LoRa yra patentuota moduliacija, leidžianti mažą bitų spartą, mažą galią ir ilgalaikį ryšį. Iš pradžių ją sukūrė skaitiklių pramonė, tačiau ji greitai tapo labai paveikiančia daiktų interneto technologija, kur įrenginiai dažnai turi atitikti griežtus energijos suvartojimo reikalavimus.
LoRa veikia be licencijos subgigahercų radijo dažnių juostose, pvz., EU863–870 ISM juostoje. Jis gali pasiekti duomenų perdavimo spartą nuo 0,3 kbit.s−1 iki 27 kbit.s−1, priklausomai nuo parametro, vadinamo sklaidos koeficientu, taip pat priklausomai nuo sistemos pralaidumo.
Dėl moduliacijos ypatybių LoRa sistemos paprastai turi didelį ryšio biudžetą, o imtuvai, kurių jautrumas yra apie –140 dBm, yra labai dažni. Pasak firmos Semtech, LoRa įrenginiai gali palaikyti ryšį iki 15 km. Nepaisant to, pasaulio žemė-oras ryšio LoRa ryšio atstumo rekordas yra 832 km, naudojant tik 25 mW perdavimo galią. Žemė-žemė komunikacijų rekordas – 212 km.
Šie rezultatai išryškina LoRa technologijų atsparumą ir ilgalaikes galimybes bei poveikį, kurį jos gali turėti daiktų interneto pramonei, ypač tolimojo nuotolio, mažos galios ir mažo pasiekiamumo programoms.
LoRa moduliacija
LoRa yra moduliacija, naudojama LoRaWAN specifikacijos fizinio sluoksnio protokole, taip pat žinoma kaip LoRaPHY. Tai geriausiai apibūdinama kaip dažnio poslinkio čirpimo moduliacija (FSCM), kaip pažymėjo Vangelista:
Atidžiai apžiūrėjus LoRa, paaiškėja, kad informaciją nešantis elementas yra dažnio poslinkis simbolio pradžioje, o čirpimas panašus į tam tikrą nešiklį. Dėl šios priežasties, mūsų nuomone, LoRa geriau apibūdinama kaip dažnio poslinkio čirškimo moduliacija (FSCM).
Linijinio dažnio čiulbėjimas, LoRa čiulbėjimas arba, šiame straipsnyje, tiesiog čirpimas, yra signalas, kurio dažnis kinta tiesiškai laikui bėgant. Čipsniai gali turėti nuolatinį teigiamą (aukštyn čirškėjimą) arba neigiamą (žemyn čirškimą) dažnio kitimą. Kiekvienas LoRa čiulbėjimas slenka per visą dažnių diapazoną, atspindintį sistemos pralaidumą, BW.
Kiekvieno LoRa čiulbėjimo trukmė priklauso nuo kiekvieno simbolio laiko lustų skaičiaus. Laiko lustas yra laiko dalis, kuri priklauso nuo sistemos pralaidumo ir pateikiama kaip Tchip = 1/BW. Laiko lustų skaičius vienam simboliui C priklauso nuo sklaidos koeficiento SF ir yra pateikiamas C = 2^SF. Todėl kiekvieno simbolio Tsymbol trukmė yra Tsymbol =C×Tchip =2^SF ×Tchip.
Kadangi LoRa sistemos veikia su fiksuotu pralaidumu, kiekvieno laiko lusto trukmė taip pat yra fiksuota. Taigi SF yra parametras, kuris iš tikrųjų turi įtakos simbolio „išplitimui“ laiku. Kuo didesnis SF, tuo ilgesnis simbolio laikotarpis.
Moduliacija tęsėsi
Kiekvienas LoRa simbolis susideda iš čirpimo su vertikaliu nutrūkimu, esančiu vienoje iš laiko lustų. Šis nepertraukiamumas yra tiesiog dažnio poslinkis nuo dažnio, kuriuo signalas yra lusto pradžioje, į žemiausią galimą dažnį.
Po lusto signalas tęsia dažnio keitimą nuo to žemiausio dažnio, kol vėl pasiekia pradinį dažnį, apimdamas visą dažnių juostos plotį. Kitaip tariant, kiekvienas LoRa simbolis atlieka tiesinį dažnį, kuris per simbolio laikotarpį grįžta į žemiausią dažnį. Tai reiškia, kad skirtingų simbolių skaičius N kiekvienam SF yra lygus laiko lustų skaičiui (N = C).
Bitų skaičius vienam simboliui M yra lygus SF (M = SF). Tai reiškia, kad didesniems SF,
kiekvienas simbolis turi daugiau informacijos. Iš pirmo žvilgsnio tai gali reikšti, kad didesni sklaidos veiksniai užtikrina didesnį bitų spartą. Tačiau norint padidinti SF 1, kiekvienam simboliui perduoti reikia dvigubai daugiau laiko (nes turime 2^(SFm+1)/2^SFm = dvigubai daugiau laiko lustų).
Padidinus SF, simbolio laikotarpis pailgėja, nusveria pridėtus bitus vienam simboliui ir galiausiai sumažėja bitų sparta.
Didesni LoRa SF padidina apdorojimo stiprinimą ir priėmimo jautrumą, bet sumažina bitų spartą dėl koreliacinių demoduliatorių. Subalansavimo diapazonas ir bitų dažnis yra labai svarbūs kuriant LoRa sistemas pagal EU863–870 ISM juostos darbo ciklo ribas.
Mažesnis pralaidumas prailgina perdavimo laiką, apribodamas kasdienius pranešimus, kuriuos įrenginys gali siųsti nepažeisdamas taisyklių. Be to, dėl ilgesnės transmisijos taip pat sunaudojama daugiau energijos, o tai yra trūkumas naudojant mažos galios įrenginius.
LoRaPHY
LoRaPHY yra LoRaWAN protokolų krūvos fizinio sluoksnio protokolas. Fizinio lygmens radijo paketų formatai priklauso nuo pranešimo tipo, kuris gali būti aukštyn arba žemyn nukreiptas pranešimas.
LoRa moduliacija yra patentuota. Nepaisant to, atliekant bangos formos analizę, galima gauti informacijos apie paketų struktūrą radijo lygiu. Kaip pažymėjo El Rachkidy:
Ryšyje aukštyn, preambulę sudaro aukštyn, o duomenys – žemyn. Žemyn nukreipto ryšio komunikacijos preambulę sudaro žemyn skleidžiantys čirškimai, o duomenys – aukštyn.
Radijo paketų preambulės, 10–65539 simboliai (numatytasis 12), padeda imtuvams sinchronizuoti su gaunamų duomenų srautu.
„LoRa“ paketų antraštės rodo naudingosios apkrovos ilgį, klaidos kodo dažnį ir pasirenkamą CRC, įtrauktą tik į uplink pranešimus. Antraštėse taip pat yra privalomas CRC laukas. Fizinio lygmens radijo paketų naudingosiose apkrovose yra nuorodų sluoksnio rėmeliai.
Šis straipsnis yra pagrįstas mano magistro disertacijąkur tyrinėjau kompaktiškų ir efektyvių LoRaWAN galinių mazgų kūrimą, daugiausia dėmesio skirdamas antenos miniatiūrizavimui ir galios optimizavimui daiktų interneto programoms.