Qual é a tecnologia por trás da frequência LoRa

Faixa de frequência LoRa

LoRa usa o CSS (Chirp Spread Spectrum) modulação que utiliza um método de espalhamento de frequência como técnica de modulação. Os chamados pulsos de chirp são enviados como símbolos, que aumentam ou diminuem na frequência LoRa continuamente ao longo do tempo. A transmissão de dados é então realizada pela sequência sequencial desses pulsos chirp.

Frequência LoRa

Propriedades especiais

Uma vez que LoRa trabalha nas bandas de frequência ISM (433 MHz, 868 MHz e 915 MHz), a potência de transmissão irradiada é limitada. Para ter um alcance de rádio maior do que os tipos de modulação convencionais, como Para alcançar FSK (Chaveamento de mudança de freqüência), a sensibilidade do receptor foi significativamente melhorada com LoRa. O receptor LoRa ainda pode receber e decodificar com sucesso um sinal LoRa útil até 20 dB abaixo do nível de ruído, o que resulta em uma sensibilidade do receptor de no máximo -149 dBm. Comparado com a sensibilidade FSK máxima de aprox. –125 dBm a -130 dBm, LoRa oferece uma melhoria significativa. Com o receptor FSK, o sinal só pode ser decodificado com sucesso se o sinal útil for de aprox.

Força de frequência e sinal LoRa

Graças à propriedade de que LoRa ainda pode receber com sucesso um sinal útil até 20 dB abaixo do nível de ruído, a robustez à interferência de rádio é significativamente melhor do que a do FSK. Os sistemas FSK só funcionam corretamente se o sinal de interferência for de pelo menos 10 dB mais fraco que o sinal útil. No melhor caso, Os sistemas LoRa ainda podem receber o sinal útil se o sinal de interferência for 20 dB mais forte do que o sinal útil.

Limitações

No gráfico acima, você pode ver que LoRa pode receber sobre 30 sinais dB mais fracos do que com FSK. Contudo, existem duas restrições que relativizam de certa forma essa grande diferença.

• Primeiro, a modulação LoRa é de banda larga do que a modulação FSK, o que significa que o nível de ruído do receptor LoRa é geralmente maior do que o do receptor FSK. Especificamente, dobrar a largura de banda aumenta o nível de ruído em 3 dB.
• Em segundo lugar, LoRa só pode receber um sinal útil até 20 dB abaixo do nível de ruído em taxas de dados muito lentas de ≤ 0.5 kbit / s. Assim que a taxa de dados aumentar, ou a relação sinal-ruído negativa aumenta ainda mais para zero ou a largura de banda tem que ser aumentada ainda mais, que por sua vez aumenta o nível de ruído.

Medição de comparação entre LoRa e FSK

Para descobrir o quão bom LoRa realmente é, uma comparação direta entre LoRa e FSK deve ser realizada. Para esse fim, nossos transceptores FSK padrão usados ​​anteriormente (CC1020 e CC1101) são comparados com os dados do LoRa / Transceptor FSK SX1261.

TransceptorModulação 

Sensibilidade máxima de acordo com a folha de dados

Taxa de dadosRX- largura de banda
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

De acordo com as informações das fichas técnicas, LoRa atinge pelo menos uma sensibilidade máxima de 24dB melhor do que com o melhor transceptor FSK (SX1261). Comparado com os antigos transceptores FSK (CC1020 e CC1101), a sensibilidade máxima é uniforme 31 ou 33 dB melhor. Uma vez que pode ser assumido que o alcance do rádio pode ser dobrado para cada 10 dB mais sensibilidade, uma 4 para 8 vezes o alcance do rádio deve ser possível com LoRa em comparação com FSK.

Contudo, também é perceptível que a sensibilidade LoRa máxima é alcançada com uma taxa de dados extremamente lenta de apenas 0.02 kbit / s. A fim de obter um direto, comparação significativa entre os diferentes transceptores, a sensibilidade de todos os transceptores é determinada na mesma taxa de dados. De acordo com o fabricante da Semtech, LoRa teria que alcançar cerca de 7 para 10 dB mais sensibilidade com a mesma taxa de dados que FSK.

Nossas próprias medições deram os seguintes resultados:

Taxa de dadosSensibilidade
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

O transceptor SX1261 com modulação LoRa atinge 4 – 6 dB mais sensibilidade do que com modulação FSK. Em comparação com o CC1020 8 – 11 dB e em comparação com o CC1101 13 – 17 dB mais sensibilidade é alcançada. É impressionante que quanto menor a taxa de dados escolhida, mais ganho de sensibilidade pode ser alcançado com LoRa.

Outra visão mostra o potencial de economia de energia de LoRa. A fim de atingir a mesma sensibilidade que com FSK, aproximadamente 4 vezes a taxa de dados pode ser usada com LoRa. O mesmo telegrama de rádio torna-se assim 4 vezes mais curtos e o consumo de energia também cai por um fator de 4.

Conclusão:

Tal como acontece com todos os transceptores de rádio, a sensibilidade LoRa máxima de -149 dBm só é alcançado na taxa de dados mais baixa. Esta taxa de dados para LoRa é de apenas aprox. 0.02 kbit / se é, portanto, inutilizável para muitos aplicativos. Contudo, se essas taxas de dados baixas podem ser usadas, 4 vezes o alcance do rádio é teoricamente possível em comparação com os transceptores FSK modernos.

Se a taxa de dados LoRa for aumentada para 1.2 kBit / s para 10 kBit / s, LoRa atinge aprox. 4-6 dB mais sensibilidade em comparação com os transceptores FSK modernos. Comparado com transceptores FSK mais antigos, como CC1101 ou CC1020, o alcance do rádio pode até ser duplicado ou triplicado com LoRa.

Há uma opção de economia de energia interessante em aplicações onde a sensibilidade FSK atual foi suficiente. Se a mesma sensibilidade for alcançada com LoRa, a taxa de dados pode ser aumentada por um fator de 4 em comparação com FSK, em que o consumo de energia também pode ser reduzido por um fator de 4.

Para nós, A tecnologia LoRa representa uma alternativa interessante para aplicativos com taxas de dados de até 10 kbit / s, uma vez que o alcance do rádio pode ser aumentado enormemente em comparação com os transceptores mais antigos. De particular interesse para nós é a possibilidade de se conectar à rede LoRaWAN, pois isso significa que os aplicativos IoT podem ser conectados à Internet em praticamente qualquer lugar.

Com nosso módulo LoRa “TRX433-70” estamos prontos para futuros projetos LoRa inovadores.

Transmissão de rádio com LoRa

As leituras do medidor, comandos de comutação e outras informações podem ser transmitidos do módulo concentrador para o roteador e vice-versa de várias maneiras. Se a transmissão com fio não for possível ou muito cara, a transmissão de rádio com LoRa pode ser uma alternativa para leitura remota.

O padrão de rádio LoRa

LoRa significa Long Range, isto é. Alto (rádio) alcance e é um padrão de rádio alternativo às tecnologias conhecidas, como UMTS ou LTE. Em muitos países, LoRa já se estabeleceu como base para um padrão de comunicação na chamada Internet das Coisas (IoT), para máquina a máquina (M2M) comunicação e para aplicações industriais e de cidades inteligentes.

O padrão de rádio LoRa, como outras tecnologias de rádio, usa as bandas de frequência LoRa gratuitas das bandas ISM sem licença (Industrial, Científico e Médico). Na Europa, essas são as bandas no 433 e 868 Alcance de MHz. Usando um procedimento especial de rádio, a chamada propagação de frequência, a tecnologia é quase imune a interferências. O intervalo entre o transmissor e o receptor está entre 2 e 15 km, dependendo do ambiente e da área construída. Devido à alta sensibilidade de -137 dBm, alta penetração de edifícios pode ser alcançada. Os sinais de rádio penetram profundamente no interior de edifícios e porões. Especialmente em acampamentos onde as tampas metálicas das caravanas e casas móveis costumam enfraquecer a intensidade do sinal de WLAN, a transmissão de rádio com LoRa é superior aqui. A taxa de dados em LoRa está entre 0.3 e 50 kbit / s.

Inscrições para LoRa

LoRa é usado principalmente em aplicações em que poucos dados devem ser transmitidos a longa distância de uma maneira que economiza energia. Esses dados são geralmente valores medidos, sinais de status ou valores manipulados.

Diferenças entre WLAN, LoRa e rádio móvel

WLAN e rádio móvel são projetados para transmitir grandes quantidades de dados. Alcances relativamente curtos são aceitos. LoRa, por outro lado, é otimizado para a transmissão de pequenas quantidades de dados em grandes distâncias. A tabela a seguir mostra algumas diferenças entre os diferentes padrões de rádio.

 

WLANLoRACelular
Tocou<100 m2.000-3.000(cidade)

>10.000 m (país)

<300 m (cidade)

<10.000 m (país)

 

Máx.. taxa de dados

6.933 Mbit / s50 kbit / s1.000 Mbit / s
CustosMédioBaixoMuito alto
Frequência LoRa2.4 GHz

5 GHz

60 GHz

433 MHz

868 MHz

800 MHz

900 MHz

1.800 MHz

2.100 MHz

2.600 MHz

Máx.. poder de transmissão1.000 mW25 mW20-50 W (Estação base)

200 Mw (Dispositivos terminais)

LoRaWAN (rede de longa distância de longa distância)

WANs de baixa potência (LPWANs) são conceitos de rede para a Internet das Coisas (IoT) e comunicação máquina a máquina (M2M). LPWANs são caracterizados pelo fato de que podem cobrir distâncias de até 50 km e requerem muito pouca energia. Existem várias abordagens técnicas para realizar os LPWANs. Um da ETSI: ETSI GS LTN, outros nomes são LoRaWAN, Sem peso e RPMA, que significa Random Phase Multiple Access.

Para que a distância em ponte não seja muito prejudicada pela atenuação do espaço livre, alguns dos conceitos LPWAN mencionados usam frequências em bandas ISM em 433 MHz e 868 MHz. Poucos também trabalham na banda ISM em 2.4 GHz.

Por exemplo, no que diz respeito a SigFox como LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), ele usa a banda ISM em 868 MHz (EUA 915 MHz) na Europa. O alcance da distância em ponte acabou 5 km na área urbana e mais 15 km fora da cidade. Existem também transceptores de rádio na faixa de frequência LoRa de 2.4 GHz com o qual uma faixa de 10 km podem ser transpostos. A transmissão LoRa é uma combinação de Chirp Spread Spectrum (CSS) e rádio definido por software (SDR). Uma das principais vantagens é que os sinais que vão até 20 dB abaixo do nível de ruído ainda podem ser detectados. O conceito LoRaWAN suporta comunicação bidirecional, mobilidade e serviços baseados em localização.

Valores característicosLoRaWAN
 

Alcance de frequência

 

Banda ISM, 433 MHz, 868 MHz (EU), 915 MHz (EUA)

ModulaçãoEspectro de propagação chirp (CSS)
Canal britânico8*125 KHz (EU),

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

 

Tamanho do pacote

 

Determinado pelo usuário

Folha de dados para cima / para baixo300 bit / s 50 kbit / s (EU)

900 bit / s para 100 kbit / s(EUA)

 

topologia

 

Topologia em estrela

 

distância

Até 5 km em áreas construídas

Até 15 km na zona rural

 

Os dispositivos finais são conectados a uma estação base, que por sua vez recebe as informações criptografadas de um backbone via TCP / IP e o protocolo SSL.
Para garantir que a vida útil da bateria dos componentes finais seja tão longa quanto possível, todas as taxas de dados e os sinais de saída de RF são gerenciados pela rede LoRaWAN e os componentes finais são controlados por meio de uma taxa de dados adaptativa (ADR). Existem três classes de dispositivos terminais: Dispositivos de classe A podem se comunicar bidirecionalmente e ter uma janela de transmissão planejada no uplink, dispositivos de classe B também têm uma janela de transmissão planejada no downlink e a janela de transmissão para dispositivos de classe C está continuamente aberta. A tecnologia LoRaWAN é padronizada pela LoRa Alliance.

LoRaWan – Framework para redes sem fio

LoRaWan é uma especificação e descreve uma estrutura para redes sem fio. É usado em redes com pouco tráfego de dados, por exemplo em redes de sensores. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) é um chamado LPWAN (Rede de longa distância de baixa potência) protocolo. Este artigo mostra as frequências usadas pelo LoRaWan e as classes disponíveis de dispositivos finais.

A frequência LoRa varia em diferentes regiões do mundo. Contudo, é necessário aqui obter mais informações antes de iniciar um dispositivo LoRa para definir a frequência correta. A tabela a seguir mostra as frequências corretas para cada país ou continente:

LoRaWan também é tratado como uma topologia em estrela. Os gateways encaminham mensagens dos dispositivos finais para um servidor de acesso específico. Os gateways são conectados por meio do servidor padrão por meio de conexões de Internet padrão.

Dispositivos bidirecionais
Existem três classes bidirecionais principais tratadas por End:

Classe A

Os dados de uplink sempre se originam do dispositivo final. A mensagem do uplink é seguida por 2 janelas curtas de recepção para mensagens de downlink. Essas mensagens de downlink também podem ser incluídas para mensagens de confirmação, bem como para parâmetros do dispositivo. Uma vez que a comunicação entre o terminal e o gateway será apenas a partir do terminal, pode haver um tempo de espera entre os parâmetros detalhados do novo dispositivo e a implementação do terminal.

Entre os contatos de tempo de transmissão real, Dispositivos Classe A podem colocar seu módulo LoRa completamente em um modo de economia de energia. Isso mudará a eficiência energética.

Classe B

Classe B, outros para as janelas de falha da classe A, tornam-se mais janelas de recepção. Dispositivos de classe B são sincronizados por beacons enviados ciclicamente. Esses beacons são usados ​​para se comunicar, e outras janelas de recepção estão abertas em outros momentos. A perda é que a latência pode ser determinada com antecedência, a perda de consumo de energia como um número de componente. Contudo, o consumo de energia permanece baixo o suficiente para aplicações operadas por bateria.

Classe C

Classe C reduz significativamente a latência para o downlink, uma vez que a janela de recepção do dispositivo final é sempre ouvida, desde que o próprio dispositivo não dê nenhuma mensagem. Por esta razão, o servidor confiável pode iniciar uma transmissão de downlink. Uma mudança de horário entre as classes A e C é particularmente importante em contratos legais movidos a bateria, por exemplo, “firmware over the air” atualizações.

RegiãoA frequência LoRa
Europa863-870 MHz

433 MHz

NOS902-928 MHz
China470-510 MHz

779-787 MHz

australiano915-928 MHz
indiano865-867 MHz
Ásia433 MHz
América do Norte915 MHz

 

Fale com um especialista