i diversi ricetrasmettitori, la sensibilità di tutti i ricetrasmettitori è determinata alla stessa velocità dati. Secondo il produttore di Semtech, LoRa dovrebbe raggiungere 7 per 10 dB maggiore sensibilità alla stessa velocità dati di FSK.

Le nostre misurazioni hanno dato i seguenti risultati:

Raggiunge il ricetrasmettitore SX1261 con modulazione LoRa 4 – 6 dB maggiore sensibilità rispetto alla modulazione FSK. Rispetto al CC1020 8 – 11 dB e rispetto al CC1101 13 – 17 dB si ottiene una maggiore sensibilità. È sorprendente che sia stata scelta la velocità di trasmissione dati più bassa, maggiore è il guadagno di sensibilità con LoRa.

Un'altra vista mostra il potenziale di risparmio energetico di LoRa. Al fine di ottenere la stessa sensibilità di FSK, circa 4 volte la velocità dei dati può essere utilizzata con LoRa. Lo stesso radiotelegramma diventa così 4 tempi più brevi e anche il consumo di energia diminuisce di un fattore di 4.

Conclusione:

Come con tutti i ricetrasmettitori radio, la massima sensibilità LoRa di -149 dBm viene raggiunto solo alla velocità dati più bassa. Questa velocità dati per LoRa è solo di ca.. 0.02 kbit / se è quindi inutilizzabile per molte applicazioni. però, se è possibile utilizzare velocità dati così basse, 4 volte la portata radio è teoricamente possibile rispetto ai moderni ricetrasmettitori FSK.

Se la velocità dei dati LoRa viene aumentata a 1.2 kbit / s a 10 kbit / S, LoRa raggiunge ca.. 4-6 dB maggiore sensibilità rispetto ai moderni ricetrasmettitori FSK. Rispetto ai vecchi ricetrasmettitori FSK come CC1101 o CC1020, la portata radio può anche essere raddoppiata o triplicata con LoRa.

Esiste un'interessante opzione di risparmio energetico nelle applicazioni in cui l'attuale sensibilità FSK era sufficiente. Se la stessa sensibilità deve essere raggiunta con LoRa, la velocità dei dati può essere aumentata di un fattore di 4 rispetto a FSK, per cui il consumo di energia può anche essere ridotto di un fattore di 4.

Per noi, La tecnologia LoRa rappresenta un'interessante alternativa per applicazioni con velocità dati fino a 10 kbit / S, poiché la portata radio può essere aumentata in modo massiccio 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 i futuri progetti innovativi di LoRa.

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 vari modi. Se la trasmissione via cavo non è possibile o troppo costosa, la trasmissione radio con LoRa può essere un'alternativa per la lettura remota.

Lo standard radio LoRa

LoRa sta per Long Range, vale a dire. alto (Radio) gamma ed è uno standard radio alternativo alle tecnologie note come UMTS o LTE. In molti paesi, LoRa si è già affermata come base per uno standard di comunicazione nella cosiddetta Internet of Things (IoT), per macchina a macchina (M2M) comunicazione e per applicazioni industriali e smart city.

Lo standard radio LoRa, come altre tecnologie radio, utilizza le bande di frequenza LoRa gratuite dalle bande ISM senza licenza (Industriale, Scientifica e medica). In Europa, queste sono le band nel 433 e 868 Gamma MHz. Utilizzando una procedura radio speciale, la cosiddetta diffusione di frequenza, la tecnologia è quasi immune alle interferenze. L'intervallo tra trasmettitore e ricevitore è compreso tra 2 e 15 km, a seconda dell'ambiente e dell'area edificata. A causa dell'elevata sensibilità di -137 dBm, si può ottenere un'alta penetrazione negli edifici. I segnali radio penetrano in profondità all'interno di edifici e scantinati. Soprattutto nei campeggi in cui le coperture metalliche delle roulotte e delle case mobili spesso indeboliscono la potenza del segnale della WLAN, la trasmissione radio con LoRa è superiore qui. La velocità dei dati su LoRa è tra 0.3 e 50 kbit / S.

Applicazioni per LoRa

LoRa viene utilizzato principalmente in applicazioni in cui è necessario trasmettere pochissimi dati su una lunga distanza in modo molto economico. Questi dati sono generalmente valori misurati, segnali di stato o valori manipolati.

Differenze tra WLAN, LoRa e radio mobile

La WLAN e la radio mobile sono progettate per trasmettere grandi quantità di dati. Sono accettati intervalli relativamente brevi. LoRa, d'altro canto, è ottimizzato per la trasmissione di piccole quantità di dati su grandi distanze. La tabella seguente mostra alcune differenze tra i diversi standard radio.

LoRaWAN (rete ad ampio raggio a lungo raggio)

WAN a bassa potenza (LPWANs) sono concetti di rete per l'Internet of Things (IoT) e comunicazione machine-to-machine (M2M). Le LPWAN sono caratterizzate dal fatto che possono coprire distanze fino a 50 km e richiedono pochissima energia. Esistono diversi approcci tecnici per la realizzazione degli LPWAN. Uno da ETSI: ETSI GS LTN, altri nomi sono LoRaWAN, Senza peso e RPMA, che sta per Accesso multiplo a fase casuale.

In modo che l'attenuazione dello spazio libero non comprometta troppo la distanza a ponte, alcuni dei concetti LPWAN citati utilizzano le frequenze nelle bande ISM di 433 MHz e 868 MHz. Pochi lavorano anche nella banda ISM di 2.4 GHz.

Per esempio, per quanto riguarda SigFox come LoRaWAN (Rete ad ampio raggio a lungo raggio), utilizza la banda ISM a 868 MHz (Stati Uniti d'America 915 MHz) in Europa. L'intervallo di distanza ponte è terminato 5 km nell'area urbana e oltre 15 km fuori città. Esistono anche ricetrasmettitori radio nella gamma di frequenza LoRa di 2.4 GHz con cui una gamma di 10 km può essere colmato. La trasmissione LoRa è una combinazione di Chirp Spread Spectrum (CSS) e Software Defined Radio (SDR). Un vantaggio chiave è che i segnali sono all'altezza 20 dB sotto il livello di rumore può ancora essere rilevato. Il concetto LoRaWAN supporta la comunicazione bidirezionale, servizi di mobilità e localizzazione.

I dispositivi terminali sono collegati a una stazione base, che a sua volta riceve le informazioni crittografate da una spina dorsale tramite TCP / IP e protocollo SSL.
Per garantire che la durata della batteria dei componenti terminali sia il più lunga possibile, tutte le velocità dati e i segnali di uscita RF sono gestiti dalla rete LoRaWAN e i componenti finali sono controllati tramite una velocità dati adattativa (ADR). Esistono classi di dispositivi a tre terminali: I dispositivi di classe A possono comunicare in modo bidirezionale e avere una finestra di trasmissione pianificata nel collegamento verso monte, I dispositivi di classe B hanno anche una finestra di trasmissione pianificata nel downlink e la finestra di trasmissione per i dispositivi di classe C è continuamente aperta. La tecnologia LoRaWAN è standardizzata da LoRa Alliance.

LoRaWan – Framework per reti wireless

LoRaWan è una specifica e descrive un framework per reti wireless. È utilizzato in reti con poco traffico dati, ad esempio nelle reti di sensori. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) è un cosiddetto LPWAN (Rete di area larga a bassa potenza) protocollo. Questo articolo mostra le frequenze utilizzate da LoRaWan e le classi disponibili di dispositivi terminali.

La frequenza di LoRa varia in diverse regioni del mondo. però, è necessario qui 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:

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

Dispositivi bidirezionali
Esistono tre principali classi bidirezionali gestite da End:

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 in 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 sarà sempre e solo dal terminale, potrebbe esserci un tempo di attesa tra i parametri dettagliati del nuovo 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 una modalità di risparmio energetico. Questo cambierà l'efficienza energetica.

Classe B

Classe B, altri alla finestra di errore di classe A., diventare ulteriori finestre di ricezione. I dispositivi di classe B sono sincronizzati tramite beacon inviati ciclicamente. Questi beacon sono usati per comunicare, e altre finestre della reception sono aperte altre volte. La perdita è che la latenza può essere determinata in anticipo, la perdita del consumo di energia come numero componente. però, il consumo di energia rimane abbastanza basso per le 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 fintanto che il dispositivo stesso non fornisce alcun messaggio. Per questa ragione, il server fidato può avviare una trasmissione downlink. Un cambio di tempo tra le classi A e C è particolarmente importante nei contratti legali alimentati a batteria, per esempio, “firmware over-the-air” aggiornamenti.