1) Что такое модуляция 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 модуляция 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 (англ. FSK – frequency shift keying) нужна мощность сигнала как минимум на 8-10 дБ выше уровня шума. Модуляция LoRa определяет тот физический уровень (иногда называется – слой) PHY (англ. PHY – physical layer), который может быть использован с различными протоколами и в различных вариантах сетевой архитектуры, таких как сетка (Mesh), звезда (Star), точка к точке (point-to-point) и т.п.
Примечание: физический уровень PHY – это интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI. Микросхемы физического уровня PHY позволяют другим микросхемам, уже канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи.
2) Что такое LoRaWAN?
Модуляция LoRa является, как уже говорилось выше, физическим уровнем, а LoRaWAN (Long Range Wide-Area Networks) – это MAC протокол для высокоёмких сетей с большим радиусом действия и низким собственным потреблением мощности, который организация под названием LoRa Alliance стандартизировала для маломощных глобальных радиальных сетей LPWAN (Low Power Wide Area Networks) типа звезда. Протокол LoRaWAN оптимизирован для малобюджетных сенсоров с работой от батарей и включает в себя различные классы узлов, обеспечивая компромисс между скоростью доставки информации и временем работы устройств при использовании питания от батарей (аккумуляторов.) Протокол обеспечивает полную двухстороннюю связь, а архитектура посредством специальных методов шифрования, обеспечивает общую надежность и безопасность всей системы.
Архитектура LoRaWAN была разработана для облегчения обнаружение мобильных объектов, что является одним из наиболее быстро растущих приложений на уровне Интернета вещей IoT (Internet Of Things). Протокол LoRaWAN разрабатывается для использования в общенациональных сетях крупных операторов связи. С этой целью организация LoRa Alliance стандартизирует свой протокол LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия со всеми основными глобальными операторами.
3) Что такое LoRa шлюз?
Шлюзы LoRa предназначены для использования в радиальных звездообразных сетевых архитектурах большого радиуса действия, и они используются в системе LoRaWAN. Из-за свойств технологии LoRa эти шлюзы могут представлять собой многоканальные мультимодемные трансиверы, которые способны выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляции множества сигналов на одном и том же канале. Эти шлюзы используют иные радиочастотные компоненты, чем те, которые применяются в конечной точке для обеспечения высокой ёмкости сети. Шлюзы служат в качестве интерфейса в виде прозрачного моста для передачи сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети.
Шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения, а конечные устройства используют беспроводную коммутацию к одному или нескольким шлюзам. Все конечные точки связи, как правило, являются двунаправленными, но они также поддерживают и функционирование в режиме, обеспечивающим возможность осуществления группового обновление программного обеспечения по радиоканалу или передачу иных массовых сообщений, что позволяет сократить время на их передачу. В зависимости от желаемой их канальной ёмкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут устанавливаться как внутри помещений, так и на вышках.
4) Какая возможная скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN?
Скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN в системе LoRa лежит в диапазоне от 0,3 до 11 кбит/с. Для Европы доступен один GFSK канал (Gaussian Frequency-Shift Keying - модуляция в виде частотной манипуляции, при которой используется фильтр Гаусса для сглаживания) передачи информации с подтоком данных в 50 кбит/с. В Северной Америке, из-за ограничений, накладываемых FCC (Federal Communications Commission - Федеральная Комиссия Электросвязи США), минимальная скорость передачи данных составляет 0,9 кбит/с.
Чтобы продлить срок службы батареи (аккумулятора) в конечном устройстве и общую пропускную способность сети, сетевой сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и радиочастотным выходом каждого конечного устройства по отдельности. Управление осуществляется с помощью алгоритма адаптивной скорости передачи данных ADR (Adaptive Data Rate). Это имеет решающее значение для высокой производительности сети, и позволяет осуществлять её необходимую масштабируемость. Сеть может быть развёрнута с минимальными инвестициями в инфраструктуру и с той её ёмкостью, которая конкретно необходима для данного применения. Если развернуто много шлюзов, то технология ADR будет смещать скорость передачи данных в сторону повышения, что обеспечит масштабирование ёмкости сети в пределах от 6 до 8 раз.
5) Что такое LoRa концентратор?
В рассматриваемой тематике используются оба термина: и «шлюз», и «концентратор», но они эквивалентны, если только о них идет речь как о компонентах системы LoRa. В других же отраслях под определением «шлюз» и «концентратор» могут подразумеваться совершенно разные компоненты.
6) Насколько успешно система LoRa противостоит внешним радиопомехам?
Модем LoRa на совмещенном GMSK канале имеет возможность подавления помех до 19,5 дБ (за счёт Гаусовой фильтрации) или, говоря другими словами, он может принимать и демодулировать сигналы на 19,5 дБ ниже уровня помех или шумов. Этот иммунитет к помехам позволяет использовать простую и недорогую систему с LoRa модуляцией в тех местах, где имеется тяжелая спектральная обстановка или в гибридных сетях связи. В этих случаях использование технологии LoRa позволяет расширить диапазон покрытия связи, в то время как другие варианты модуляции тут оказываются бессильны.
7) Какая возможная скорость передачи данных для LoRaWAN?
Протокол LoRaWAN определяет конкретный набор скоростей передачи данных, но оконечный чип или так называемый физический слой PHY, то есть сама интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI, способен дать больше вариантов. Например, ИС SX1272 поддерживает скорости передачи данных от 0,3 до 37,5 кбит/с, а SX1276 от 0,018 до 37,5 кбит/с.
8) Что такое оконечное устройство (End Node) системы LoRa или её точка (Point)?
Оконечные устройства LoRa (endpoints - конечные точки) являются элементами сети системы LoRa, где они выполняют такие функции, как измерение или управление и контроль. Они располагаются удаленно и имеют батарейное питание. Используя сетевой протокол LoRaWAN, эти конечные точки могут быть настроены для связи с шлюзом LoRa (концентратором или базовой станцией).
9) Что такое адаптивная скорость передачи данных ADR?
Адаптивная скорость передачи данных ADR (Adaptive Data Rate) представляет собой метод, при котором фактическая скорость передачи данных регулируется таким образом, чтобы обеспечить надёжную доставку пакетов, обеспечить оптимальную производительность сети и необходимый масштаб для её загрузки. Так, например, узлы более близкие к шлюзу будут использовать и более высокую скорость передачи данных (а, следовательно, более короткое время активной передачи по радиоканалу) и меньшую выходную мощность. Только самые удаленные узлы будут использовать низкую скорость передачи данных и высокую выходную мощность передатчика LoRa. Технология адаптивной скорости передачи данных ADR может внести необходимые изменения в сетевую инфраструктуру и, таким образом, компенсировать различные потери на трассе передачи сигнала.
Чтобы увеличить срок службы батареи конечных устройств и общую пропускную способности сети, сетевая инфраструктура LoRa управляет скоростью передачи данных, а радиочастотный выход подстраивается посредством использования технологии ADR для каждого конечного устройства индивидуально.
10) Какая фактическая мощность в антенне может быть достигнута от передатчика устройств LoRa?
Выходная мощность непосредственно на выходе чипа равна +20 дБм, а на антенне после согласования и фильтрации в результате неизбежных потерь она составляет уже + 19 дБм +/- 0,5 дБ. Различные государства и даже их регионы имеют различные правила для максимально допустимой мощности. Чтобы достичь разрешенного максимума и, соответственно, максимальной зоны покрытия, протокол LoRaWAN позволяет установить различные значения выходной мощности, приемлемые для различных мест использования системы.
11) Какая стоимость решений LoRa?
С устройствами LoRa (например, SX1272 или SX1276) может применяться более дешевый кварцевый резонатор. В отличие от этой технологии, в узкополосных системах необходимо использовать дорогой термостатированный кварцевый генератор, так как для них необходимо свести к минимуму дрейф частоты, как во время приёма, так и во время передачи. Типичный перечень элементов для полного конечного узла в зависимости от объёма и особенностей имеет стоимость на уровне $2 – $5. Увеличение зоны покрытия передачи означает не только более простую сетевую инфраструктуру, но и позволяет снизить общие затраты на её развёртывание, так как отпадает необходимость в ретрансляторах (репитерах). Более низкие уровни энергопотребления дают возможность использовать более дешевые батареи и экономить на обслуживании сети.
12) Что представляет собой система обнаружения активности канала (CAD) в LoRa?
Для того чтобы определить присутствует сигнал или нет, вместо использования индикатора мощности принятого сигнала (RSSI) в системе LoRa для идентификации присутствия сигнала используется комбинированная адаптивная система обнаружения активности канала CAD (Channel Activity Detection). Она имеет возможность различать шум и полезный сигнал LoRa. Процесс функционирования этой системы требует двух символов, и если система обнаружила сигнал, то прерывание по CAD_Detected даст подтверждение и в этом случае для того, чтобы получить полезные данные, устройство останется в режиме приёма.
13) Почему выходная мощность моего LoRa устройства или модуля не в состоянии достичь мощности в 20 дБм?
Спецификация дает значение выходной мощности в +20 дБм непосредственно на выходе микросхемы. Полосовой фильтр и высокочастотный ключ, как и все радиочастотные элементы, характеризуются определенными потерями. После согласования антенны и фильтрации типичная мощность в антенне составит +19 дБм.
14) Можно ли часто выполнять переключения между режимами модуляции FSK и LoRa?
Да, это не вызовет никаких проблем. Устройство LoRa может переключаться с режима частотной манипуляция FSK в режим модуляции LoRa, и наоборот. Операция выполняется с помощью простой записи в SPI-регистр. Такое переключение не окажет никакого заметного влияния на производительность или надёжность. Устройство LoRa может быть настроено и без проблем переконфигурировано в части любого из параметров, как это указано в спецификациях.
15) Что надо делать в том случае, если выходная мощность не в состоянии достичь значения в +20 дБм?
1) Убедитесь, что вы правильно подключили вывод (PA_Boost) для установки мощности на 20 дБм. Для каждого диапазона существуют два выходных порта. Одним из них мощный – называется PA_boost, другой – высокой эффективности и называется RFO.
2) Затем проверьте конфигурацию в SW. Должны быть правильно настроены три регистра: RegPaConfig, RegOcp и RegPaDac. Это означает, что вы должны выбрать правильный вывод микросхемы для правильного выхода в SW, а затем установить правильное значение соответствующее необходимому вам уровню мощности.
3) Убедитесь, что разводка вашей платы совпадает с эталонной конструкцией, которую предлагает компания Semtech. Правильная разводка печатной платы крайне важна для достижения максимально возможной выходной мощности.
16) Как я могу осуществить приемо-сдаточные испытания для проверки качества серийной продукции при массовом производстве системы LoRa?
Для того чтобы проверить и гарантировать качество продукции в условиях серийного производства, важен контроль трёх параметров: допустимое отклонение частоты (точность установки частоты), выходная мощность и чувствительность. Частоту и мощность легко проверить с помощью анализатора спектра. Если ваш генератор сигналов не может генерировать сигнал LoRa, то мы настоятельно советуем проводить испытания чувствительности в режиме частотной манипуляции FSK.
В чипе имеется только одна радиочастотная цепь, а FSK и LoRa демодуляция выполняются в его цифровой части. Потенциально путь прохождения радиочастотного сигнала может быть нарушен, например, из-за наличия непропая в цепи постоянного тока, так что эту цепь также необходимо проверять. Цифровая часть чипа, где выполняется собственно модуляция LoRa и FSK, не связана непосредственно со сборкой конечного устройства. Так что тестирование чувствительности в режиме FSK является вполне достаточным для его проверки в ходе приёмо-сдаточных испытаний. Цифровая часть и модуляция LoRa протестированы непосредственно при испытаниях по проверке качества самих чипов.
17) Как правильно выбрать кварцевый резонатор для устройства LoRa?
Как правило, обычный кварцевый резонатор (XTAL) с точностью +/- 10 ppm, является вполне достаточным для большинства систем с шириной полосы рабочих частот 62,5 кГц и выше. Для устройств с рабочей шириной полосы частот меньшей, чем 62,5 кГц, мы настоятельно советуем использовать термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТСХО). Для более подробной информации о требованиях к кварцевому резонатору смотрите спецификацию или используйте инструмент для проектирования модемов LoRa и сопутствующих этому расчетов «LoRa Modem Calculator», а также справочный материал по выбору и применению кварцев в устройствах системы LoRa «AN1200.14 LoRa Modulation: Crystal Oscillator Guidance».
18) Как можно измерить точность частоты сигнала в режиме модуляции LoRa для широкополосных LoRa систем?
Если это необходимо вам просто для измерения, то вы можете использовать режим синтезатора частоты передатчика (FSTX), как это указано в таблице регистров LoRa, чтобы сгенерировать тональную модуляцию несущей (CW) на основе возможностей конфигурации системы LoRa.
19) Какая связь между шириной полосы (BW), символьной скоростью (Rs) и скоростью передачи данных (DR)?
В теории, Rs=BW/(2^SF), DR= SF*( BW/2^SF)*CR, но, для того чтобы оценить скорость и необходимое время работы радиоканала передачи данных для различных вариантов конфигурации, мы настоятельно рекомендуем вам использовать для этого инструмент для проектирования модемов LoRa и выполнения необходимых сопутствующих расчетов «LoRa Modem Calculator» компании Semtech.
20) Как сделать правильный выбор рабочей ширины полосы частот LoRa (BW), коэффициента расширения спектра (SF) и скорости кодирования (CR)?
Протокол LoRaWAN использует в первую очередь установку полосы в 125 кГц, но другие запатованные протоколы могут использовать и другие настройки. Изменения таких параметров, как полоса - BW (BandWidth), коэффициент расширения спектра - SF (Spreading Factor), и скорость кодирования - CR (Coding Rate) меняют и энергетический баланс линии связи, и время работы радиоканала, что оказывает влияние на срок службы батареи по сравнению с компромиссным значением в части используемой ширина рабочей полосы частот. Чтобы сделать оценку в части компромиссных решений используйте инструмент для проектирования модемов LoRa и выполнения необходимых сопутствующих расчетов «LoRa Modem Calculator».
21) Какие необходимо предпринять шаги для устранения проблемы, если два модуля с ИС SX127x от разных производителей не в состоянии общаться друг с другом?
Прежде всего необходимо проверить, не имеется ли место недопустимое смещение центральной частоты, которое может быть вызвано разными частотами кварцевых резонаторов этих двух устройств. Рабочая ширина полосы частот канала BW, центральная частота и скорость передачи данных являются производными от частоты кварцевого генератора. Во-вторых, проверьте настройки программного обеспечения и прошивки с обеих сторон для значений частоты, ширины полосы, коэффициента расширения спектра, скорости и саму структуру пакетов кодирования. Необходимо, чтобы они находились в полном соответствии.
22) Возможна ли ситуация, когда в режиме LoRa будет получен неправильный пакет даже с включенной функцией проверки контрольной суммы пакета CRC?
В режиме LoRa, даже если контрольная сумма пакета (CRC) будет ошибочна, пакет все равно будет помещен в очередь FIFO. Бит PayloadCrcError должен проверяться перед тем, как из пакета будут извлечены полезные данные. В режиме Explicit Header существует вероятность того, что обнаружение ошибки может привести к возникновению пакета “призрака”. В одном случае ошибочный заголовок содержит включенный бит CrсOn и, следовательно, полезные данные будут неверны и модем отметит эти данные включением бита PlayloadCrcError, в этом случае данные могут быть отфильтрованы просто.
В другом случае, если ошибочный заголовок имеет выключенный флаг CrcOn, то пакет будет считаться верным. Такие пакеты появляются нечасто и будут иметь случайную длину (извлеченную из ошибочного заголовка), и могут быть легко отфильтрованы на принимающей стороне, например, по непредвиденно странному размеру этого пакета.
23) Могу ли я с устройством LoRa отправить или получить пакет полезной нагрузки с неограниченной длиной пакета?
Нет, не можете, поскольку максимальная длина пакета в режиме LoRa составляет 256 байт.
24) Могу ли я использовать выводы DIOx в режиме LoRa? Должны ли все выводы DIOx быть подключены к микропроцессору (MCU)?
Когда Вы начинаете разработку, проверьте сопоставление DIO, как в режиме LoRa так и в режиме FSK. Вы можете найти информацию о сопоставление DIO в руководстве режима LoRa для SX127x. DIO не работают так, как работают привычные нам (типичные) GPIO. Они имеют несколько специальных сигналов прерываний (или тактовых выходов) для отображения событий и состояния чипсета, которые позволяют создавать FW разработки более простыми в реализации. Теоретически, вы можете не подключать выводы DIO, а затем с помощью подтягивающих резисторов определять статус результата. Однако, мы советуем использовать выводы DIO настолько насколько это возможно для использования функциональности внешних прерываний, которые экономят производительность процессора и дают возможность для работы в режиме низкого энергопотребления (когда идёт приём или передача данных процессор может находиться в спящем режиме).
25) Почему в режиме LoRa имеется два регистра RSSI? В чем их различие?
Оба регистра и RegPktRssiValue и RegRssiValue полезны в режиме LoRa. Регистр RegPktRssiValue относится к уровню RSSI пакетов, а регистр RegRssiValue похож на тот RSSI, который можно найти при использовании режима FSK (то есть не в режиме LoRa).
Как вам уже известно, LoRa может осуществлять демодуляцию пакета ниже уровня шума (PktRssi результат), тогда значение CurrentRssi будет равно или больше, чем уровень шума. Для более подробной информации о том, как вычислить эти два значения RSSI, пожалуйста, обратитесь к Semtech API или к последним версиям спецификаций LoRa.
26) Как можно рассчитать фактическую скорость цифрового потока и время работы радиоканала для системы LoRa?
Следуйте инструкциям (i - V) перечисленным ниже:
Всё это легко вычислить с помощью калькулятора LoRa, который может быть загружен с сайта компании Semtech по следующей ссылке: http://www.semtech.com/apps/filedown/down.php?file=SX1272LoRaCalculatorSetup1%271.zip
27) Может ли длина полезной нагрузки в режима LoRa для любой скорости передачи быть установлена равной 256 байт?
Устройство LoRa SX127x в режиме LoRa имеет FIFO 256 байт. В теории, для передачи или приёма могут быть использованы все 256 байт. Тем не менее, при конфигурации системы для работы с низкой скоростью передачи данных, время работы радиоканала при 256 байт полезной нагрузки будет очень длительным (несколько секунд или даже больше). С точки зрения устойчивости к замираниям при похождении сигнала (так называемый – фединг), а также в случае высокого уровня помех для радиосвязи в окружающей среде, это не всегда приемлемо. Таким образом, такая конфигурация не сможет обеспечить высокою устойчивость в большинстве сложных для радиосвязи сред.
Как выход из положения, предполагается, что в случае, если желательно иметь длинную полезную нагрузку с низкой скоростью передачи данных, то для этого такой пакет необходимо разбить на несколько более коротких пакетов.
28) Система LoRa – это ячеистая сеть (mesh), сеть «точка к точке» (point-to-point) или радиальная сеть типа звезда (star)?
Сама модуляция LoRa является низшим физическим уровнем (слоем) PHY, поэтому может быть использована во всех сетевых топологиях. Ячеистая сеть расширяет диапазон сети, но это происходит за счет понижения её 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 развёртывание.
29) Доступны ли для LoRa сетевые протоколы IPv6 или 6LoWPAN?
Да, система LoRa и протоколы IPv6 и 6LoWPAN совместимы. Протоколы компании Actility (как партнера LoRa), а также и другие протоколы партнеров с поддержкой 6LoWPAN, могут использоваться с LoRaWAN.
30) Какая пропускная способность шлюза LoRa? Сколько узлов могут быть подсоединены к одному шлюзу?
Ёмкость в первую очередь является следствием того числа пакетов, которые могут быть получены в данный момент времени. Один шлюз SX1301 с 8 каналами, используя протокол LoRaWAN, способен получить около 1,5 млн. пакетов в день. Так что, если ваше приложение отправляет один пакет в час, то один шлюз SX1301 может с успехом обслуживать до 62500 конечных устройств.
