Wat is LoRa? Een technische storing

"Wat is LoRa?" Wanneer iemand mij deze vraag stelt, is het moeilijk om precies te weten hoe te antwoorden zonder te weten waarom ze vragen. Dat komt omdat LoRa naar meer dan één ding kan verwijzen:

• Technisch gezien is het een radiomodulatieschema:een manier om een ​​radiogolf te manipuleren om informatie te coderen met behulp van een getjilp, multisymboolformaat.
• LoRa verwijst ook naar de systemen die de modulatie ondersteunen, inclusief LoRa-chips en gateways.
• Soms verwijst het naar het LoRa-communicatienetwerk voor IoT-toepassingen.

LoRa is in wezen een slimme manier om een ​​zeer goede ontvangergevoeligheid en een lage bitfoutfrequentie (BER) te krijgen van goedkope chips. Dat betekent dat toepassingen met een lage datasnelheid een veel groter bereik kunnen krijgen met LoRa in plaats van andere vergelijkbaar geprijsde radiotechnologieën te gebruiken.

Soms zeggen mensen ook LoRa wanneer ze LoRaWAN . bedoelen .

Maar LoRaWAN is anders. Het is een protocol voor mediatoegangscontrole (MAC) dat bovenop LoRa is gebouwd en is gebouwd met behulp van het LoRa-modulatieschema van Semtech. LoRaWAN wordt echter zelden gebruikt voor industriële (private netwerk) toepassingen. Het is beter geschikt voor openbare wide-area-netwerken omdat alle kanalen op dezelfde frequenties zijn afgestemd; voor gebruik in één gebied is het beter om slechts één netwerk te hebben om botsingsproblemen te voorkomen.

Is LoRaWAN de beste draadloze technologie voor uw IoT-apparaat? Gebruik deze gratis whitepaper om de voor- en nadelen van verschillende opties te vergelijken voordat u zich vastlegt.

Omdat alle gateways in een netwerk zijn gekoppeld aan dezelfde server, is het de taak van de server om te beslissen welke gateway moet reageren op een transmissie. In een groot netwerk wordt elke transmissie doorgaans door meerdere ontvangers gehoord; de server vertelt dan één gateway om te reageren en de anderen om de transmissie te negeren. Dit proces helpt downlink- en uplink-botsingen te voorkomen, omdat een enkele gateway aan het zenden is en de gateways die elkaar overlappen gewoon kunnen luisteren naar andere transmissies. (Je kunt hier meer lezen over LoRaWAN.)

Wat veel mensen zich niet realiseren, is dat er een manier is om de onderliggende technologie van LoRaWAN, namelijk LoRa, te gebruiken zonder met behulp van LoRaWAN. Symphony Link van Link Labs gebruikt bijvoorbeeld een gepatenteerde MAC-laag bovenop de chips van Semtech en heeft extra functies die het beter geschikt maken voor ondernemingen en industriële klanten die een manier nodig hebben om hun IoT-apparaten veilig met de cloud te verbinden. Er zijn genoeg bedrijven die LoRa-chips gebruiken voor andere protocollen; je hoeft ze alleen maar op te zoeken.

Het technische antwoord op "Wat is LoRa?"

Vanuit technisch oogpunt is LoRa een uniek (en geweldig) modulatieformaat. Deze video is de beste LoRa-intro die ik heb gevonden. (Voorbehoud:het is erg technisch.)

Gegenereerd door Semtech LoRa IOT-onderdelen, waaronder de SX1272- en SX1276-transceiverchips, kan het modulatieformaat van LoRa het best worden omschreven als een "frequentiegemoduleerde (FM) chirp". Het kern-IP dat LoRa mogelijk maakt, is de mogelijkheid om een ​​stabiele chirp te genereren met behulp van een frac-N phase lock loop (PLL). Hier kunt u het kern LoRa-patent lezen. Andere modulatieformaten zijn onder meer frequency shift keying (FSK), phase shift keying (PSK), enz. Het is belangrijk om te onthouden wanneer u vraagt ​​"Wat is LoRa?" dat LoRa zelf geen systeemfunctionaliteit boven de fysieke (RF-medium) laag beschrijft.

Het LoRa IoT-protocol

EEN FYSIEKE LAAG (PHY-OSI LAAG 1) DRAADLOOS COMPONENT

Semtech verwierf de draadloze LoRa-technologie door de overname van Cycleo SAS uit Grenoble, Frankrijk voor $ 5 miljoen in 2012. Een koopje!

Bij het verwerken van een LoRa-bericht wordt extra verwerkingswinst behaald dankzij het vermogen van de modem om te filteren op het constante ramp-chirp-signaal. Dit is hoe een hoge gevoeligheid wordt bereikt. Om "lock" op het LoRa-signaal te bereiken, wordt een lange "constante chirp" -preambule verzonden. (Zie afbeelding 1.) Dit is echt de kracht van LoRa:een goedkope chip met een goedkoop kristal kan een zeer hoge gevoeligheid bereiken.

Figuur 1. Semtech LoRa-preambule

Deze preambule kan worden ingesteld als een variabel aantal 'symbolen', wat alleen het aantal chirps is. Zoals je je misschien kunt voorstellen, is er geen selectiviteit tussen een preambule van de ene LoRa-zender versus een andere. Als er een constante chirp is op de juiste frequentie en met de juiste chirp-snelheid, zal een LoRa-demodulator ernaar luisteren, of het nu van het beoogde systeem is of niet. Een LoRa-ontvangersysteem beheren om wendbaar te zijn in het licht van regelmatige stroomstoringen en LoRa-interferentie is erg belangrijk en vormt een belangrijk onderdeel van Symphony Link.

Zodra een LoRa-modem is "vergrendeld" op het preambule-signaal, wordt het einde van de preambule gesignaleerd door de "reverse chirp" te zien in figuur 1.

Dan begint de gegevensoverdracht, die een reeks "symbolen" heeft die veel op M-ARY FSK-symbolen lijken, maar in plaats daarvan op een chirp plaatsvinden. Zie afbeelding 2.

Afbeelding 2. LoRa-gegevensmodulatie

Een ander krachtig kenmerk van LoRa is de mogelijkheid om verschillende "orthogonale" of gelijktijdige signalen op dezelfde frequentie te demoduleren, ervan uitgaande dat ze verschillende chirp-frequenties hebben. In de datasheet worden LoRa-chirpsnelheden 'verspreidingsfactoren' genoemd, waarbij hogere spreidingsfactoren langzamere chirps aangeven. Deze functie wordt ondersteund door de SX1301-chip van Semtech. Alle gatewaysystemen van Link Labs hebben de mogelijkheid om veel gelijktijdige LoRa-chirps tegelijk te decoderen, waardoor zeer grote netwerken kunnen worden gebouwd.

Zie voorbeeld LoRaWAN Gateway voor ontwikkelaars.

Het bouwen van zo'n LoRa-netwerk of systeem vraagt ​​enorm veel ontwikkeling. Van LoRa naar een werkend draadloos systeem gaan is analoog aan het overstappen van een BPSK-radiochip naar een wifi-netwerk. De functies van OSI-laag 2 en hoger van grote netwerken die gateways, repeaters, adressering, adaptieve datasnelheden, nieuwe berichten, berichtbevestigingen en OFDM-downlinksignalen met hoge capaciteit omvatten, zijn de functie van systemen zoals LoRaWAN en Symphony Link.

» Meer informatie over het Symphony Link-systeem van Link Labs.

LoRa Alliantie

Er is een beweging geweest om de MAC-functies voor LoRa te standaardiseren, de LoRa Alliance genaamd, waarvan Link Labs een vroeg lid was. De LoRa Alliance heeft het LoRaWAN-protocol ontwikkeld voor gebruik door mobiele netwerkoperators die spectrum zonder licentie willen gebruiken om te communiceren met IoT-apparaten in hun netwerk.

Symphony Link is daarentegen een gestandaardiseerd protocol dat is ontwikkeld door Link Labs en onze klanten die dol zijn op het bereik van LoRa, maar een prestatieniveau nodig hebben dat niet beschikbaar is met LoRaWAN. Het is specifiek gericht op ITU-regio 2 (915 MHz ISM-band). LoRaWAN is bij uitstek geschikt voor ITU-regio 1, waar ETSI-beperkingen voor de duty cycle van zenders de rol die het basisstation in het netwerk kan spelen aanzienlijk beperken.

Enkele details over LoRaWAN, het LoRa Alliance-protocol voor LoRa:

• LoRaWAN is een server-side implementatie van een meervoudig toegangsprotocol dat is ontworpen om botsingen met een groot aantal eindpunten te minimaliseren. Het vereist een servertoepassing om de MAC-functies via een netwerkverbinding uit te voeren.
• LoRaWAN-netwerkarchitectuur is typisch ingedeeld in een star-of-stars-topologie waarin gateways een transparante brug zijn die berichten doorgeeft tussen eindapparaten en een centrale netwerkserver in de backend.
• Klantlogica is ingebouwd in de netwerkserver
• Het is voornamelijk ontworpen voor uplink-only applicaties met veel eindpunten, of applicaties waar slechts een paar downlink-berichten nodig zijn (beperkt door applicatie of door het aantal eindpunten)
• Gateways binnen hetzelfde netwerk vereisen synchronisatie
• Communicatie tussen eindapparaten en gateways is verspreid over verschillende frequentiekanalen en datasnelheden. De selectie van de datasnelheid is een afweging tussen communicatiebereik en berichtduur.
• Verschillende datasnelheden interfereren niet met elkaar en creëren een reeks "virtuele" kanalen die de capaciteit van de gateway vergroten.
• De LoRaWAN-netwerkserver beheert de gegevenssnelheid en RF-uitvoer voor elk eindapparaat afzonderlijk door middel van een adaptief gegevenssnelheidsschema (ADR) dat doorgaans eens per 24 uur wordt bijgewerkt
• Meerdere beveiligingslagen/encryptie (EUI64 op netwerk- en applicatieniveau en EUI128 apparaatspecifieke sleutel)
• AES CCM (128-bit) voor codering en authenticatie
• Werkt binnen de grenzen van de ETSI 1% en 10% duty cycle op transmissietijd in de 868 banden
• Conceptrevisie van klasse B voor downlink-knooppunten die elke 1s tot 128s een baken kunnen pollen (Engineering-prototypes nu beschikbaar met LMiC van IBM) Bakenperiode is 128s (2^n) waarbij n 0 tot 7 is
• Antennediversiteit omdat alle gateways naar dezelfde uplinkkanalen luisteren
  
  

LoRa-connectiviteit gebruikt

Sommige bedrijven gebruiken de volledige LoRa/LoRaWAN-technologiestack op interessante manieren, zoals het volgen van buitenactiviteiten. Zo rust Ofo, een Chinees bedrijf voor het delen van fietsen, zijn fietsen uit met LoRa-apparaten en draadloze radiofrequentietechnologie om de locaties van de fietsen te lokaliseren. Het bedrijf is momenteel actief in meer dan 180 steden in China.

Een ander voorbeeld van het gebruik van LoRa-netwerken is afkomstig van het in Santa Rosa, Californië, gevestigde bedrijf PNI Sensor. PNI maakt gebruik van op LoRaWAN gebaseerde draadloze connectiviteit om realtime parkeergegevens in de stad te leveren, waardoor het voor automobilisten gemakkelijker wordt om beschikbare parkeerplaatsen te vinden voor openbare en particuliere parkeerbeheer op straat en daarbuiten. Het einddoel is om verkeersopstoppingen en koolstofemissies te verminderen die worden veroorzaakt door bestuurders die herhaaldelijk op hun stappen terugkeren in een poging om beschikbare parkeerplaatsen te vinden.

Een aantal industrieën maakt gebruik van de open LoRaWAN-standaard voor IoT-apparaten, waaronder landbouw (voor irrigatie/waterpeilbewaking en ongediertebestrijding), nutsbedrijven (voor slimme elektrische meters, verlichting en energiebeheerscenario's) en bouwconstructie (voor gebouwdeur en raamsensoren en structurele gezondheidstoepassingen voor gebouwen).

Er zijn ook tal van bedrijven die LoRa-gebaseerde netwerken gebruiken die niet LoRaWAN zijn.

Uw IoT-apparaat implementeren met LoRa

LoRaWAN is een uitstekende keuze voor protocol als u wilt bouwen op openbare netwerken die eigendom zijn van en beheerd worden door een provider. Er zijn veel hardware- en netwerkserverproviders die op dit gebied met elkaar concurreren, dus er is veel keuze, wat een groot voordeel is. Maar het proces van het ontwikkelen en implementeren van een systeem rond LoRaWAN is behoorlijk complex, en het zal een uitdaging zijn als je niet veel expertise of ervaring hebt met radiofrequentieprotocollen of draadloze systemen en planning. U moet ook nadenken of het inzetten van een LoRaWAN™-netwerk aan uw behoeften voldoet. In sommige gevallen kan het beter zijn om een ​​aangepast protocol te gebruiken, waarbij u alleen gegevens hoeft te verzenden naar een knooppunt dat al is geschreven om verbinding te maken met de cloud. Als u bijvoorbeeld Symphony Link gebruikt, hebben we dit werk al voor u gedaan.

Welk netwerk ook geschikt is voor uw toepassing, ontwikkelkits maken testen en prototyping eenvoudiger. Hier zijn enkele ontwikkelkits die ik aanbeveel om aan de slag te gaan met welke technologie je ook kiest:

Om aan de slag te gaan met LoRaWAN, probeer deze dev kit van Multi-Tech Systems Inc.

Om uw eigen LoRa-protocol te maken, koop een Semtech-ontwikkelkit.