Công nghệ đằng sau tần số LoRa là gì

Dải tần số LoRa

LoRa sử dụng CSS (Quang phổ Chirp) điều chế sử dụng phương pháp trải tần số như một kỹ thuật điều chế. Cái gọi là xung chirp được gửi dưới dạng ký hiệu, tăng hoặc giảm tần số LoRa liên tục theo thời gian. Việc truyền dữ liệu sau đó được nhận ra bằng chuỗi tuần tự của các xung chirp này.

Tần số LoRa

Tính chất đặc biệt

Vì LoRa hoạt động trong các dải tần số ISM (433 MHz, 868 MHz và 915 MHz), công suất truyền bức xạ bị hạn chế. Để có phạm vi vô tuyến lớn hơn các loại điều chế thông thường như Để đạt được FSK (Tần số chuyển keying), độ nhạy của máy thu đã được cải thiện đáng kể với LoRa. Người nhận LoRa vẫn có thể nhận và giải mã thành công tín hiệu LoRa hữu ích lên đến 20 dB dưới mức tiếng ồn, dẫn đến độ nhạy của máy thu tối đa là -149 dBm. So với độ nhạy FSK tối đa khoảng. Cỗ máy 125 dBm đến -130 dBm, LoRa cung cấp một cải tiến đáng kể. Với máy thu FSK, tín hiệu chỉ có thể được giải mã thành công nếu tín hiệu hữu ích xấp xỉ.

Cường độ LoRa-Tần số và tín hiệu

Nhờ tài sản mà LoRa vẫn có thể nhận thành công tín hiệu hữu ích lên đến 20 dB dưới mức tiếng ồn, độ mạnh của nhiễu sóng radio tốt hơn đáng kể so với FSK. Hệ thống FSK chỉ hoạt động chính xác nếu tín hiệu nhiễu ít nhất là 10 dB yếu hơn tín hiệu hữu ích. Trong trường hợp tốt nhất, Các hệ thống LoRa vẫn có thể nhận được tín hiệu hữu ích nếu tín hiệu nhiễu là 20 dB mạnh hơn tín hiệu hữu ích.

Hạn chế

Từ hình trên, bạn có thể thấy LoRa có thể nhận về 30 dB tín hiệu yếu hơn so với FSK. Tuy nhiên, có hai hạn chế phần nào tương đối hóa sự khác biệt lớn này.

• Đầu tiên, điều chế LoRa là băng thông rộng hơn điều chế FSK, điều đó có nghĩa là độ ồn của máy thu LoRa thường cao hơn máy thu FSK. Đặc biệt, nhân đôi băng thông làm tăng mức nhiễu 3 dB.
• Thứ hai, LoRa chỉ có thể nhận được tín hiệu hữu ích tối đa 20 dB dưới mức nhiễu ở tốc độ dữ liệu rất chậm là 0.5 kbit / S. Ngay khi tốc độ dữ liệu tăng lên, tỷ lệ nhiễu tín hiệu âm tăng hơn nữa về 0 hoặc băng thông phải tăng thêm, do đó làm tăng mức độ tiếng ồn.

Đo lường so sánh giữa LoRa và FSK

Để tìm hiểu LoRa thực sự tốt như thế nào, nên tiến hành so sánh trực tiếp giữa LoRa và FSK. Vì mục đích này, bộ thu phát FSK tiêu chuẩn đã sử dụng trước đây của chúng tôi (CC1020 và CC1101) được so sánh với dữ liệu từ LoRa / Bộ thu phát FSK SX1261.

Máy thu phátĐiều chế 

Độ nhạy tối đa theo biểu dữ liệu

Tốc độ dữ liệuRô- băng thông
CC1020FSK-118 dBm2.4 kit / s12.5 kHz
CC1101FSK-116 dBm0.6 kit / s58 kHz
SX1261FSK-125 dBm0.6 kit / s4 kHz
SX1261LoRa-149.2 dBm0.02 kit / s8 kHz

Theo thông tin từ bảng dữ liệu, LoRa đạt được độ nhạy tối đa tốt hơn ít nhất 24dB so với bộ thu phát FSK tốt nhất (SX1261). So với các máy thu phát cũ của FSK (CC1020 và CC1101), độ nhạy tối đa là chẵn 31 hoặc là 33 dB tốt hơn. Vì có thể giả định rằng phạm vi radio có thể được nhân đôi cho mỗi 10 độ nhạy cao hơn dB, một 4 đến 8 nhân với phạm vi radio có thể có với LoRa so với FSK.

Tuy nhiên, Điều đáng chú ý là độ nhạy LoRa tối đa đạt được với tốc độ dữ liệu cực kỳ chậm chỉ 0.02 kbit / S. Để có được một trực tiếp, so sánh có ý nghĩa giữa các máy thu phát khác nhau, độ nhạy của tất cả các máy thu phát được xác định ở cùng tốc độ dữ liệu. Theo nhà sản xuất Semtech, LoRa sẽ phải đạt được về 7 đến 10 Độ nhạy cao hơn dB ở cùng tốc độ dữ liệu với FSK.

Các phép đo của chúng tôi đã cho kết quả như sau:

Tốc độ dữ liệuNhạy cảm
CC1020CC1101SX1261SX1261
FSKDBKFSKLoRa
1.2 kit / s-117 dBm-112 dBm-123 dBm-129 dBm
2.4 kit / s-117 dBm-111 dBm-121 dBm-126 dBm
4.8 kit / s-114 dBm-109 dBm-118 dBm-123 dBm
9.6 kit / s-112 dBm-107 dBm-116 dBm-120 dBm

Bộ thu phát SX1261 với điều chế LoRa đạt được 4 – 6 Độ nhạy dB hơn so với điều chế FSK. So với CC1020 8 – 11 dB và so với CC1101 13 – 17 Độ nhạy dB đạt được. Điều đáng chú ý là tốc độ dữ liệu được chọn càng thấp, mức tăng độ nhạy có thể đạt được với LoRa.

Một góc nhìn khác cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng của LoRa. Để đạt được độ nhạy tương tự như với FSK, xấp xỉ 4 lần tốc độ dữ liệu có thể được sử dụng với LoRa. Do đó, cùng một bức điện vô tuyến 4 thời gian ngắn hơn và mức tiêu thụ năng lượng cũng giảm theo hệ số 4.

Phần kết luận:

Như với tất cả các máy thu phát vô tuyến, độ nhạy LoRa tối đa của -149 dBm chỉ đạt được ở tốc độ dữ liệu thấp nhất. Tốc độ dữ liệu này cho LoRa chỉ xấp xỉ. 0.02 kbit / s và do đó không thể sử dụng cho nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, nếu tốc độ dữ liệu thấp như vậy có thể được sử dụng, 4 lần phạm vi vô tuyến là lý thuyết có thể so với các máy thu phát FSK hiện đại.

Nếu tốc độ dữ liệu LoRa được tăng lên 1.2 kit / s để 10 kit / S, LoRa đạt được khoảng. 4-6 Độ nhạy dB hơn so với các máy thu phát FSK hiện đại. So với các máy thu phát FSK cũ hơn như CC1101 hoặc CC1020, phạm vi radio thậm chí có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba với LoRa.

Có một tùy chọn tiết kiệm năng lượng thú vị trong các ứng dụng có độ nhạy FSK hiện tại là đủ. Nếu đạt được độ nhạy tương tự với LoRa, tốc độ dữ liệu có thể tăng lên theo hệ số 4 so với FSK, theo đó tiêu thụ năng lượng cũng có thể được giảm bởi một yếu tố 4.

Cho chúng tôi, Công nghệ LoRa đại diện cho một sự thay thế thú vị cho các ứng dụng có tốc độ dữ liệu lên đến 10 kbit / S, vì phạm vi vô tuyến có thể tăng lên ồ ạt so với các máy thu phát cũ. Quan tâm đặc biệt đối với chúng tôi là khả năng kết nối với mạng LoRaWAN, vì điều này có nghĩa là các ứng dụng IoT có thể được kết nối với Internet thực tế ở mọi nơi.

Với mô-đun LoRa của chúng tôi “TRX433-70” chúng tôi đã sẵn sàng cho các dự án LoRa sáng tạo trong tương lai.

Truyền vô tuyến với LoRa

Chỉ số công tơ, lệnh chuyển đổi và thông tin khác có thể được truyền từ mô đun bộ tập trung đến bộ định tuyến và quay lại theo nhiều cách khác nhau. Nếu truyền có dây là không thể hoặc quá đắt, truyền radio với LoRa có thể là một sự thay thế cho việc đọc từ xa.

Chuẩn radio LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range, I E. cao (Đài) phạm vi và là một tiêu chuẩn vô tuyến thay thế cho các công nghệ đã biết như UMTS hoặc LTE. Ở nhiều nước, LoRa đã tự thiết lập nó làm cơ sở cho một tiêu chuẩn truyền thông trong cái gọi là Internet of Things (IoT), cho máy với máy (M2M) truyền thông và cho các ứng dụng công nghiệp và thành phố thông minh.

Chuẩn radio LoRa, như các công nghệ vô tuyến khác, sử dụng các băng tần LoRa miễn phí từ các băng tần ISM không có giấy phép (Công nghiệp, Khoa học và y tế). Ở châu Âu, đây là những ban nhạc trong 433 và 868 Dải tần MHz. Bằng cách sử dụng một thủ tục radio đặc biệt, cái gọi là sự lan truyền tần số, công nghệ gần như miễn nhiễm với nhiễu. Phạm vi giữa máy phát và máy thu nằm giữa 2 và 15 km, tùy thuộc vào môi trường và khu vực xây dựng. Do độ nhạy cao của -137 dBm, sự thâm nhập cao của các tòa nhà có thể đạt được. Các tín hiệu vô tuyến xâm nhập sâu vào bên trong các tòa nhà và tầng hầm. Đặc biệt tại các khu cắm trại nơi vỏ kim loại của các đoàn lữ hành và nhà di động thường làm suy yếu cường độ tín hiệu của mạng WLAN, truyền phát radio với LoRa là vượt trội ở đây. Tốc độ dữ liệu tại LoRa là giữa 0.3 và 50 kbit / S.

Ứng dụng cho LoRa

LoRa chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng trong đó rất ít dữ liệu được truyền qua một khoảng cách dài theo cách rất tiết kiệm năng lượng. Những dữ liệu này thường được đo, tín hiệu trạng thái hoặc giá trị thao tác.

Sự khác biệt giữa mạng WLAN, LoRa và đài phát thanh di động

WLAN và radio di động được thiết kế để truyền một lượng lớn dữ liệu. Phạm vi tương đối ngắn được chấp nhận. LoRa, Mặt khác, được tối ưu hóa để truyền một lượng nhỏ dữ liệu qua khoảng cách lớn. Bảng dưới đây cho thấy một số khác biệt giữa các tiêu chuẩn radio khác nhau.

 

Mạng WLANLoạnDi động
Rang<100 m2.000-3.000(thành phố)

>10.000 m (Quốc gia)

<300 m (thành phố)

<10.000 m (Quốc gia)

 

Tối đa. tốc độ dữ liệu

6.933 Mbit / s50 kbit / s1.000 Mbit / s
Chi phíTrung bìnhThấpRất cao
Tần số LoRa2.4 GHz

5 GHz

60 GHz

433 MHz

868 MHz

800 MHz

900 MHz

1.800 MHz

2.100 MHz

2.600 MHz

Tối đa. Công suất truyền tải1.000 mW25 mW20-50 w (Trạm cơ sở)

200 Mw (Thiết bị đầu cuối)

LoRaWAN (mạng diện rộng)

Mạng WAN công suất thấp (LPWAN) là các khái niệm mạng cho Internet of Things (IoT) và giao tiếp giữa các máy (M2M). LPWAN được đặc trưng bởi thực tế là chúng có thể bao phủ khoảng cách lên tới 50 km và cần rất ít năng lượng. Có một số phương pháp kỹ thuật để hiện thực hóa LPWAN. Một từ ETSI: ETSI GS LTN, tên khác là LoRaWAN, Không trọng lượng và RPMA, viết tắt của Random Phase Multi Access.

Vì vậy, khoảng cách có thể kết nối không bị suy giảm quá nhiều bởi sự suy giảm không gian trống, một số khái niệm LPWAN được đề cập sử dụng tần số trong các dải ISM tại 433 MHz và 868 MHz. Một số người cũng làm việc trong ban nhạc ISM tại 2.4 GHz.

Ví dụ, liên quan đến SigFox như LoRaWAN (Mạng diện rộng), nó sử dụng băng tần ISM tại 868 MHz (Hoa Kỳ 915 MHz) ở châu Âu. Phạm vi khoảng cách có thể kết nối là hơn 5 km trong khu vực đô thị và hơn 15 km ngoài thành phố. Ngoài ra còn có các bộ thu phát vô tuyến trong dải tần số LoRa là 2.4 GHz với phạm vi 10 km có thể được bắc cầu. Truyền LoRa là sự kết hợp của Chirp Spread Spectrum (CSS) và Radio xác định phần mềm (SDR). Một lợi thế chính là tín hiệu lên đến 20 dB dưới mức tiếng ồn vẫn có thể được phát hiện. Khái niệm LoRaWAN hỗ trợ giao tiếp hai chiều, di động và dịch vụ dựa trên vị trí.

Giá trị đặc trưngLoRaWAN
 

Dải tần số

 

Ban nhạc ISM, 433 MHz, 868 MHz (TÔI), 915 MHz (Hoa Kỳ)

Điều chếPhổ trải chirp (CSS)
Kênh Anh8*125 KHz (TÔI),

64*125KHz,8*125KHz(Hoa Kỳ)

 

Kích cỡ gói

 

Được xác định bởi người dùng

Bảng dữ liệu lên / xuống300 chút ít 50 kbit / s (TÔI)

900 bit / s để 100 kbit / s(Hoa Kỳ)

 

cấu trúc liên kết

 

Cấu trúc liên kết sao

 

khoảng cách

Lên đến 5 km trong khu vực xây dựng

Lên đến 15 km ở nông thôn

 

Các thiết bị cuối được kết nối với trạm gốc, lần lượt nhận thông tin được mã hóa từ đường trục thông qua TCP / IP và giao thức SSL.
Để đảm bảo tuổi thọ pin của các thành phần cuối càng dài càng tốt, tất cả tốc độ dữ liệu và tín hiệu đầu ra RF được quản lý bởi mạng LoRaWAN và các thành phần cuối được điều khiển thông qua tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR). Có các lớp thiết bị ba thiết bị đầu cuối: Các thiết bị loại A có thể giao tiếp hai chiều và có cửa sổ truyền theo kế hoạch trong đường lên, Các thiết bị lớp B cũng có một cửa sổ truyền theo kế hoạch trong đường xuống và cửa sổ truyền cho các thiết bị lớp C liên tục mở. Công nghệ LoRaWAN được Liên minh LoRa chuẩn hóa.

LoRaWan – Khung cho mạng không dây

LoRaWan là một đặc điểm kỹ thuật và mô tả một khung cho các mạng không dây. Nó được sử dụng trong các mạng có lưu lượng dữ liệu ít, ví dụ trong các mạng cảm biến. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) được gọi là LPWAN (Mạng diện rộng công suất thấp) giao thức. Bài viết này cho thấy tần số được sử dụng bởi LoRaWan và các lớp thiết bị cuối có sẵn.

Tần số LoRa khác nhau ở các khu vực khác nhau trên thế giới. Tuy nhiên, ở đây cần có thêm thông tin trước khi khởi động thiết bị LoRa để đặt tần số chính xác. Bảng sau đây cho thấy tần số chính xác cho từng quốc gia hoặc lục địa:

LoRaWan cũng được đối xử như một cấu trúc liên kết sao. Cổng chuyển tiếp tin nhắn từ các thiết bị cuối đến một máy chủ truy cập cụ thể. Các cổng được kết nối thông qua máy chủ tiêu chuẩn thông qua các kết nối internet tiêu chuẩn.

Thiết bị hai chiều
Có ba lớp hai chiều chính được xử lý bởi End:

Lớp A

Dữ liệu đường lên luôn bắt nguồn từ thiết bị cuối. Thông báo đường lên được theo sau bởi 2 cửa sổ tiếp nhận ngắn cho tin nhắn đường xuống. Các tin nhắn đường xuống này cũng có thể được bao gồm cho các tin nhắn xác nhận cũng như cho các thông số thiết bị. Vì giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và cổng sẽ chỉ là từ thiết bị đầu cuối, có thể có thời gian chờ giữa các thông số thiết bị mới chi tiết và việc triển khai thiết bị đầu cuối.

Giữa các tiếp điểm thời gian truyền thực tế, Các thiết bị loại A có thể đặt mô-đun LoRa của chúng hoàn toàn ở chế độ tiết kiệm năng lượng. Điều này sẽ thay đổi hiệu quả năng lượng.

Lớp B

Lớp B, những người khác đến lớp A cửa sổ lỗi, trở thành cửa sổ tiếp nhận. Các thiết bị loại B được đồng bộ hóa thông qua các đèn hiệu được gửi theo chu kỳ. Những đèn hiệu này được sử dụng để liên lạc, và các cửa sổ tiếp nhận khác được mở vào thời điểm khác. Mất mát là độ trễ có thể được xác định trước, mất năng lượng tiêu thụ như một số thành phần. Tuy nhiên, mức tiêu thụ năng lượng vẫn đủ thấp cho các ứng dụng chạy bằng pin.

Lớp C

Lớp C giảm đáng kể độ trễ cho đường xuống, vì cửa sổ nhận của thiết bị cuối luôn được nghe miễn là bản thân thiết bị không đưa ra bất kỳ thông báo nào. Vì lý do này, máy chủ đáng tin cậy có thể bắt đầu truyền dẫn đường xuống. Sự thay đổi thời gian giữa lớp A và C đặc biệt quan trọng trong các hợp đồng pháp lý chạy bằng pin, ví dụ, “chương trình cơ sở” cập nhật.

Khu vựcTần số LoRa
Châu Âu863-870 MHz

433 MHz

CHÚNG TA902-928 MHz
Trung Quốc470-510 MHz

779-787 MHz

người Úc915-928 MHz
người Ấn Độ865-867 MHz
Châu Á433 MHz
Bắc Mỹ915 MHz