LoRa周波数の背後にある技術とは

LoRaは、周波数拡散法を変調技術として用いるCSS（チャープ・スペクトラム拡散）変調方式を採用しています。いわゆるチャープパルスがシンボルとして送信され、LoRa周波数は時間経過とともに連続的に増減します。データ伝送は、これらのチャープパルスの連続的なシーケンスによって実現されます。

特別なプロパティ

LoRa は ISM 周波数帯域 (433 MHz、868 MHz、915 MHz) で動作するため、放射される送信電力は制限されています。FSK (周波数偏移変調) などの従来の変調タイプよりも広い無線範囲を実現するために、LoRa では受信感度が大幅に改善されています。LoRa 受信機は、ノイズレベルより最大 20 dB 低い有効な LoRa 信号を正常に受信してデコードできるため、最大 -149 dBm の受信感度が得られます。約 -125 dBm ～ -130 dBm の最大 FSK 感度と比較すると、LoRa では大幅な改善がもたらされます。FSK 受信機では、有効な信号が約 -XNUMX dBm の場合にのみ信号を正常にデコードできます。

LoRaはノイズレベルより最大20dB低いレベルまで有効信号を受信できるという特性により、無線干渉に対する堅牢性はFSKよりも大幅に優れています。FSKシステムは、干渉信号が有効信号より少なくとも10dB弱い場合にのみ正常に動作します。最良の場合、LoRaシステムは干渉信号が有効信号より20dB強い場合でも有効信号を受信できます。

製品制限

上のグラフから、LoRaはFSKよりも約30dB弱い信号を受信できることがわかります。しかし、この大きな差を相対化するXNUMXつの制約があります。

• まず、LoRa変調はFSK変調よりも広帯域であるため、LoRa受信機のノイズレベルは一般的にFSK受信機よりも高くなります。具体的には、帯域幅を3倍にするとノイズレベルはXNUMXdB増加します。
• 第二に、LoRaは20 kbit/s以下の非常に低速なデータレートでは、ノイズレベルより最大0.5 dB低い有効信号しか受信できません。データレートを上げると、負の信号対雑音比がゼロに近づくか、帯域幅をさらに拡大する必要があり、その結果、ノイズレベルが増加します。

LoRaとFSKの比較測定

LoRaの真の性能を知るには、LoRaとFSKを直接比較する必要があります。そこで、これまで使用してきた標準的なFSKトランシーバー（CC1020およびCC1101）と、LoRa/FSKトランシーバーSX1261のデータを比較しました。

データシートの情報によると、LoRaは最高級FSKトランシーバー（SX24）と比較して、少なくとも1261dB優れた最大感度を実現します。旧型のFSKトランシーバー（CC1020およびCC1101）と比較すると、最大感度はさらに31～33dB向上します。感度が10dB向上するごとに無線範囲が4倍になると考えられるため、LoRaではFSKと比較して8～XNUMX倍の無線範囲を実現できると推定されます。

しかし、LoRaの最大感度は、わずか0.02 kbit/sという非常に低いデータレートで達成されることも注目すべき点です。異なるトランシーバー間の直接的で意味のある比較を行うために、すべてのトランシーバーの感度は同じデータレートで測定されています。Semtechのメーカーによると、LoRaはFSKと同じデータレートで約7～10 dB高い感度を達成する必要があるとのことです。

当社独自の測定により、次のような結果が得られました。

LoRa変調方式のSX1261トランシーバーは、FSK変調方式と比較して4～6dB高い感度を実現します。CC1020と比較すると8～11dB、CC1101と比較すると13～17dB高い感度を実現します。データレートが低いほど、LoRaでより大きな感度ゲインが得られることは注目に値します。

別の視点から見ると、LoRaの省エネ効果は明らかです。FSKと同じ感度を実現するために、LoRaでは約4倍のデータレートを使用できます。つまり、同じ無線電文でも4分の4の長さになり、消費電力もXNUMX分のXNUMXに削減されます。

まとめ：

すべての無線トランシーバーと同様に、LoRaの最大感度である-149dBmは、最低のデータレートでのみ達成されます。LoRaのデータレートは約0.02kbit/sに過ぎないため、多くのアプリケーションでは利用できません。しかし、このような低いデータレートを使用できれば、理論上は最新のFSKトランシーバーと比較して4倍の無線範囲を実現できます。

LoRaのデータレートを1.2 kBit/sから10 kBit/sに上げると、LoRaは最新のFSKトランシーバーと比較して約4～6 dB高い感度を実現します。CC1101やCC1020などの旧型のFSKトランシーバーと比較すると、LoRaでは無線範囲がXNUMX倍、あるいはXNUMX倍に拡張されることもあります。

既存のFSK感度で十分なアプリケーションにおいて、興味深い省エネオプションがあります。LoRaで同じ感度を実現した場合、データレートはFSKに比べて4倍に向上し、消費電力も4分のXNUMXに削減できます。

私たちにとって、LoRaテクノロジーは、最大10kbit/sのデータレートを持つアプリケーションにとって魅力的な代替手段となります。従来のトランシーバーと比較して無線範囲を大幅に拡張できるためです。特に興味深いのは、LoRaWANネットワークへの接続可能性です。これにより、IoTアプリケーションは事実上どこからでもインターネットに接続できるようになります。

当社の LoRa モジュール「TRX433-70」により、将来の革新的な LoRa プロジェクトに対応する準備が整いました。

LoRaによる無線伝送

メーターの読み取り値、スイッチングコマンド、その他の情報は、コンセントレータモジュールからルーターへ、そしてルーターからコンセントレータモジュールへ、様々な方法で送信できます。有線伝送が不可能またはコストが高すぎる場合は、LoRaによる無線伝送が遠隔読み取りの代替手段となります。

LoRa無線規格

LoRaはLong Range（長距離）、つまり長距離（無線）通信距離の略称で、UMTSやLTEといった既存の技術に代わる無線規格です。多くの国において、LoRaはいわゆるモノのインターネット（IoT）、マシンツーマシン（M2M）通信、そして産業・スマートシティアプリケーションにおける通信規格の基盤として既に確立されています。

LoRa無線規格は、他の無線技術と同様に、ライセンスフリーのISMバンド（産業、科学、医療）から空いているLoRa周波数帯域を使用します。ヨーロッパでは、これらは433MHzと868MHzの範囲の帯域です。いわゆる周波数拡散と呼ばれる特別な無線手順を使用することで、この技術は干渉の影響をほぼ受けません。送信機と受信機の間の範囲は、環境と市街地に応じて2〜15kmです。-137dBmの高い感度により、建物への高い浸透率を実現できます。無線信号は、建物や地下室の内部深くまで浸透します。特にキャンプ場では、キャラバンや移動住宅の金属製のカバーによってWLANの信号強度が弱まることが多いため、LoRaによる無線伝送が優れています。LoRaのデータレートは0.3〜50kbit / sです。

LoRaのアプリケーション

LoRaは主に、非常に少ないデータ量を非常に省電力で長距離伝送するアプリケーションで使用されます。伝送されるデータは通常、測定値、状態信号、または操作値です。

WLAN、LoRa、モバイル無線の違い

WLANとモバイル無線は、大容量のデータ伝送を目的として設計されています。比較的短い距離でも伝送可能です。一方、LoRaは、少量のデータを長距離伝送するために最適化されています。以下の表は、各無線規格の違いを示しています。

ロラワン （長距離広域ネットワーク）

低消費電力WAN（LPWAN）は、モノのインターネット（IoT）とマシン間通信（M2M）のためのネットワークコンセプトです。LPWANは、最大50kmの距離をカバーでき、消費電力が非常に少ないという特徴があります。LPWANを実現するための技術的アプローチはいくつかあります。ETSIによるアプローチの一つに、ETSI GS LTNがあります。他には、LoRaWAN、Weightless、RPMA（ランダムフェーズマルチアクセス）などがあります。

自由空間減衰によって伝送距離が過度に損なわれないようにするため、前述のLPWANコンセプトの一部は、433MHzおよび868MHzのISMバンドの周波数を使用しています。また、2.4GHzのISMバンドで動作するものもいくつかあります。

例えば、LoRaWAN（Long Range Wide Area Network）としてのSigFoxは、ヨーロッパでは868MHz（米国では915MHz）のISMバンドを使用します。ブリッジ可能な距離は、市街地で5km以上、市街地外で15km以上です。また、2.4GHzのLoRa周波数帯域では10kmの範囲をブリッジできる無線トランシーバーもあります。LoRa伝送は、チャープ拡散スペクトル（CSS）とソフトウェア無線（SDR）を組み合わせたものです。主な利点は、ノイズレベルより最大20dB低い信号も検出できることです。LoRaWANのコンセプトは、双方向通信、モビリティ、位置情報サービスをサポートします。

エンド デバイスはベース ステーションに接続され、ベース ステーションは TCP/IP および SSL プロトコルを介してバックボーンから暗号化された情報を受信します。
エンドコンポーネントのバッテリー寿命を最大限に延ばすため、すべてのデータレートとRF出力信号はLoRaWANネットワークによって管理され、エンドコンポーネントはアダプティブデータレート（ADR）を介して制御されます。端末デバイスには3つのクラスがあります。クラスAデバイスは双方向通信が可能で、アップリンクに計画された送信ウィンドウを持ちます。クラスBデバイスはダウンリンクにも計画された送信ウィンドウを持ちます。クラスCデバイスの送信ウィンドウは常時開いています。LoRaWANテクノロジーは、LoRa Allianceによって標準化されています。

LoRaWan – 無線ネットワークのフレームワーク

LoRaWanは、無線ネットワークのフレームワークを規定する仕様です。センサーネットワークなど、データトラフィックの少ないネットワークで使用されます。LoRaWan（LongRangeWideAreaNetwork）は、いわゆるLPWAN（Low Power Wide Area Network）プロトコルです。この記事では、LoRaWanで使用される周波数と利用可能なエンドデバイスのクラスについて説明します。

LoRaの周波数は世界各地で異なります。LoRaデバイスを起動する前に、正しい周波数を設定するための詳細情報を入手する必要があります。以下の表は、各国または大陸における正しい周波数を示しています。

LoRaWanもスター型トポロジーとして扱われます。ゲートウェイは、エンドデバイスからのメッセージを特定のアクセスサーバーに転送します。ゲートウェイは、標準のインターネット接続を介して標準サーバーに接続されます。

双方向デバイス
End によって処理される主な双方向クラスは 3 つあります。

CLASS-A

アップリンクデータは常にエンドデバイスから送信されます。アップリンクメッセージの後には、ダウンリンクメッセージ用の短い受信ウィンドウが2つ続きます。これらのダウンリンクメッセージには、確認メッセージやデバイスパラメータも含まれる場合があります。端末とゲートウェイ間の通信は端末からのみ行われるため、詳細な新しいデバイスパラメータが端末に実装されるまでに待機時間が発生する可能性があります。

実際の送信時間の間、クラスAデバイスはLoRaモジュールを完全に省エネモードに切り替えることができます。これにより、エネルギー効率が変化します。

CLASS-B

クラスB、その他クラスAの障害ウィンドウは、さらなる受信ウィンドウとなります。クラスBデバイスは、周期的に送信されるビーコンを介して同期されます。これらのビーコンは通信に使用され、他の受信ウィンドウは他の時間に開かれます。この方法の欠点は、遅延を事前に決定できることと、コンポーネント数に応じて消費電力が減少することです。ただし、消費電力はバッテリー駆動アプリケーションにとって十分に低い水準に抑えられています。

CLASS-C

クラスCは、エンドデバイスがメッセージを送信しない限り、受信ウィンドウが常に監視されるため、ダウンリンクの遅延を大幅に削減します。そのため、信頼できるサーバーはダウンリンク伝送を開始できます。クラスAとクラスC間の時間差は、バッテリー駆動の法的契約、例えば「無線ファームウェアアップデート」において特に重要です。