LoRa 주파수의 기술은 무엇입니까?

LoRa는 주파수 확산 방식을 변조 기법으로 사용하는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 변조 방식을 사용합니다. 소위 처프 펄스(Chirp Pulse)가 심볼 형태로 전송되며, 이는 LoRa 주파수를 시간에 따라 지속적으로 증가 또는 감소시킵니다. 데이터 전송은 이러한 처프 펄스의 순차적인 시퀀스를 통해 이루어집니다.

특수 속성

LoRa는 ISM 주파수 대역(433MHz, 868MHz, 915MHz)에서 작동하기 때문에 방사 전송 전력이 제한됩니다. FSK(Frequency Shift Keying)와 같은 기존 변조 방식보다 더 넓은 무선 범위를 확보하기 위해 LoRa는 수신기 감도를 크게 향상시켰습니다. LoRa 수신기는 잡음 레벨보다 최대 20dB 낮은 유용한 LoRa 신호를 성공적으로 수신하고 디코딩할 수 있으며, 이로 인해 최대 -149dBm의 수신기 감도를 제공합니다. 최대 FSK 감도가 약 -125dBm~-130dBm인 것과 비교하면 LoRa는 상당한 개선을 제공합니다. FSK 수신기를 사용하면 유용한 신호가 약 XNUMXdBm 이상일 때만 신호를 성공적으로 디코딩할 수 있습니다.

LoRa는 잡음 수준보다 최대 20dB 낮은 유효 신호까지 성공적으로 수신할 수 있기 때문에 FSK보다 무선 간섭에 대한 강건성이 훨씬 뛰어납니다. FSK 시스템은 간섭 신호가 유효 신호보다 최소 10dB 약한 경우에만 정상적으로 작동합니다. 최상의 경우, LoRa 시스템은 간섭 신호가 유효 신호보다 20dB 강한 경우에도 유효 신호를 수신할 수 있습니다.

제한 사항

위 그래픽에서 LoRa는 FSK보다 약 30dB 약한 신호를 수신할 수 있음을 알 수 있습니다. 그러나 이 큰 차이를 어느 정도 상쇄하는 두 가지 제약이 있습니다.

• 첫째, LoRa 변조는 FSK 변조보다 광대역이므로 LoRa 수신기의 잡음 레벨이 일반적으로 FSK 수신기보다 높습니다. 구체적으로, 대역폭을 두 배로 늘리면 잡음 레벨이 3dB 증가합니다.
• 둘째, LoRa는 20kbit/s 이하의 매우 느린 데이터 전송 속도에서 잡음 수준보다 최대 0.5dB 낮은 유용한 신호만 수신할 수 있습니다. 데이터 전송 속도가 증가하면, 음의 신호 대 잡음비가 XNUMX에 가까워지거나 대역폭이 더 증가해야 하며, 이로 인해 잡음 수준이 증가합니다.

LoRa와 FSK의 비교 측정

LoRa의 실제 성능을 파악하려면 LoRa와 FSK를 직접 비교해야 합니다. 이를 위해 기존에 사용하던 표준 FSK 트랜시버(CC1020 및 CC1101)를 LoRa/FSK 트랜시버 SX1261의 데이터와 비교했습니다.

데이터시트 정보에 따르면 LoRa는 최고 성능의 FSK 트랜시버(SX24)보다 최대 감도가 최소 1261dB 더 높습니다. 기존 FSK 트랜시버(CC1020 및 CC1101)와 비교했을 때 최대 감도는 31dB 또는 33dB 더 높습니다. 감도가 10dB 높아질 때마다 무선 범위가 두 배로 확장된다고 가정할 때, LoRa는 FSK보다 4~8배 더 넓은 무선 범위를 제공할 수 있습니다.

하지만 최대 LoRa 감도가 0.02kbit/s라는 매우 느린 데이터 전송 속도에서도 달성된다는 점도 주목할 만합니다. 다양한 트랜시버 간의 직접적이고 의미 있는 비교를 위해 모든 트랜시버의 감도를 동일한 데이터 전송 속도에서 측정했습니다. Semtech 제조업체에 따르면, LoRa는 FSK와 동일한 데이터 전송 속도에서 약 7~10dB 더 높은 감도를 달성해야 합니다.

우리의 측정 결과는 다음과 같습니다.

LoRa 변조 방식을 사용하는 SX1261 트랜시버는 FSK 변조 방식보다 4~6dB 더 높은 감도를 달성합니다. CC1020과 비교했을 때 8~11dB, CC1101과 비교했을 때 13~17dB 더 높은 감도를 달성합니다. 주목할 점은 LoRa를 사용할 때 데이터 전송 속도를 낮출수록 더 높은 감도 이득을 얻을 수 있다는 것입니다.

LoRa의 에너지 절감 잠재력을 보여주는 또 다른 관점이 있습니다. FSK와 동일한 감도를 달성하기 위해 LoRa에서는 약 4배 빠른 데이터 전송 속도를 사용할 수 있습니다. 따라서 동일한 무선 전보의 길이가 4배 단축되고 에너지 소비량도 4배 감소합니다.

결론 :

모든 무선 송수신기와 마찬가지로, LoRa의 최대 감도 -149dBm은 최저 데이터 전송 속도에서만 달성됩니다. LoRa의 이 데이터 전송 속도는 약 0.02kbit/s에 불과하므로 많은 애플리케이션에 사용할 수 없습니다. 그러나 이처럼 낮은 데이터 전송 속도를 사용할 수 있다면, 이론적으로 최신 FSK 송수신기 대비 4배 더 넓은 무선 범위를 확보할 수 있습니다.

LoRa 데이터 전송 속도를 1.2kBit/s에서 10kBit/s로 높이면 LoRa는 최신 FSK 트랜시버에 비해 약 4~6dB 더 높은 감도를 달성합니다. CC1101이나 CC1020과 같은 구형 FSK 트랜시버에 비해 LoRa는 무선 범위를 두 배 또는 세 배까지 늘릴 수 있습니다.

현재 FSK 감도가 충분한 애플리케이션에서 흥미로운 에너지 절약 옵션이 있습니다. LoRa로 동일한 감도를 달성하려면 FSK 대비 데이터 전송 속도를 4배 높일 수 있으며, 에너지 소비량도 4배 줄일 수 있습니다.

LoRa 기술은 최대 10kbps의 데이터 전송 속도를 가진 애플리케이션에 대한 흥미로운 대안으로, 기존 트랜시버에 비해 무선 범위를 대폭 확장할 수 있습니다. 특히 LoRaWAN 네트워크 연결 가능성은 IoT 애플리케이션을 거의 모든 곳에서 인터넷에 연결할 수 있다는 점에서 저희에게 큰 매력입니다.

저희는 LoRa 모듈 "TRX433-70"을 통해 미래의 혁신적인 LoRa 프로젝트에 대비하고 있습니다.

LoRa를 이용한 무선 전송

계량기 판독값, 스위칭 명령 및 기타 정보는 다양한 방식으로 집선기 모듈에서 라우터로 전송되고 다시 라우터로 전송될 수 있습니다. 유선 전송이 불가능하거나 비용이 너무 많이 드는 경우, LoRa를 이용한 무선 전송이 원격 측정의 대안이 될 수 있습니다.

LoRa 무선 표준

LoRa는 Long Range, 즉 높은 (무선) 범위를 의미하며, UMTS나 LTE와 같은 기존 기술을 대체하는 무선 표준입니다. 많은 국가에서 LoRa는 이미 사물 인터넷(IoT), M2M(Machine-to-Machine) 통신, 산업 및 스마트 시티 애플리케이션 분야에서 통신 표준의 기반으로 자리매김했습니다.

LoRa 무선 표준은 다른 무선 기술과 마찬가지로 라이센스가 필요 없는 ISM(산업, 과학 및 의료) 대역의 무료 LoRa 주파수 대역을 사용합니다. 유럽에서는 433MHz와 868MHz 대역을 사용합니다. 주파수 확산이라는 특수 무선 절차를 사용하여 간섭에 거의 영향을 받지 않습니다. 송신기와 수신기 사이의 거리는 환경과 시가지 면적에 따라 2km에서 15km 사이입니다. -137dBm의 높은 감도로 건물 내부까지 높은 투과율을 달성할 수 있습니다. 무선 신호는 건물 내부와 지하 깊숙이 침투합니다. 특히 캐러밴과 이동식 주택의 금속 덮개가 WLAN의 신호 강도를 약화시키는 경우가 많은 캠핑장에서 LoRa를 이용한 무선 전송이 더 우수합니다. LoRa의 데이터 전송 속도는 0.3~50kbit/s입니다.

LoRa에 대한 응용 프로그램

LoRa는 주로 에너지 절약형 방식으로 장거리에 걸쳐 매우 적은 양의 데이터를 전송해야 하는 애플리케이션에 사용됩니다. 이러한 데이터는 대개 측정값, 상태 신호 또는 조작된 값입니다.

WLAN, LoRa 및 모바일 라디오의 차이점

WLAN과 모바일 라디오는 대용량 데이터 전송을 위해 설계되었습니다. 비교적 짧은 거리도 허용됩니다. 반면, LoRa는 소량의 데이터를 장거리로 전송하는 데 최적화되어 있습니다. 다음 표는 다양한 무선 표준 간의 몇 가지 차이점을 보여줍니다.

로라 완 (장거리 광역 네트워크)

저전력 WAN(LPWAN)은 사물 인터넷(IoT)과 사물 간 통신(M2M)을 위한 네트워크 개념입니다. LPWAN은 최대 50km까지 도달할 수 있고 에너지 소비가 매우 적다는 특징이 있습니다. LPWAN을 구현하는 데에는 여러 가지 기술적 접근 방식이 있습니다. ETSI에서 개발한 ETSI GS LTN, LoRaWAN, Weightless, RPMA(Random Phase Multiple Access) 등이 있습니다.

브리지 가능 거리가 자유 공간 감쇠로 인해 크게 저하되지 않도록, 언급된 LPWAN 개념 중 일부는 433MHz와 868MHz의 ISM 대역 주파수를 사용합니다. 2.4GHz의 ISM 대역에서도 작동하는 개념은 거의 없습니다.

예를 들어, SigFox의 LoRaWAN(장거리 광역 네트워크)은 유럽에서 868MHz(미국 915MHz)의 ISM 대역을 사용합니다. 브리지 가능 거리는 도심 지역에서 5km 이상, 외곽 지역에서는 15km 이상입니다. 또한 2.4GHz LoRa 주파수 대역의 무선 송수신기를 사용하여 10km까지 브리지할 수 있습니다. LoRa 전송은 CSS(Chirp Spread Spectrum)와 SDR(Software Defined Radio)의 조합입니다. 주요 장점은 잡음 수준보다 최대 20dB 낮은 신호도 감지할 수 있다는 것입니다. LoRaWAN은 양방향 통신, 이동성 및 위치 기반 서비스를 지원합니다.

종단 장치는 기지국에 연결되고, 기지국은 TCP/IP 및 SSL 프로토콜을 통해 백본에서 암호화된 정보를 수신합니다.
단말 장치의 배터리 수명을 최대한 연장하기 위해 모든 데이터 전송 속도와 RF 출력 신호는 LoRaWAN 네트워크에서 관리되며, 단말 장치는 적응형 데이터 전송 속도(ADR)를 통해 제어됩니다. 3단자 장치 클래스가 있습니다. 클래스 A 장치는 양방향 통신이 가능하며 업링크에서 계획된 전송 윈도우를 가지고, 클래스 B 장치는 다운링크에서도 계획된 전송 윈도우를 가지며, 클래스 C 장치의 전송 윈도우는 항상 열려 있습니다. LoRaWAN 기술은 LoRa Alliance에서 표준화되었습니다.

LoRaWan – 무선 네트워크를 위한 프레임워크

LoRaWan은 무선 네트워크의 사양이자 프레임워크를 설명합니다. 센서 네트워크와 같이 데이터 트래픽이 적은 네트워크에서 사용됩니다. LoRaWan(LongRangeWideAreaNetwork)은 소위 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 프로토콜입니다. 이 글에서는 LoRaWan에서 사용하는 주파수와 사용 가능한 단말 장치 종류를 살펴봅니다.

LoRa 주파수는 세계 각 지역마다 다릅니다. 하지만 LoRa 기기를 시작하기 전에 정확한 주파수를 설정하기 위해 더 많은 정보를 얻는 것이 필요합니다. 다음 표는 각 국가 또는 대륙의 정확한 주파수를 보여줍니다.

LoRaWan은 스타 토폴로지처럼 취급됩니다. 게이트웨이는 단말 장치에서 특정 액세스 서버로 메시지를 전달합니다. 게이트웨이는 표준 인터넷 연결을 통해 표준 서버를 통해 연결됩니다.

양방향 장치
End가 처리하는 세 가지 주요 양방향 클래스는 다음과 같습니다.

클래스 A

업링크 데이터는 항상 종단 장치에서 생성됩니다. 업링크 메시지 다음에는 다운링크 메시지를 위한 두 개의 짧은 수신 윈도우가 있습니다. 이러한 다운링크 메시지는 확인 메시지 및 장치 매개변수에도 포함될 수 있습니다. 단말기와 게이트웨이 간의 통신은 항상 단말기에서만 이루어지므로, 세부적인 새 장치 매개변수와 단말기 구현 사이에 대기 시간이 발생할 수 있습니다.

실제 전송 시간 접촉 사이에 클래스 A 장치는 LoRa 모듈을 완전히 에너지 절약 모드로 전환할 수 있습니다. 이를 통해 에너지 효율이 향상됩니다.

클래스 B

클래스 B, 그리고 클래스 A의 오류 윈도우에 대한 다른 윈도우들은 추가적인 수신 윈도우가 됩니다. 클래스 B 장치는 주기적으로 전송되는 비콘을 통해 동기화됩니다. 이러한 비콘은 통신에 사용되며, 다른 수신 윈도우는 다른 시간에 열립니다. 지연 시간을 미리 확인할 수 있다는 점, 즉 구성 요소 수에 따른 에너지 소비 손실이 있다는 점이 단점입니다. 그러나 에너지 소비는 배터리 구동 애플리케이션에서는 충분히 낮습니다.

클래스 C

클래스 C는 단말이 메시지를 전송하지 않는 한 단말의 수신 윈도우가 항상 수신되므로 다운링크 지연 시간을 크게 줄입니다. 따라서 신뢰할 수 있는 서버가 다운링크 전송을 시작할 수 있습니다. 클래스 A와 클래스 C 간의 시간 변경은 배터리로 작동하는 법적 계약, 예를 들어 "무선 펌웨어" 업데이트에서 특히 중요합니다.