Что такое LoRa? Техническая разбивка

«Что такое LoRa?» Когда кто-то задает мне этот вопрос, трудно точно ответить, не зная почему . они спрашивают. Это потому, что LoRa может относиться к нескольким вещам:

• Технически это схема радиомодуляции - способ манипулирования радиоволной для кодирования информации в многосимвольном чирпированном формате.
• LoRa также относится к системам, поддерживающим модуляцию, включая микросхемы LoRa и шлюзы.
• Иногда это относится к сети связи LoRa для приложений Интернета вещей.

LoRa, по сути, является умным способом получить очень хорошую чувствительность приемника и низкий коэффициент битовых ошибок (BER) от недорогих микросхем. Это означает, что приложения с низкой скоростью передачи данных могут получить гораздо больший радиус действия, используя LoRa, а не другие радиотехнологии по сопоставимой цене.

Иногда люди также говорят LoRa когда они имеют в виду LoRaWAN .

Но LoRaWAN другой. Это протокол уровня управления доступом к среде (MAC), построенный на основе LoRa, построенный с использованием схемы модуляции LoRa Semtech. LoRaWAN, однако, редко используется для промышленных приложений (частных сетей). Он лучше подходит для общедоступных глобальных сетей, потому что все каналы настроены на одинаковые частоты; для использования в одной области лучше иметь только одну работающую сеть, чтобы избежать проблем с коллизиями.

Является ли LoRaWAN лучшей беспроводной технологией для вашего IoT-устройства? Воспользуйтесь этим бесплатным официальным документом, чтобы сравнить преимущества и недостатки нескольких вариантов, прежде чем совершить покупку.

Поскольку все шлюзы в сети связаны с одним и тем же сервером, задача сервера - решить, какой шлюз должен отвечать на передачу. В большой сети любую данную передачу обычно слышат несколько приемников; затем сервер приказывает одному шлюзу ответить, а другим игнорировать передачу. Этот процесс помогает избежать коллизий по нисходящим и восходящим линиям связи, поскольку передает один шлюз, а перекрывающиеся шлюзы могут просто прослушивать другие передачи. (Вы можете узнать больше о LoRaWAN здесь.)

Многие люди не осознают, что есть способ использовать базовую технологию LoRaWAN - LoRa - без используя LoRaWAN. Например, Symphony Link от Link Labs использует собственный MAC-уровень поверх чипов Semtech и имеет дополнительные функции, которые делают его более подходящим для предприятий и промышленных клиентов, которым нужен способ безопасного подключения своих устройств IoT к облаку. Есть множество компаний, использующих чипы LoRa для других протоколов; все, что вам нужно сделать, это найти их.

Технический ответ на вопрос «Что такое LoRa?»

С технической точки зрения LoRa - это уникальный (и потрясающий) формат модуляции. Это видео - лучшее вступление к LoRa, которое я нашел. ( Предупреждение:это очень технический вопрос.)

Формат модуляции LoRa, созданный компонентами Semtech LoRa IOT, включая микросхемы приемопередатчиков SX1272 и SX1276, лучше всего описать как «частотно-модулированный (FM) щебет». Основной IP-адрес, который обеспечивает LoRa, - это способность генерировать стабильный щебет с использованием цикла фазовой автоподстройки частоты (PLL) frac-N. Здесь можно прочитать основной патент LoRa. Другие форматы модуляции включают частотную манипуляцию (FSK), фазовую манипуляцию (PSK) и т. Д. Это важно помнить, задавая вопрос «Что такое LoRa?» что LoRa сама по себе не описывает функциональные возможности системы выше физического уровня (среда RF).

Протокол LoRa IoT

ФИЗИЧЕСКИЙ СЛОЙ (ФИЗИЧЕСКИЙ СЛОЙ 1) БЕСПРОВОДНОЙ КОМПОНЕНТ

Semtech приобрела беспроводную технологию LoRa путем приобретения Cycleo SAS из Гренобля, Франция, за 5 миллионов долларов в 2012 году. Выгодная сделка!

При обработке сообщения LoRa достигается дополнительный выигрыш в обработке за счет способности модема фильтровать постоянный линейно нарастающий ЛЧМ-сигнал. Так достигается высокая чувствительность. Для достижения «привязки» к сигналу LoRa передается длинная преамбула «постоянного щебета». (См. Рис. 1.) В этом и заключается сила LoRa - недорогой чип с дешевым кристаллом может обеспечить очень высокую чувствительность.

Рис. 1. Преамбула Semtech LoRa

Эта преамбула может быть установлена ​​как переменное количество «символов», которые представляют собой просто количество щебетаний. Как вы могли догадаться, нет избирательности между преамбулой одного передатчика LoRa по сравнению с другим. Если есть постоянный щебет на правильной частоте и с правильной частотой, демодулятор LoRa будет его слушать, независимо от того, поступает он из предполагаемой системы или нет. Управление системой приемника LoRa для обеспечения маневренности перед лицом регулярных помех в питании и Вмешательство LoRa очень важно и является ключевой частью Symphony Link.

Как только модем LoRa «привязан» к сигналу преамбулы, конец преамбулы сигнализируется «обратным чириканьем», показанным на рисунке 1.

Затем начинается передача данных, которая имеет серию «символов», которые функционируют так же, как символы M-ARY FSK, но вместо этого происходят по щебетанию. См. Рисунок 2.

Рис. 2. Модуляция данных LoRa

Еще одна мощная особенность LoRa - это способность демодулировать несколько «ортогональных» или одновременных сигналов на одной и той же частоте, предполагая, что они имеют разную частоту щебета. В таблице скорости чириканья LoRa называются «коэффициентами распространения», при этом более высокие коэффициенты распространения означают более медленные чирпы. Эта функция поддерживается микросхемой SX1301 от Semtech. Все шлюзовые системы Link Labs могут одновременно декодировать множество сигналов LoRa, что позволяет строить очень большие сети.

См. Пример шлюза LoRaWAN для разработчиков.

Создание такой сети или системы LoRa требует огромного объема разработки. Переход от LoRa к функционирующей беспроводной системе аналогичен переходу от радиочипа BPSK к сети Wi-Fi. Функции уровня 2 OSI и выше в больших сетях, которые включают шлюзы, повторители, адресацию, адаптивные скорости передачи данных, повторные попытки сообщения, подтверждения сообщений и сигналы нисходящей линии связи OFDM с высокой пропускной способностью, являются функцией таких систем, как LoRaWAN и Symphony Link.

»Подробнее о системе Symphony Link от Link Labs

Альянс LoRa

Было движение за стандартизацию функций MAC для LoRa под названием LoRa Alliance, одним из первых участников которого была Link Labs. LoRa Alliance разработал протокол LoRaWAN для использования операторами мобильных сетей, которые хотят использовать нелицензированный спектр для связи с устройствами IoT в своей сети.

Напротив, Symphony Link - это стандартизированный протокол, разработанный Link Labs и нашими клиентами, которым нравится диапазон LoRa, но которым необходим уровень производительности, недоступный для LoRaWAN. Он специально ориентирован на область 2 ITU (диапазон ISM 915 МГц). LoRaWAN идеально подходит для региона 1 ITU, где ограничения рабочего цикла передатчика ETSI значительно ограничивают роль, которую базовая станция может играть в сети.

Некоторые подробности о LoRaWAN, протоколе LoRa Alliance для LoRa:

• LoRaWAN - это серверная реализация протокола множественного доступа, предназначенная для минимизации конфликтов с большим количеством конечных точек. Для выполнения функций MAC через сетевое соединение требуется серверное приложение.
• Сетевая архитектура LoRaWAN обычно представляет собой звездообразную топологию, в которой шлюзы представляют собой прозрачный мост, передающий сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым сервером в бэкэнде.
• Клиентская логика встроена в сетевой сервер.
• Он разработан в первую очередь для приложений только для восходящего канала с множеством конечных точек или приложений, для которых требуется только несколько сообщений по нисходящему каналу (ограничено приложением или количеством конечных точек).
• Шлюзы в одной сети требуют синхронизации.
• Связь между конечными устройствами и шлюзами осуществляется по разным частотным каналам и разным скоростям передачи данных. Выбор скорости передачи данных - это компромисс между дальностью связи и продолжительностью сообщения.
• Разные скорости передачи данных не мешают друг другу и создают набор «виртуальных» каналов, увеличивая пропускную способность шлюза.
• Сетевой сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и РЧ-выходом для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR), которая обычно обновляется каждые 24 часа.
• Несколько уровней безопасности / шифрования (EUI64 на уровне сети и уровне приложений и ключ для конкретного устройства EUI128)
• AES CCM (128-бит) для шифрования и аутентификации
• Работает в пределах рабочего цикла ETSI 1% и 10% при времени передачи в 868 диапазонах.
• Черновая версия класса B для нисходящих узлов, которые могут опрашивать радиомаяк каждые 1–128 с (теперь доступны инженерные прототипы с использованием LMiC от IBM) Период радиомаяка составляет 128 с (2 ^ n), где n - от 0 до 7.
• Разнесение антенн, поскольку все шлюзы слушают одни и те же каналы восходящей связи.
  
  

Использование подключения LoRa

Некоторые компании используют полный стек технологий LoRa / LoRaWAN интересными способами, такими как отслеживание активов вне помещений. Например, Ofo, китайская компания по прокату велосипедов, оснащает свои велосипеды устройствами LoRa и беспроводной радиочастотной технологией, чтобы определять местонахождение велосипедов. В настоящее время компания работает более чем в 180 городах Китая.

Другой пример использования сети LoRa - компания PNI Sensor из Санта-Росы, Калифорния. PNI использует беспроводную связь на основе LoRaWAN для доставки данных о городских парковках в режиме реального времени, упрощая для водителей поиск доступных парковочных мест для управления общественными и частными парковками на улице и вне улицы. Конечная цель - снизить заторы на дорогах и уменьшить выбросы углерода, вызванные тем, что водители постоянно возвращаются по своим следам, пытаясь найти свободную парковку.

Ряд отраслей используют открытый стандарт LoRaWAN для устройств IoT, включая сельское хозяйство (для мониторинга ирригации / уровня воды и борьбы с вредителями), коммунальные услуги (для сценариев интеллектуальных электросчетчиков, освещения и управления энергопотреблением) и строительство зданий (для дверей в зданиях). и оконные датчики и приложения для здоровья строительных конструкций).

Есть также множество компаний, создающих сети на основе LoRa, которые не являются LoRaWAN.

Развертывание вашего IoT-устройства с помощью LoRa

LoRaWAN - отличный выбор для протокола, если вы хотите построить общедоступные сети, принадлежащие и управляемые оператором связи. В этой сфере конкурируют многие поставщики оборудования и сетевых серверов, поэтому есть большой выбор, что является большим преимуществом. Но процесс разработки и развертывания системы вокруг LoRaWAN довольно сложен, и он будет сложным, если у вас нет большого опыта или знаний в области радиочастотных протоколов или беспроводных систем и планирования. Вам также нужно будет подумать, удовлетворит ли развертывание сети LoRaWAN ™ ваши потребности. В некоторых случаях может быть лучше использовать собственный протокол, где все, что вам нужно сделать, это отправить данные на узел, который уже записан для подключения к облаку. Например, если вы используете Symphony Link, мы уже сделали эту работу за вас.

Какая бы сеть ни подходила для вашего приложения, комплекты для разработки упрощают тестирование и создание прототипов. Вот несколько наборов для разработчиков, которые я рекомендую для начала работы с любой технологией, которую вы выберете:

Чтобы начать работу с LoRaWAN, попробуйте этот комплект разработчика от Multi-Tech Systems Inc.

Чтобы создать собственный протокол LoRa, купить комплект разработчика Semtech.