LoRaWNA

Сообщество LoRaWAN

Протокол LoRaWAN, модуляция LoRa, технологии Long Range, LPWAN сети и Интернет вещей (IoT)

IoT

Что такое LoRa?

Технология модуляции LoRa™ (от англ. Long Range) представляет собой метод модуляции, который обеспечивает значительно большую дальность связи (зону покрытия), чем другие конкурирующие с ним способы. Этот тип модуляции основывается на технологии модуляции с расширенным спектром и вариации линейной частотной модуляции (англ. CSS – chirp spread spectrum) с интегрированной прямой коррекцией ошибок FEC (англ. FEC – forward error correction).

Технология LoRa значительно повышает чувствительность приемника и, аналогично другим методам модуляции с расширенным спектром, использует всю ширину полосы пропускания канала для передачи сигнала, что делает его устойчивым к канальным шумам и нечувствительным к смещениям, вызванным неточностями в настройке частот при использовании недорогих опорных кварцевых резонаторов. Технология LoRa позволяет осуществлять демодуляцию сигналов с уровнями на 19,5 дБ ниже уровня шумов, притом, что для правильной демодуляции большинству систем с частотной манипуляцией FSK (от англ. FSK – frequency shift keying) нужна мощность сигнала как минимум на 8-10 дБ выше уровня шума.

Модуляция LoRa определяет физический уровень (PHY от англ. physical layer, еще используют термин “слой”, OSI media layer 1), который может использоваться с различными протоколами канального уровня и в различных вариантах сетевой архитектуры: mesh-сети, звезда (star), точка-точка (point-to-point, p2p). Однако, наиболее интересным представляется использование LoRa в LPWAN сетях, использующих протокол LoRaWAN.

Mesh-сеть расширяет диапазон сети, но это происходит за счет понижения ее пропускной способности, затраты дополнительных ресурсов на синхронизацию, а также снижение срока службы батареи из-за синхронизации и постоянных прыжков по частотам. С наличием увеличенного энергетического баланса линии связи и более широких возможностей системы LoRa, для расширения диапазона покрытия нет необходимости в использовании сети ячеистой архитектуры (mesh), поэтому для LoRaWAN был выбрана радиальная архитектура типа звезда (star). Она позволила оптимизировать пропускную способность сети, увеличить срок службы батареи и упростить ее развертывание.

В сетях, использующих модуляцию LoRa, связь между устройствами происходит по радиоканалу в субгигагерцовом нелицензируемом диапазоне частот ISM (Industrial, Scientific and Medical — фактические границы диапазона зависят от страны, в России для этого выделены диапазоны 433 и 868 МГц, как и в Европе). В LoRaWAN сетях на физическом уровне, как правило, используется модуляция LoRa на частоте 863-870 (868, реже на 433) МГц в Европе и 902-928 (915) МГц в США, и 779-787 МГц в Азии. Все LoRa модемы, как правило, также поддерживают модуляцию GFSK.

Существующее LoRa оборудование достаточно разнообразно и выпускается как только для одного диапазона частот, так и для нескольких что, безусловно, сказывается на цене.

Чипы трансиверов LoRa на рынке пока представлены моделями без встроенного управляющего контроллера и требуют установки дополнительного устройства, которое управляет трансивером по SPI, поэтому сейчас распространены модули либо только с LoRa трансивером, либо с LoRa трансивером и управляющим контроллером на борту, в котором реализован сетевой стек LoRaWAN.

Энтузиасты успешно подключают LoRa трансиверы (как с управляющим контроллером, так и без него) к Arduino, Teensy, Raspbery Pi и другим DIY устройствам.

Метод модуляции LoRa проприетарный, запатентован компанией Semtech, но в настоящее время и другие производители имеют лицензию на производство LoRa трансиверов, например, заслуженно пользуются популярностью LoRa трансиверы Microchip.

Компания STMicroelectronics, крупнейший мировой производитель микроконтроллеров STM, недавно объявила о присоединении к LoRa Alliance для разработки новой SoC (System on Chip — система на чипе), поддерживающей LoRa на базе популярного контроллера STM32. Компании Semtech и STMicroelectronics объявили о начале сотрудничества в области разработки и производства новой серии SoC. STMicroelectronics планирует выпустить новую серию микроконтроллеров со встроенным LoRa трансивером, поддерживающим протокол LoRaWAN, что, безусловно, благоприятно скажется на популяризации технологий LoRa и LoRaWAN.

Когда говорят о технологии LoRa, то чаще всего имеют ввиду и метод модуляции LoRa, и открытый протокол LoRaWAN.