Какая технология лежит в основе частот LoRa?

Частотный диапазон LoRa

LoRa использует CSS (Чирик Спред Спектрум) модуляция, которая использует метод расширения частоты в качестве метода модуляции. Так называемые импульсы ЛЧМ отправляются в виде символов, которые увеличивают или уменьшают частоту LoRa непрерывно с течением времени. Передача данных затем осуществляется последовательной последовательностью этих ЛЧМ-импульсов..

Частота LoRa

Специальные свойства

Поскольку LoRa работает в полосах частот ISM (433 МГц, 868 МГц и 915 МГц), излучаемая мощность передачи ограничена. Для того, чтобы иметь больший диапазон радиосвязи, чем обычные типы модуляции, такие как Для достижения FSK (Переключение частот), чувствительность приемника была значительно улучшена с LoRa. Приемник LoRa все еще может успешно принимать и декодировать полезный сигнал LoRa до 20 дБ ниже уровня шума, что приводит к чувствительности приемника максимум -149 дБм. По сравнению с максимальной чувствительностью FSK ок.. –125 дБм до -130 дБм, LoRa предлагает значительное улучшение. С приемником ФСК, сигнал может быть успешно декодирован, только если полезный сигнал.

LoRa-частота и уровень сигнала

Благодаря тому, что LoRa все еще может успешно получать полезный сигнал до 20 дБ ниже уровня шума, устойчивость к радиопомехам значительно лучше, чем у FSK. Системы FSK работают правильно, только если сигнал помехи по крайней мере 10 дБ слабее полезного сигнала. В лучшем случае, Системы LoRa все еще могут получать полезный сигнал, если сигнал помехи 20 дБ сильнее, чем полезный сигнал.

Ограничения

Из приведенного выше рисунка видно, что LoRa может получать около 30 дБ слабые сигналы, чем с FSK. тем не мение, Есть два ограничения, которые в некоторой степени относят эту большую разницу.

• Первый, модуляция LoRa является более широкополосной, чем модуляция FSK, Это означает, что уровень шума приемника LoRa обычно выше, чем у приемника FSK. конкретно, удвоение полосы пропускания увеличивает уровень шума на 3 децибел.
• во-вторых, LoRa может получить только полезный сигнал до 20 дБ ниже уровня шума при очень медленных скоростях передачи данных ≤ 0.5 кбит / s. Как только скорость передачи данных увеличивается, либо отрицательное отношение сигнал / шум увеличивается далее к нулю, либо полоса пропускания должна быть еще больше увеличена, что в свою очередь увеличивает уровень шума.

Сравнение измерений между LoRa и FSK

Чтобы узнать, насколько хорош LoRa, следует провести прямое сравнение между LoRa и FSK. Для этого, наши ранее используемые стандартные приемопередатчики FSK (CC1020 и CC1101) сравниваются с данными из LoRa / FSK трансивер SX1261.

приемопередатчикмодуляция 

Максимальная чувствительность в соответствии с таблицей

Скорость передачи данныхRX- пропускная способность
CC1020FSK-118 дБм2.4 кБит / сек12.5 кГц
CC1101FSK-116 дБм0.6 кБит / сек58 кГц
SX1261FSK-125 дБм0.6 кБит / сек4 кГц
SX1261Lora-149.2 дБм0.02 кБит / сек8 кГц

По информации из таблиц, LoRa достигает максимальной чувствительности как минимум на 24 дБ лучше, чем с лучшим трансивером FSK (SX1261). По сравнению со старыми приемопередатчиками FSK (CC1020 и CC1101), максимальная чувствительность даже 31 или 33 дБ лучше. Поскольку можно предположить, что диапазон радиосвязи может быть удвоен для каждого 10 дБ больше чувствительности, a 4 в 8 раз радиопередача должна быть возможной с LoRa по сравнению с FSK.

тем не мение, также заметно, что максимальная чувствительность LoRa достигается при чрезвычайно медленной скорости передачи данных, равной всего 0.02 кбит / s. Для того, чтобы получить прямой, значимое сравнение между различными трансиверами, чувствительность всех приемопередатчиков определяется на одной скорости передачи данных. По словам производителя Semtech, LoRa должен был бы достичь примерно 7 в 10 дБ больше чувствительности при той же скорости передачи данных, что и FSK.

Наши собственные измерения дали следующие результаты:

Скорость передачи данныхчувствительность
CC1020CC1101SX1261SX1261
FSKФСК дБмFSKLora
1.2 кБит / сек-117 дБм-112 дБм-123 дБм-129 дБм
2.4 кБит / сек-117 дБм-111 дБм-121 дБм-126 дБм
4.8 кБит / сек-114 дБм-109 дБм-118 дБм-123 дБм
9.6 кБит / сек-112 дБм-107 дБм-116 дБм-120 дБм

Приемопередатчик SX1261 с модуляцией LoRa достигает 4 – 6 дБ больше чувствительности, чем с FSK модуляцией. По сравнению с CC1020 8 – 11 дБ и по сравнению с CC1101 13 – 17 дБ достигается более высокая чувствительность. Поразительно, что ниже выбрана скорость передачи данных, больше чувствительности можно достичь с помощью LoRa.

Другое представление показывает потенциал энергосбережения LoRa. Для достижения такой же чувствительности, как с FSK, примерно 4 раз скорость передачи данных может быть использована с LoRa. Таким образом, та же радиограмма становится 4 раз короче, и потребление энергии также падает в 4.

Вывод:

Как со всеми радиопередатчиками, максимальная чувствительность LoRa -149 дБм достигается только при самой низкой скорости передачи данных. Скорость передачи данных для LoRa составляет всего около. 0.02 кбит / s и, следовательно, непригоден для многих приложений. тем не мение, если такие низкие скорости передачи данных могут быть использованы, 4 раз радиодиапазон теоретически возможен по сравнению с современными приемопередатчиками FSK.

Если скорость передачи данных LoRa увеличивается до 1.2 кБит / с 10 кБит / s, LoRa достигает приблизительно. 4-6 более высокая чувствительность по сравнению с современными приемопередатчиками FSK. По сравнению с более старыми приемопередатчиками FSK, такими как CC1101 или CC1020, диапазон радиосвязи может даже удвоиться или утроиться с помощью LoRa.

Существует интересная опция энергосбережения в приложениях, где текущая чувствительность FSK была достаточной. Если такая же чувствительность достигается с помощью LoRa, скорость передачи данных может быть увеличена в 4 по сравнению с ФСК, в результате чего потребление энергии также может быть уменьшено в 4.

Для нас, Технология LoRa представляет интересную альтернативу для приложений со скоростями передачи данных до 10 кбит / s, поскольку радиодиапазон может быть значительно увеличен по сравнению со старыми трансиверами. Особый интерес для нас представляет возможность подключения к сети LoRaWAN., поскольку это означает, что приложения IoT могут быть подключены к Интернету практически в любом месте.

С нашим модулем LoRa “TRX433-70” мы готовы к будущим инновационным проектам LoRa.

Радиопередача с LoRa

Показания счетчика, Команды переключения и другая информация могут передаваться из модуля концентратора в маршрутизатор и обратно различными способами.. Если проводная передача невозможна или слишком дорога, радиопередача с LoRa может быть альтернативой для удаленного чтения.

Радиостандарт LoRa

LoRa означает Long Range, т.е.. высокая (радио) диапазон и является альтернативным стандартом радиосвязи для известных технологий, таких как UMTS или LTE. Во многих странах, LoRa уже зарекомендовала себя как основа для стандарта связи в так называемом Интернете вещей (IoT), для машины к машине (M2M) связь и для промышленности и приложений умного города.

Радиостандарт LoRa, как и другие радиотехнологии, использует свободные полосы частот LoRa из безлимитных диапазонов ISM (промышленные, Научно-медицинский). В Европе, это полосы в 433 и 868 Диапазон МГц. С помощью специальной процедуры радио, так называемый частотный разброс, технология практически невосприимчива к помехам. Диапазон между передатчиком и приемником находится между 2 и 15 км, в зависимости от окружающей среды и застройки. Из-за высокой чувствительности -137 дБм, высокая проницаемость зданий может быть достигнута. Радиосигналы проникают глубоко внутрь помещений и подвалов. Особенно в кемпингах, где металлические покрытия караванов и домов на колесах часто ослабляют уровень сигнала WLAN, радиопередача с LoRa здесь лучше. Скорость передачи данных в LoRa находится между 0.3 и 50 кбит / s.

Приложения для LoRa

LoRa в основном используется в приложениях, в которых очень мало данных должно передаваться на большое расстояние с очень энергосберегающим способом. Эти данные обычно являются измеренными значениями, сигналы состояния или манипулируемые значения.

Отличия между WLAN, LoRa и мобильное радио

WLAN и мобильная радиосвязь предназначены для передачи больших объемов данных.. Относительно короткие диапазоны принимаются. Lora, с другой стороны, оптимизирован для передачи небольших объемов данных на большие расстояния. В следующей таблице приведены некоторые различия между различными стандартами радиосвязи.

 

WLANLoraСотовая связь
Позвонил<100 м2.000-3.000(город)

>10.000 м (страна)

<300 м (город)

<10.000 м (страна)

 

Максимум. скорость передачи данных

6.933 Мбит / с50 кбит / с1.000 Мбит / с
РасходысреднийНизкийОчень высоко
LoRa частота2.4 ГГц

5 ГГц

60 ГГц

433 МГц

868 МГц

800 МГц

900 МГц

1.800 МГц

2.100 МГц

2.600 МГц

Максимум. мощность передачи1.000 мВт25 мВт20-50 вес (Базовая станция)

200 мегаватт (Оконечные устройства)

LoRaWAN (дальняя глобальная сеть)

WAN с низким энергопотреблением (LPWANs) сетевые концепции для Интернета вещей (IoT) и межмашинная связь (M2M). LPWAN характеризуются тем, что они могут преодолевать расстояния до 50 км и требуют очень мало энергии. Есть несколько технических подходов к реализации LPWAN. Один из ETSI: ETSI GS LTN, другие имена LoRaWAN, Невесомая и РПМА, который обозначает множественный доступ случайной фазы.

Так что затухание в свободном пространстве не слишком сильно влияет на мостовое расстояние, некоторые из упомянутых концепций LPWAN используют частоты в диапазонах ISM в 433 МГц и 868 МГц. Немногие также работают в группе ISM на 2.4 ГГц.

Например, что касается SigFox как LoRaWAN (Глобальная сеть дальнего радиуса действия), он использует диапазон ISM в 868 МГц (Соединенные Штаты Америки 915 МГц) в Европе. Диапазон пройденного расстояния закончен 5 км в городской местности и более 15 км за городом. Есть также радиоприемопередатчики в диапазоне частот LoRa 2.4 ГГц с которым диапазон 10 км можно преодолеть. LoRa трансмиссия представляет собой комбинацию Chirp Spread Spectrum (CSS) и программно-определяемое радио (SDR). Ключевым преимуществом является то, что сигналы, которые до 20 дБ ниже уровня шума все еще можно обнаружить. Концепция LoRaWAN поддерживает двунаправленную связь, услуги мобильности и определения местоположения.

Характеристические значенияLoRaWAN
 

Частотный диапазон

 

ISM группа, 433 МГц, 868 МГц (МЕНЯ), 915 МГц (Соединенные Штаты Америки)

модуляцияЧирпа с расширенным спектром (CSS)
Канал Британский8*125 KHz (МЕНЯ),

64*125KHz,8*125KHz(Соединенные Штаты Америки)

 

Размер посылки

 

Определяется пользователем

Спецификация Вверх / Вниз300 бит / с 50 кбит / с (МЕНЯ)

900 бит / с 100 кбит / с(Соединенные Штаты Америки)

 

топология

 

Звездная топология

 

расстояние

Вплоть до 5 км в населенных пунктах

Вплоть до 15 км в сельской местности

 

Конечные устройства подключены к базовой станции, который в свою очередь получает информацию, зашифрованную от магистрали через TCP / IP и протокол SSL.
Чтобы срок службы батареи конечных компонентов был максимально длинным, все скорости передачи данных и выходные радиочастотные сигналы управляются сетью LoRaWAN, а конечные компоненты управляются через адаптивную скорость передачи данных. (ADR). Есть три класса терминальных устройств: Устройства класса A могут осуществлять двустороннюю связь и иметь запланированное окно передачи в восходящей линии связи., устройства класса B также имеют запланированное окно передачи в нисходящей линии связи, и окно передачи для устройств класса C постоянно открыто. Технология LoRaWAN стандартизирована Альянсом LoRa.

LoRaWan – Каркас для беспроводных сетей

LoRaWan представляет собой спецификацию и описывает структуру для беспроводных сетей. Используется в сетях с небольшим трафиком данных., например в сенсорных сетях. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) это так называемый LPWAN (Глобальная сеть с низким энергопотреблением) протокол. В этой статье показаны частоты, используемые LoRaWan, и доступные классы конечных устройств..

Частота LoRa варьируется в разных регионах мира. тем не мение, здесь необходимо получить больше информации перед запуском устройства LoRa, чтобы установить правильную частоту. В следующей таблице приведены правильные частоты для каждой страны или континента.:

LoRaWan также рассматривается как топология звезды. Шлюзы пересылают сообщения от конечных устройств на определенный сервер доступа. Шлюзы подключаются через стандартный сервер через стандартные интернет-соединения.

Двунаправленные устройства
Есть три основных двунаправленных класса, обрабатываемых End:

Класс А

Данные восходящей линии связи всегда исходят от конечного устройства. За восходящим сообщением следует 2 короткие окна приема сообщений нисходящей линии связи. Эти нисходящие сообщения также могут быть включены для подтверждающих сообщений, а также для параметров устройства. Поскольку связь между терминалом и шлюзом будет осуществляться только с терминала, между подробными параметрами нового устройства и реализацией терминала может быть время ожидания.

Между фактическим временем передачи контактов, Устройства класса А могут полностью перевести свой модуль LoRa в энергосберегающий режим.. Это изменит энергоэффективность.

Класс б

Класс б, другие к окнам ошибки класса A, стать дальше приемными окнами. Устройства класса B синхронизируются с помощью циклически отправляемых маяков. Эти маяки используются для общения, и другие окна приема открыты в другое время. Потеря в том, что задержка может быть определена заранее, потеря энергопотребления как номер компонента. тем не мение, потребление энергии остается достаточно низким для приложений с батарейным питанием.

Класс С

Класс C значительно уменьшает задержку для нисходящей линии связи, поскольку окно приема конечного устройства всегда слышно, пока само устройство не дает никаких сообщений. По этой причине, доверенный сервер может начать передачу по нисходящей линии связи. Изменение времени между классами A и C особенно важно в юридических контрактах на батарейках, например, “микропрограммы более-воздух” обновления.

ОбластьЧастота LoRa
Европа863-870 МГц

433 МГц

НАС902-928 МГц
Китай470-510 МГц

779-787 МГц

австралиец915-928 МГц
индийский865-867 МГц
Азия433 МГц
Северная Америка915 МГц