¿Qué es LoRa? Un desglose técnico

"¿Qué es LoRa?" Siempre que alguien me hace esta pregunta, es difícil saber exactamente cómo responder sin saber por qué están preguntando. Eso es porque LoRa puede referirse a más de una cosa:

• Técnicamente, es un esquema de modulación de radio, una forma de manipular una onda de radio para codificar información usando un formato de varios símbolos y chirridos.
• LoRa también se refiere a los sistemas que admiten la modulación, incluidos los chips LoRa y las puertas de enlace.
• A veces se refiere a la red de comunicación LoRa para aplicaciones de IoT.

LoRa, esencialmente, es una forma inteligente de obtener una muy buena sensibilidad del receptor y una baja tasa de error de bits (BER) a partir de chips económicos. Eso significa que las aplicaciones de baja velocidad de datos pueden obtener un alcance mucho más largo usando LoRa en lugar de usar otras tecnologías de radio de precio comparable.

A veces la gente también dice LoRa cuando se refieren a LoRaWAN .

Pero LoRaWAN es diferente. Es un protocolo de capa de control de acceso a medios (MAC) construido sobre LoRa, construido usando el esquema de modulación LoRa de Semtech. LoRaWAN, sin embargo, rara vez se usa para aplicaciones industriales (redes privadas). Se adapta mejor a las redes públicas de área amplia porque todos los canales están sintonizados en las mismas frecuencias; para uso en un solo área, es mejor tener solo una red operativa para evitar problemas de colisión.

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Debido a que todas las puertas de enlace de una red están conectadas al mismo servidor, el trabajo del servidor es decidir qué puerta de enlace debe responder a una transmisión. En una red grande, cualquier transmisión dada suele ser escuchada por múltiples receptores; el servidor le dice a una puerta de enlace que responda y a las otras que ignoren la transmisión. Este proceso ayuda a evitar colisiones de enlace descendente y ascendente, porque una única puerta de enlace está transmitiendo y las puertas de enlace que se superponen pueden simplemente escuchar otras transmisiones. (Puede leer más sobre LoRaWAN aquí).

Lo que mucha gente no se da cuenta es que hay una manera de utilizar la tecnología subyacente de LoRaWAN, que es LoRa, sin utilizando LoRaWAN. Symphony Link de Link Labs, por ejemplo, utiliza una capa MAC patentada sobre los chips de Semtech y tiene características adicionales que lo hacen más adecuado para empresas y clientes industriales que necesitan una forma de conectar de forma segura sus dispositivos IoT a la nube. Hay muchas empresas que utilizan chips LoRa para otros protocolos; todo lo que tienes que hacer es buscarlos.

La respuesta técnica a "¿Qué es LoRa?"

Desde un punto de vista técnico, LoRa es un formato de modulación único (y asombroso). Este video es la mejor introducción de LoRa que he encontrado. ( Advertencia:es muy técnico)

Generado por las partes IOT de Semtech LoRa, incluidos los chips transceptores SX1272 y SX1276, el formato de modulación de LoRa se describe mejor como un "chirrido de frecuencia modulada (FM)". La IP principal que habilita LoRa es la capacidad de generar un chirrido estable utilizando un bucle de bloqueo de fase frac-N (PLL). Aquí puede leer la patente principal de LoRa. Otros formatos de modulación incluyen modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), modulación por desplazamiento de fase (PSK), etc. Es importante recordar cuando se pregunte "¿Qué es LoRa?" que LoRa en sí mismo no describe la funcionalidad del sistema por encima de la capa física (medio de RF).

El protocolo LoRa IoT

UNA CAPA FÍSICA (CAPA PHY-OSI 1) COMPONENTE INALÁMBRICO

Semtech adquirió la tecnología inalámbrica LoRa a través de la adquisición de Cycleo SAS de Grenoble, Francia por $ 5 millones en 2012. ¡Una ganga!

Cuando se procesa un mensaje LoRa, se logra una ganancia de procesamiento adicional debido a la capacidad del módem para filtrar la señal de chirrido de rampa constante. Así es como se logra una alta sensibilidad. Para lograr el "bloqueo" de la señal LoRa, se transmite un preámbulo largo de "chirrido constante". (Ver Figura 1.) Este es realmente el poder de LoRa:que un chip económico con un cristal barato puede lograr una sensibilidad muy alta.

Figura 1. Preámbulo de Semtech LoRa

Este preámbulo se puede establecer como un número variable de "símbolos", que son solo el número de chirridos. Como puede imaginar, no hay selectividad entre un preámbulo de un transmisor LoRa y otro. Si hay un chirrido constante en la frecuencia correcta y en la frecuencia de chirrido correcta, un demodulador LoRa lo escuchará, ya sea del sistema previsto o no. Gestionar un sistema de receptor LoRa para que sea ágil frente a la interferencia de energía regular y La interferencia de LoRa es muy importante y es una parte clave de Symphony Link.

Una vez que un módem LoRa se ha "bloqueado" en la señal de preámbulo, el final del preámbulo es señalado por el "chirrido inverso" que se ve en la Figura 1.

Luego comienza la transmisión de datos, que tiene una serie de "símbolos" que funcionan de manera muy similar a los símbolos M-ARY FSK, pero que en su lugar ocurren con un chirrido. Vea la Figura 2.

Figura 2. Modulación de datos LoRa

Otra característica poderosa de LoRa es la capacidad de demodular varias señales "ortogonales" o simultáneas a la misma frecuencia, asumiendo que tienen diferentes tasas de chirp. En la hoja de datos, las tasas de chirrido de LoRa se denominan "factores de dispersión", y los factores de dispersión más altos indican chirridos más lentos. Esta función es compatible con el chip SX1301 de Semtech. Todos los sistemas de puerta de enlace de Link Labs tienen la capacidad de decodificar muchos chirridos LoRa simultáneos simultáneamente, lo que permite construir redes muy grandes.

Vea un ejemplo de LoRaWAN Gateway para desarrolladores.

La construcción de una red o sistema LoRa de este tipo requiere una gran cantidad de desarrollo. Pasar de LoRa a un sistema inalámbrico en funcionamiento es análogo a pasar de tener un chip de radio BPSK a tener una red WiFi. Las funciones OSI de capa 2 y superiores de grandes redes que incluyen puertas de enlace, repetidores, direccionamiento, velocidades de datos adaptables, reintentos de mensajes, reconocimientos de mensajes y señales de enlace descendente OFDM de alta capacidad son la función de sistemas como LoRaWAN y Symphony Link.

»Obtenga más información sobre el sistema Symphony Link de Link Labs.

Alianza LoRa

Ha habido un movimiento para estandarizar las características de MAC para LoRa llamado LoRa Alliance, de la cual Link Labs fue uno de los primeros miembros. LoRa Alliance desarrolló el protocolo LoRaWAN para que lo utilicen los operadores de redes móviles que desean utilizar espectro sin licencia para comunicarse con dispositivos IoT en su red.

Por el contrario, Symphony Link es un protocolo estandarizado desarrollado por Link Labs y nuestros clientes que aman la gama de LoRa, pero necesitan un nivel de rendimiento que no está disponible con LoRaWAN. Se centra específicamente en la región 2 de la UIT (banda ISM de 915 MHz). LoRaWAN es ideal para la región 1 de la UIT, donde las restricciones de los ciclos de trabajo del transmisor ETSI limitan en gran medida el papel que puede desempeñar la estación base en la red.

Algunos detalles sobre LoRaWAN, el protocolo de LoRa Alliance para LoRa:

• LoRaWAN es una implementación del lado del servidor de un protocolo de acceso múltiple diseñado para minimizar las colisiones con una gran cantidad de puntos finales. Requiere una aplicación de servidor para ejecutar las funciones MAC a través de una conexión de red.
• La arquitectura de red LoRaWAN generalmente se presenta en una topología de estrella de estrellas en la que las puertas de enlace son un puente transparente que retransmite mensajes entre los dispositivos finales y un servidor de red central en el backend.
• La lógica del cliente está integrada en el servidor de red
• Está diseñado principalmente para aplicaciones de solo enlace ascendente con muchos puntos finales, o aplicaciones donde solo se requieren unos pocos mensajes de enlace descendente (limitado por aplicación o por número de puntos finales)
• Las puertas de enlace dentro de la misma red requieren sincronización
• La comunicación entre los dispositivos finales y las puertas de enlace se distribuye en diferentes canales de frecuencia y velocidades de datos. La selección de la velocidad de datos es una compensación entre el rango de comunicación y la duración del mensaje.
• Las diferentes velocidades de datos no interfieren entre sí y crean un conjunto de canales "virtuales" que aumentan la capacidad de la puerta de enlace.
• El servidor de red LoRaWAN administra la velocidad de datos y la salida de RF para cada dispositivo final individualmente mediante un esquema de velocidad de datos adaptativa (ADR) que normalmente se actualiza una vez cada 24 horas
• Múltiples capas de seguridad / cifrado (EUI64 a nivel de red y nivel de aplicación y clave específica del dispositivo EUI128)
• AES CCM (128 bits) para cifrado y autenticación
• Funciona dentro de los límites del ciclo de trabajo del 1% y 10% de ETSI en el tiempo de transmisión en las bandas 868
• Borrador de la revisión de la clase B para los nodos de enlace descendente que pueden sondear una baliza cada 1 sa 128 s (prototipos de ingeniería disponibles ahora usando LMiC de IBM) El período de la baliza es 128 s (2 ^ n) donde n es de 0 a 7
• Diversidad de antenas porque todas las puertas de enlace escuchan los mismos canales de enlace ascendente
  
  

Usos de conectividad LoRa

Algunas empresas están utilizando la pila completa de tecnología LoRa / LoRaWAN de formas interesantes, como el seguimiento de activos al aire libre. Por ejemplo, Ofo, una empresa china de bicicletas compartidas, está equipando sus bicicletas con dispositivos LoRa y tecnología de radiofrecuencia inalámbrica para identificar la ubicación de las bicicletas. Actualmente, la empresa opera en más de 180 ciudades de China.

Otro ejemplo de la utilización de la red LoRa proviene de la empresa PNI Sensor, con sede en Santa Rosa, California. PNI utiliza conectividad inalámbrica basada en LoRaWAN para entregar datos de estacionamiento en la ciudad en tiempo real, lo que facilita a los conductores encontrar espacios de estacionamiento disponibles para la gestión de estacionamiento público y privado en la vía y fuera de ella. El objetivo final es reducir la congestión del tráfico y las emisiones de carbono causadas por los conductores que vuelven sobre sus pasos repetidamente en un esfuerzo por encontrar estacionamiento disponible.

Varias industrias están aprovechando el estándar abierto LoRaWAN para dispositivos de IoT, incluida la agricultura (para el control de nivel de agua / riego y control de plagas), servicios públicos (para medidores eléctricos inteligentes, iluminación y escenarios de gestión de energía) y construcción de edificios (para puertas de edificios). y sensores de ventanas y aplicaciones de salud estructural de edificios).

También hay muchas empresas que utilizan redes basadas en LoRa que no son LoRaWAN.

Implementación de su dispositivo de IoT mediante LoRa

LoRaWAN es una excelente opción para el protocolo si desea construir sobre redes públicas propiedad y operadas por operadores. Hay muchos proveedores de hardware y servidores de red que compiten en este espacio, por lo que hay muchas opciones, lo cual es un gran beneficio. Pero el proceso de desarrollar e implementar un sistema alrededor de LoRaWAN es bastante complejo y será un desafío si no tiene mucha experiencia o experiencia con protocolos de radiofrecuencia o sistemas inalámbricos y planificación. También deberá pensar si la implementación de una red LoRaWAN ™ satisfará sus necesidades. En algunos casos, podría ser mejor usar un protocolo personalizado, donde todo lo que tiene que hacer es enviar datos a un nodo que ya está escrito para conectarse a la nube. Si usa Symphony Link, por ejemplo, ya hemos hecho este trabajo por usted.

Cualquiera que sea la red adecuada para su aplicación, los kits de desarrollo facilitan las pruebas y la creación de prototipos. Aquí hay algunos kits de desarrollo que recomiendo para comenzar con cualquier tecnología que elija:

Para comenzar con LoRaWAN, pruebe este kit de desarrollo de Multi-Tech Systems Inc.

Para crear su propio protocolo LoRa, compre un kit de desarrollo de Semtech.