Wat is de technologie achter LoRa-frequentie

LoRa frequentiebereik

LoRa gebruikt de CSS (Chirp Spread Spectrum) modulatie die gebruik maakt van een frequentieverspreidingsmethode als modulatietechniek. Zogenaamde chirp-pulsen worden als symbolen verzonden, die de LoRa-frequentie in de tijd continu verhogen of verlagen. De datatransmissie wordt dan gerealiseerd door de opeenvolgende volgorde van deze pieppulsen.

LoRa-frequentie

Bijzondere eigenschappen

Omdat LoRa werkt in de ISM-frequentiebanden (433 MHz, 868 MHz en 915 MHz), het uitgestraalde zendvermogen is beperkt. Om een ​​groter radiobereik te hebben dan conventionele modulatietypes zoals FSK bereiken (Frequentie Shift Keying), de gevoeligheid van de ontvanger is aanzienlijk verbeterd met LoRa. De LoRa-ontvanger kan nog steeds met succes een nuttig LoRa-signaal ontvangen en decoderen 20 dB onder het geluidsniveau, wat resulteert in een ontvanger gevoeligheid van maximaal -149 dBm. Vergeleken met de maximale FSK-gevoeligheid van ca.. –125 dBm tot -130 dBm, LoRa biedt een aanzienlijke verbetering. Met de FSK-ontvanger, het signaal kan alleen succesvol worden gedecodeerd als het nuttige signaal ongeveer is.

LoRa-frequentie en signaalsterkte

Dankzij de eigenschap dat LoRa nog steeds succesvol een nuttig signaal kan ontvangen tot 20 dB onder het geluidsniveau, de robuustheid tegen radio-interferentie is aanzienlijk beter dan die van FSK. FSK-systemen werken alleen correct als het stoorsignaal minimaal is 10 dB zwakker dan het nuttige signaal. in het beste geval, LoRa-systemen kunnen nog steeds het nuttige signaal ontvangen als het interferentiesignaal dat is 20 dB sterker dan het nuttige signaal.

Beperkingen

Aan de bovenstaande afbeelding kunt u zien dat LoRa ongeveer kan ontvangen 30 dB zwakkere signalen dan bij FSK. Echter, er zijn twee beperkingen die dit grote verschil enigszins relativeren.

• Eerste, de LoRa-modulatie is breedband dan de FSK-modulatie, wat betekent dat het geluidsniveau van de LoRa-ontvanger over het algemeen hoger is dan dat van de FSK-ontvanger. Concreet, verdubbeling van de bandbreedte verhoogt het geluidsniveau met 3 dB.
• Ten tweede, LoRa kan slechts een nuttig signaal ontvangen tot 20 dB onder het geluidsniveau bij zeer lage datasnelheden van ≤ 0.5 kbit / s. Zodra de datasnelheid wordt verhoogd, ofwel neemt de negatieve signaal-ruisverhouding verder toe tot nul of moet de bandbreedte verder worden vergroot, wat op zijn beurt het geluidsniveau verhoogt.

Vergelijkingsmeting tussen LoRa en FSK

Om erachter te komen hoe goed LoRa werkelijk is, er moet een directe vergelijking tussen LoRa en FSK worden uitgevoerd. Voor dit doeleinde, onze eerder gebruikte standaard FSK-transceivers (CC1020 en CC1101) worden vergeleken met de gegevens van de LoRa / FSK-zendontvanger SX1261.

ZendontvangerModulatie 

Maximale gevoeligheid volgens het gegevensblad

DatasnelheidRX- bandbreedte
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

Volgens de informatie uit de datasheets, LoRa behaalt minimaal een 24dB betere maximale gevoeligheid dan met de beste FSK-transceiver (SX1261). Vergeleken met de oude FSK-transceivers (CC1020 en CC1101), de maximale gevoeligheid is gelijk 31 of 33 dB beter. Aangezien kan worden aangenomen dat het radiobereik voor iedereen kan worden verdubbeld 10 dB meer gevoeligheid, een 4 naar 8 keer moet het radiobereik mogelijk zijn met LoRa in vergelijking met FSK.

Echter, het valt ook op dat de maximale LoRa-gevoeligheid wordt bereikt met een extreem lage datasnelheid van slechts 0.02 kbit / s. Om een ​​directe te verkrijgen, zinvolle vergelijking tussen de verschillende transceivers, de gevoeligheid van alle zendontvangers wordt bepaald met dezelfde datasnelheid. Volgens de fabrikant van Semtech, LoRa zou ongeveer moeten presteren 7 naar 10 dB meer gevoeligheid bij dezelfde datasnelheid als FSK.

Onze eigen metingen hebben de volgende resultaten opgeleverd:

DatasnelheidGevoeligheid
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

De SX1261-transceiver met LoRa-modulatie bereikt 4 – 6 dB gevoeliger dan met FSK-modulatie. In vergelijking met de CC1020 8 – 11 dB en in vergelijking met de CC1101 13 – 17 dB meer gevoeligheid wordt bereikt. Opvallend is dat hoe lager de datasnelheid wordt gekozen, hoe meer gevoeligheid kan worden behaald met LoRa.

Een andere kijk toont het energiebesparende potentieel van LoRa. Om dezelfde gevoeligheid te bereiken als bij FSK, ongeveer 4 maal de datasnelheid kan worden gebruikt met LoRa. Zo wordt hetzelfde radiotelegram 4 keer korter en het energieverbruik daalt ook met een factor 4.

Gevolgtrekking:

Zoals bij alle radiozendontvangers, de maximale LoRa-gevoeligheid van -149 dBm wordt alleen bereikt bij de laagste datasnelheid. Deze datasnelheid voor LoRa is slechts ongeveer. 0.02 kbit / s en is daarom voor veel toepassingen onbruikbaar. Echter, als zulke lage datasnelheden kunnen worden gebruikt, 4 keer is het radiobereik theoretisch mogelijk in vergelijking met moderne FSK-transceivers.

Als de LoRa-datasnelheid wordt verhoogd tot 1.2 kBit / s tot 10 kBit / s, LoRa behaalt ca.. 4-6 dB meer gevoeligheid vergeleken met moderne FSK-transceivers. Vergeleken met oudere FSK-transceivers zoals de CC1101 of CC1020, het radiobereik kan zelfs worden verdubbeld of verdrievoudigd met LoRa.

Er is een interessante energiebesparende optie in toepassingen waar de huidige FSK-gevoeligheid voldoende was. Als dezelfde gevoeligheid moet worden bereikt met LoRa, de datasnelheid kan worden verhoogd met een factor 4 vergeleken met FSK, waarbij het energieverbruik ook kan worden verlaagd met een factor 4.

Voor ons, LoRa-technologie is een interessant alternatief voor toepassingen met datasnelheden tot 10 kbit / s, aangezien het radiobereik enorm kan worden vergroot in vergelijking met de oudere transceivers. Bijzonder interessant voor ons is de mogelijkheid om verbinding te maken met het LoRaWAN-netwerk, dit betekent dat IoT-toepassingen praktisch overal op het internet kunnen worden aangesloten.

Met onze LoRa-module “TRX433-70” we zijn klaar voor toekomstige innovatieve LoRa-projecten.

Radiotransmissie met LoRa

De meterstanden, schakelopdrachten en andere informatie kunnen op verschillende manieren worden overgedragen van de concentratormodule naar de router en terug. Als de bekabelde transmissie niet mogelijk of te duur is, radiotransmissie met LoRa kan een alternatief zijn voor lezen op afstand.

De LoRa-radiostandaard

LoRa staat voor Long Range, d.w.z. hoog (radio) bereik en is een alternatieve radiostandaard voor de bekende technologieën zoals UMTS of LTE. In veel landen, LoRa heeft zich al gevestigd als basis voor een communicatiestandaard in het zogenaamde Internet of Things (IoT), voor machine-to-machine (M2M) communicatie en voor industrie en smart city-toepassingen.

De LoRa-radiostandaard, net als andere radiotechnologieën, gebruikt de gratis LoRa-frequentiebanden van de licentievrije ISM-banden (Industrieel, Wetenschappelijk en medisch). In Europa, dit zijn de bands in de 433 en 868 MHz-bereik. Door een speciale radioprocedure te gebruiken, de zogenaamde frequentiespreiding, de technologie is bijna immuun voor interferentie. Het bereik tussen zender en ontvanger ligt tussen 2 en 15 km, afhankelijk van de omgeving en de bebouwde kom. Vanwege de hoge gevoeligheid van -137 dBm, hoge penetratie van gebouwen kan worden bereikt. De radiosignalen dringen diep door in het interieur van gebouwen en kelders. Vooral op campings waar de metalen afdekkingen van caravans en stacaravans de signaalsterkte van WLAN vaak verzwakken, radiotransmissie met LoRa is hier superieur. De datasnelheid bij LoRa ligt tussen 0.3 en 50 kbit / s.

Aanvragen voor LoRa

LoRa wordt voornamelijk gebruikt in toepassingen waarbij op een zeer energiezuinige manier zeer weinig gegevens over een lange afstand moeten worden overgedragen. Deze gegevens zijn meestal gemeten waarden, statussignalen of gemanipuleerde waarden.

Verschillen tussen WLAN, LoRa en mobiele radio

WLAN en mobiele radio zijn ontworpen om grote hoeveelheden gegevens te verzenden. Relatief korte afstanden worden geaccepteerd. LoRa, anderzijds, is geoptimaliseerd voor de verzending van kleine hoeveelheden gegevens over grote afstanden. De volgende tabel laat enkele verschillen zien tussen de verschillende radiostandaarden.

 

WLANLoRAMobiel
Belde<100 m2.000-3.000(stad)

>10.000 m (land)

<300 m (stad)

<10.000 m (land)

 

Max. datasnelheid

6.933 Mbit / s50 kbit / s1.000 Mbit / s
KostenMediumLaagHeel hoog
LoRa-frequentie2.4 GHz

5 GHz

60 GHz

433 MHz

868 MHz

800 MHz

900 MHz

1.800 MHz

2.100 MHz

2.600 MHz

Max. zendvermogen1.000 mW25 mW20-50 w (Basisstation)

200 Mw (Eindapparaten)

LoRaWAN (lange afstand wide area network)

WAN's met laag vermogen (LPWAN's) zijn netwerkconcepten voor het internet der dingen (IoT) en machine-naar-machine communicatie (M2M). LPWAN's worden gekenmerkt door het feit dat ze afstanden tot maximaal kunnen overbruggen 50 km en hebben zeer weinig energie nodig. Er zijn verschillende technische benaderingen om de LPWAN's te realiseren. Een van ETSI: ETSI GS LTN, andere namen zijn LoRaWAN, Gewichtloos en RPMA, wat staat voor Random Phase Multiple Access.

Zodat de overbrugbare afstand niet teveel wordt belemmerd door de verzwakking van de vrije ruimte, sommige van de genoemde LPWAN-concepten gebruiken frequenties in ISM-banden op 433 MHz en 868 MHz. Weinigen werken ook in de ISM-band bij 2.4 GHz.

Bijvoorbeeld, wat betreft SigFox als LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), het gebruikt de ISM-band op 868 MHz (VS 915 MHz) in Europa. Het overbrugbare afstandsbereik is voorbij 5 km in de bebouwde kom en meer 15 km buiten de stad. Er zijn ook radiozendontvangers in het LoRa-frequentiebereik van 2.4 GHz waarmee een bereik van 10 km kan worden overbrugd. LoRa-transmissie is een combinatie van Chirp Spread Spectrum (CSS) en Software Defined Radio (SDR). Een belangrijk voordeel is dat signalen die aan staan 20 dB onder het geluidsniveau kan nog steeds worden gedetecteerd. Het LoRaWAN-concept ondersteunt bidirectionele communicatie, mobiliteit en locatiegebaseerde diensten.

Karakteristieke waardenLoRaWAN
 

Frequentiebereik

 

ISM-band, 433 MHz, 868 MHz (ME), 915 MHz (VS)

ModulatieChirp verspreid spectrum (CSS)
Kanaal Brits8*125 KHz (ME),

64*125KHz,8*125KHz(VS)

 

Pakketgrootte

 

Bepaald door de gebruiker

Datasheet Up / Down300 bit / s 50 kbit / s (ME)

900 bit / s naar 100 kbit / s(VS)

 

topologie

 

Topologie van sterren

 

afstand

Tot 5 km in bebouwde kom

Tot 15 km in landelijke omgeving

 

De eindapparaten zijn aangesloten op een basisstation, die op zijn beurt de informatie ontvangt die versleuteld is van een backbone via TCP / IP en het SSL-protocol.
Om ervoor te zorgen dat de batterijduur van de eindcomponenten zo lang mogelijk is, alle datasnelheden en de RF-uitgangssignalen worden beheerd door het LoRaWAN-netwerk en de eindcomponenten worden bestuurd via een adaptieve datasnelheid (ADR). Er zijn apparaatklassen met drie terminals: Klasse A-apparaten kunnen bidirectioneel communiceren en hebben een gepland transmissievenster in de uplink, Klasse B-apparaten hebben ook een gepland transmissievenster in de downlink en het transmissievenster voor Klasse C-apparaten is continu open. De LoRaWAN-technologie is gestandaardiseerd door de LoRa Alliance.

LoRaWan – Framework voor draadloze netwerken

LoRaWan is een specificatie en beschrijft een raamwerk voor draadloze netwerken. Het wordt gebruikt in netwerken met weinig dataverkeer, bijvoorbeeld in sensornetwerken. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) is een zogenaamde LPWAN (Low Power Wide Area Network) protocol. Dit artikel toont de frequenties die door LoRaWan worden gebruikt en de beschikbare klassen eindapparaten.

De LoRa-frequentie varieert in verschillende regio's van de wereld. Echter, het is hier nodig om meer informatie te krijgen voordat u een LoRa-apparaat opstart om de juiste frequentie in te stellen. De volgende tabel toont de juiste frequenties voor elk land of continent:

LoRaWan wordt ook behandeld als een stertopologie. Gateways sturen berichten van de eindapparaten door naar een specifieke toegangsserver. De gateways zijn verbonden via de standaard server via standaard internetverbindingen.

Bidirectionele apparaten
Er zijn drie belangrijke bidirectionele klassen die door End worden afgehandeld:

Klasse A, eerste klasse

De uplinkgegevens zijn altijd afkomstig van het eindapparaat. Het uplinkbericht wordt gevolgd door 2 korte ontvangstvensters voor downlink-berichten. Deze downlinkberichten kunnen ook worden opgenomen voor bevestigingsberichten en voor apparaatparameters. Omdat de communicatie tussen de terminal en de gateway alleen vanaf de terminal zal zijn, er kan een wachttijd zijn tussen de gedetailleerde nieuwe apparaatparameters en de implementatie van de terminal.

Tussen de daadwerkelijke verzendtijdcontacten, Apparaten van klasse A kunnen hun LoRa-module volledig in een energiebesparende modus zetten. Dit zal de energie-efficiëntie veranderen.

Klasse B

Klasse B, anderen naar de foutvensters van klasse A., worden verdere ontvangstvensters. Apparaten van klasse B worden gesynchroniseerd via cyclisch verzonden bakens. Deze bakens worden gebruikt om te communiceren, en andere receptievensters zijn open op andere momenten. Het verlies is dat de latentie vooraf kan worden bepaald, het verlies van energieverbruik als onderdeelnummer. Echter, het energieverbruik blijft laag genoeg voor toepassingen op batterijen.

Klasse C

Klasse C vermindert de latentie voor de downlink aanzienlijk, aangezien het ontvangstvenster van het eindapparaat altijd hoorbaar is, zolang het apparaat zelf geen berichten geeft. Om deze reden, de vertrouwde server kan een downlink-verzending starten. Een tijdsverandering tussen klasse A en C is met name belangrijk in juridische contracten op batterijen, bijvoorbeeld, “firmware-over-the-air” updates.

RegioDe LoRa-frequentie
Europa863-870 MHz

433 MHz

ONS902-928 MHz
China470-510 MHz

779-787 MHz

Australisch915-928 MHz
Indisch865-867 MHz
Azië433 MHz
Noord Amerika915 MHz