O que é LoRa? Uma análise técnica

“O que é LoRa?” Sempre que alguém me faz essa pergunta, é difícil saber exatamente como responder sem saber por quê eles estão perguntando. Isso porque LoRa pode se referir a mais de uma coisa:

• Tecnicamente, é um esquema de modulação de rádio - uma maneira de manipular uma onda de rádio para codificar informações usando um formato de múltiplos símbolos chilreados.
• LoRa também se refere aos sistemas que suportam a modulação, incluindo chips e gateways LoRa.
• Às vezes, refere-se à rede de comunicação LoRa para aplicativos IoT.

LoRa, essencialmente, é uma maneira inteligente de obter uma sensibilidade de receptor muito boa e uma taxa de erro de bits baixa (BER) de chips baratos. Isso significa que os aplicativos de baixa taxa de dados podem obter um alcance muito maior usando LoRa em vez de usar outras tecnologias de rádio com preços comparáveis.

Às vezes, as pessoas também dizem LoRa quando eles significam LoRaWAN .

Mas LoRaWAN é diferente. É um protocolo de camada de controle de acesso à mídia (MAC) construído sobre LoRa, construído usando o esquema de modulação LoRa da Semtech. LoRaWAN, no entanto, raramente é usado para aplicações industriais (rede privada). É mais adequado para redes públicas de longa distância porque todos os canais estão sintonizados nas mesmas frequências; para uso em uma única área, é melhor ter apenas uma rede operando para evitar problemas de colisão.

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Como todos os gateways em uma rede estão ligados ao mesmo servidor, é função do servidor decidir qual gateway deve responder a uma transmissão. Em uma grande rede, qualquer transmissão é normalmente ouvida por vários receptores; o servidor então diz a um gateway para responder e os outros para ignorar a transmissão. Esse processo ajuda a evitar colisões de downlink e uplink, porque um único gateway está transmitindo e os gateways que estão sobrepostos podem simplesmente ouvir outras transmissões. (Você pode ler mais sobre LoRaWAN aqui.)

O que muitas pessoas não percebem é que existe uma maneira de usar a tecnologia subjacente de LoRaWAN — que é LoRa— sem usando LoRaWAN. O Symphony Link da Link Labs, por exemplo, usa uma camada MAC proprietária sobre os chips da Semtech e tem recursos adicionais que o tornam mais adequado para empresas e clientes industriais que precisam de uma maneira de conectar com segurança seus dispositivos IoT à nuvem. Existem muitas empresas por aí usando chips LoRa para outros protocolos; tudo que você precisa fazer é procurá-los.

A resposta técnica para “O que é LoRa?”

Do ponto de vista técnico, LoRa é um formato de modulação único (e incrível). Este vídeo é a melhor introdução de LoRa que encontrei. ( Advertência:é muito técnico.)

Gerado por peças Semtech LoRa IOT, incluindo os chips transceptores SX1272 e SX1276, o formato de modulação LoRa é melhor descrito como um "chilro de frequência modulada (FM)". O IP principal que permite LoRa é a capacidade de gerar um chirp estável usando um loop de bloqueio de fase frac-N (PLL). Aqui pode ler a patente LoRa principal. Outros formatos de modulação incluem chaveamento de mudança de frequência (FSK), chaveamento de mudança de fase (PSK), etc. É importante lembrar ao perguntar "O que é LoRa?" que o LoRa em si não descreve a funcionalidade do sistema acima da camada física (meio de RF).

O protocolo LoRa IoT

UMA CAMADA FÍSICA (CAMADA FÍSICA 1) COMPONENTE SEM FIO

A Semtech adquiriu a tecnologia sem fio LoRa por meio da aquisição da Cycleo SAS de Grenoble, França, por US $ 5 milhões em 2012. Uma pechincha!

Ao processar uma mensagem LoRa, o ganho de processamento adicional é obtido devido à capacidade do modem de filtrar o sinal chirp de rampa constante. É assim que a alta sensibilidade é alcançada. A fim de obter o “bloqueio” do sinal LoRa, um longo preâmbulo de “chiado constante” é transmitido. (Veja a Figura 1.) Este é realmente o poder do LoRa - que um chip barato com um cristal barato pode atingir uma sensibilidade muito alta.

Figura 1. Preâmbulo Semtech LoRa

Este preâmbulo pode ser definido como um número variável de “símbolos”, que são apenas o número de sinais sonoros. Como você pode imaginar, não há seletividade entre um preâmbulo de um transmissor LoRa e outro. Se houver um chirp constante na frequência certa e na taxa de chirp certa, um demodulador LoRa irá ouvi-lo, seja do sistema pretendido ou não. Gerenciar um sistema receptor LoRa para ser ágil em face de interferência de energia regular e A interferência LoRa é muito importante e é uma parte essencial do Symphony Link.

Uma vez que um modem LoRa tenha "travado" no sinal do preâmbulo, o final do preâmbulo é sinalizado pelo "chirp reverso" visto na Figura 1.

Em seguida, começa a transmissão de dados, que tem uma série de “símbolos” que funcionam muito como os símbolos M-ARY FSK, mas em vez disso acontecem em um chilrear. Veja a Figura 2.

Figura 2. Modulação de dados LoRa

Outro recurso poderoso do LoRa é a capacidade de demodular vários sinais “ortogonais” ou simultâneos na mesma frequência, supondo que eles tenham taxas de chirp diferentes. Na folha de dados, as taxas de chirp LoRa são chamadas de “fatores de espalhamento”, com fatores de espalhamento mais altos denotando chirps mais lentos. Esta função é suportada pelo chip SX1301 da Semtech. Todos os sistemas de gateway do Link Labs têm a capacidade de decodificar muitos chirps LoRa simultâneos, o que permite que redes muito grandes sejam construídas.

Veja o exemplo de Gateway LoRaWAN para desenvolvedores.

Construir uma rede ou sistema LoRa requer um enorme desenvolvimento. Mudar de LoRa para um sistema sem fio em funcionamento é análogo a passar de um chip de rádio BPSK para uma rede sem fio. As funções da camada 2 do OSI e superiores de grandes redes que incluem gateways, repetidores, endereçamento, taxas de dados adaptáveis, novas tentativas de mensagens, confirmações de mensagens e sinais de downlink OFDM de alta capacidade são funções de sistemas como LoRaWAN e Symphony Link.

»Saiba mais sobre o sistema Symphony Link da Link Labs.

LoRa Alliance

Houve um movimento para padronizar os recursos MAC para LoRa, denominado LoRa Alliance, do qual o Link Labs foi um dos primeiros membros. A LoRa Alliance desenvolveu o protocolo LoRaWAN para uso por operadoras de rede móvel que desejam usar espectro não licenciado para se comunicar com dispositivos IoT em sua rede.

Em contraste, Symphony Link é um protocolo padronizado desenvolvido por Link Labs e nossos clientes que amam a variedade de LoRa, mas precisam de um nível de desempenho que não está disponível com LoRaWAN. É focado especificamente na região 2 do ITU (Banda ISM de 915 MHz). O LoRaWAN é ideal para a região 1 da ITU, onde as restrições dos ciclos de trabalho do transmissor ETSI limitam muito a função que a estação base pode desempenhar na rede.

Alguns detalhes sobre LoRaWAN, o protocolo LoRa Alliance para LoRa:

• LoRaWAN é uma implementação do lado do servidor de um protocolo de acesso múltiplo projetado para minimizar colisões com um grande número de terminais. Requer um aplicativo de servidor para executar as funções MAC em uma conexão de rede.
• A arquitetura de rede LoRaWAN é normalmente apresentada em uma topologia estrela-das-estrelas na qual os gateways são uma ponte transparente que retransmite mensagens entre os dispositivos finais e um servidor de rede central no back-end.
• A lógica do cliente é integrada ao servidor de rede
• Ele é projetado principalmente para aplicativos somente de uplink com muitos endpoints ou aplicativos onde apenas algumas mensagens de downlink são necessárias (limitado pelo aplicativo ou pelo número de endpoints)
• Gateways na mesma rede requerem sincronização
• A comunicação entre dispositivos finais e gateways é espalhada em diferentes canais de frequência e taxas de dados. A seleção da taxa de dados é uma troca entre o alcance da comunicação e a duração da mensagem.
• Taxas de dados diferentes não interferem umas nas outras e criam um conjunto de canais "virtuais" aumentando a capacidade do gateway.
• O servidor de rede LoRaWAN gerencia a taxa de dados e a saída de RF para cada dispositivo final individualmente por meio de um esquema de taxa de dados adaptável (ADR) que normalmente é atualizado uma vez a cada 24 horas
• Múltiplas camadas de segurança / criptografia (EUI64 no nível da rede e no nível do aplicativo e chave específica do dispositivo EUI128)
• AES CCM (128 bits) para criptografia e autenticação
• Funciona dentro dos limites do ciclo de trabalho ETSI de 1% e 10% no tempo de transmissão nas 868 bandas
• Revisão preliminar da classe B para nós de downlink que podem pesquisar um beacon a cada 1s a 128s (protótipos de engenharia disponíveis agora usando LMiC da IBM) O período do beacon é 128s (2 ^ n) onde n é 0 a 7
• Diversidade de antena porque todos os gateways ouvem os mesmos canais de uplink
  
  

Usos de conectividade LoRa

Algumas empresas estão usando a pilha de tecnologia LoRa / LoRaWAN completa de maneiras interessantes, como rastreamento de ativos externos. Por exemplo, a Ofo, uma empresa chinesa de compartilhamento de bicicletas, está equipando suas bicicletas com dispositivos LoRa e tecnologia de radiofrequência sem fio para identificar a localização das bicicletas. A empresa opera atualmente em mais de 180 cidades na China.

Outro exemplo de utilização da rede LoRa vem da empresa PNI Sensor, com sede em Santa Rosa, Califórnia. O PNI usa a conectividade sem fio baseada no LoRaWAN para fornecer dados de estacionamento da cidade em tempo real, tornando mais fácil para os motoristas encontrar vagas disponíveis para gerenciamento de estacionamento público e privado na rua e fora dela. O objetivo final é reduzir o congestionamento do tráfego e as emissões de carbono causadas pelos motoristas que refazem seus passos repetidamente em um esforço para encontrar estacionamento disponível.

Uma série de indústrias está aproveitando o padrão LoRaWAN aberto para dispositivos IoT, incluindo agricultura (para irrigação / monitoramento do nível de água e controle de pragas), serviços públicos (para medidores elétricos inteligentes, iluminação e cenários de gerenciamento de energia) e construção (para portas de edifícios e sensores de janela e aplicativos de saúde estrutural de edifícios).

Também há muitas empresas fazendo redes baseadas em LoRa que não são LoRaWAN.

Implantando seu dispositivo IoT usando LoRa

LoRaWAN é uma ótima escolha para protocolo se você deseja construir em redes públicas operadas e pertencentes a operadoras. Existem muitos fornecedores de hardware e servidor de rede competindo neste espaço, portanto, há muitas opções - o que é um grande benefício. Mas o processo de desenvolvimento e implantação de um sistema em torno do LoRaWAN é bastante complexo e será um desafio se você não tiver muito conhecimento ou experiência com protocolos de radiofrequência ou sistemas sem fio e planejamento. Você também precisará pensar se a implantação de uma rede LoRaWAN ™ atenderá às suas necessidades. Em alguns casos, pode ser melhor usar um protocolo personalizado, em que tudo o que você precisa fazer é enviar os dados para um nó que já está escrito para se conectar à nuvem. Se você usa o Symphony Link, por exemplo, já fizemos esse trabalho para você.

Qualquer que seja a rede certa para o seu aplicativo, os kits de desenvolvimento tornam o teste e a prototipagem mais fáceis. Aqui estão alguns kits de desenvolvimento que recomendo para começar com qualquer tecnologia que você escolher:

Para começar com LoRaWAN, experimente este kit de desenvolvimento da Multi-Tech Systems Inc.

Para criar seu próprio protocolo LoRa, compre um kit de desenvolvimento Semtech.