Podstawy
Czym jest LoRa (Long Range)?
LoRa to technologia komunikacji bezprzewodowej, która umożliwia przesyłanie danych na duże odległości wykorzystując urządzenia o małej mocy. Jest szczególnie popularna w aplikacjach Internetu Rzeczy (IoT), gdzie urządzenia muszą komunikować się na dużych odległościach przy minimalnym zużyciu energii.
Kluczowe cechy LoRa
Duży zasięg
LoRa umożliwia komunikację na odległości od kilku kilometrów w miastach do 15 km w obszarach wiejskich, w zależności od warunków środowiskowych.
Niskie zużycie energii
Technologia ta jest zoptymalizowana pod kątem niskiego zużycia energii, co pozwala urządzeniom na pracę na małych bateriach przez wiele lat.
Wysoka odporność na zakłócenia
Dzięki zastosowanej modulacji, LoRa jest w stanie skutecznie funkcjonować w trudnych warunkach, z dużą ilością zakłóceń.
Skalowalność
LoRa obsługuje wiele urządzeń jednocześnie, co czyni ją idealną do tworzenia dużych sieci sensorów.
Elastyczność
Umożliwia przesyłanie różnych typów danych, takich jak lokalizacja GPS, dane meteorologiczne, a także informacje o stanie urządzeń.
Modulacja w LoRa: Chirp Spread Spectrum (CSS)
Chirp Spread Spectrum (CSS) to technika modulacji stosowana w technologii LoRa. Poniżej przedstawiono kluczowe cechy tej modulacji.
Cechy modulacji CSS
Chirp
W modulacji CSS sygnał jest modulowany w formie "chirp", co oznacza, że jego częstotliwość zmienia się w czasie, co może być zarówno wzrostem, jak i spadkiem częstotliwości.
Rozpraszanie
Technika ta polega na rozpraszaniu sygnału na szerokim zakresie częstotliwości. Dzięki temu sygnał zajmuje większą przestrzeń w pasmie, co zwiększa jego odporność na zakłócenia i pozwala na transmisję na duże odległości.
Zalety modulacji CSS
Odporność na zakłócenia
Dzięki rozpraszaniu sygnał jest mniej podatny na zakłócenia, co poprawia jakość komunikacji w trudnych warunkach.
Duży zasięg
LoRa charakteryzuje się rozległym zasięgiem, pozwalającym na komunikację nawet na znaczne odległości – to kluczowa cecha dla rozwiązań IoT.
Niskie zużycie energii
CSS pozwala na efektywną transmisję danych przy niskim zużyciu energii, co jest istotne dla urządzeń działających na bateriach.
Zastosowanie CSS w LoRaWAN
LoRa jest często stosowana w ramach protokołu LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), który określa, jak dane są przesyłane w sieciach IoT. Modulacja CSS jest kluczowym elementem, który umożliwia realizację długozasięgowych, niskonakładowych połączeń.
LoRa to innowacyjna technologia, która łączy długi zasięg, niskie zużycie energii i odporność na zakłócenia, co czyni ją idealnym rozwiązaniem dla aplikacji Internetu Rzeczy. Modulacja Chirp Spread Spectrum (CSS) jest podstawą jej działania, zapewniając niezawodność i efektywność w komunikacji.
LoRa APRS
LoRa APRS to system łączności radiowej, który łączy technologie LoRa (Long Range) i APRS (Automatic Packet Reporting System). Jest wykorzystywany przez krótkofalowców do przesyłania danych telemetrycznych, lokalizacyjnych oraz krótkich wiadomości tekstowych.
Czym jest LoRa APRS?
LoRa APRS pozwala na przesyłanie informacji APRS na duże odległości przy znacznie mniejszym zużyciu energii w porównaniu do tradycyjnych systemów APRS opartych na VHF (144.800 MHz w Europie). Dzięki temu możliwe jest np. śledzenie pojazdów, balonów stratosferycznych, a także użycie w sytuacjach awaryjnych.
Zalety LoRa APRS
Daleki zasięg
W zależności od anten, złącz, przewodów, modułów do kilkunastu kilometrów w terenie zabudowanym, a nawet ponad 100 km w otwartym terenie.
Niskie zużycie energii
Idealne do urządzeń przenośnych i zastosowań IoT.
Łatwa integracja
Możliwość użycia popularnych modułów LoRa (np. RFM95, SX1276) oraz współpracy z popularnymi aplikacjami APRS.
Niska cena urządzeń
Koszt urządzeń to ok 50-200 złotych co w porównaniu z kosztami urządzeń APRS w paśmie 2m sprawia, że budowanie kolejnych węzłów sieci jest bardzo tanie oraz umożliwia większej ilości użytkowników na pracę w sieci.
Standardy pracy sieci LoRa APRS
Wolny standard (300 bps)
Częstotliwość głównie 433.775 MHz używana w Europie zachodniej oraz pozostałych części świata. Wyjątkiem jest UK z pracą na 439.9125 MHz.
Częstotliwość
433.775 MHz
Szerokość (bandwith)
125 kHz
CR
4:5
SF (Spreading Factor)
12
Szybki standard (1200 bps)
Częstotliwość poza pasmem ISM. Tryb pracy użytkowany głównie w Polsce. Część użytkowników wykorzystuje ten tryb pracy jako tryb Digi na częstotliwości 433.900 MHz.
Częstotliwość
434.855 MHz
Szerokość (bandwith)
125 kHz
CR
4:7
SF (Spreading Factor)
9
Dlaczego w Polsce stosuje się inną częstotliwość niż w Europie zachodniej
Początkowo developerzy rozwijający sieć LoRa APRS w Austrii (OE) wybrali częstotliwość pracy 433.775MHz oraz prędkość 300bps. Częstotliwość ta znajduje się w obrębie ogólnodostępnej części pasma 70cm (ISM) na której pracują różne urządzenia takie jak piloty do bram, stacje pogodowe itp.
Wybór takiej a nie innej częstotliwości podyktowany był prawopodobnie trudnością w ustaleniu jednej wspólnej częstotliwości dla większej ilości krajów. Pasmo 70cm jest bowiem pasmem współużytkowanym i alokacja częstotliwości oraz przeznaczenia w poszczególnych krajach jest różna. Jedynym wspólnym wycinkiem jest właśnie pasmo ISM.
Początkową ideą pracy było udostępnianie lokalizacji stacji na dużym obszarze używając małej mocy.
Prędkość 300bps daje bardzo dobre wyniki jeśli chodzi o zasięg odbieranych stacji jednak czas trwania ramki ok 4s sprawia, że praktycznie niemożliwe jest używanie tej prędkości do konstrukcji sieci APRS znanej z APRS 2m w której działają digirepeatery pozwalające na bardzo duży zasięg komunikacji.
Z tego względu większość urządzeń pracujących z prędkością 300bps skupione jest na pracy jako IGATE czyli wrzuca odebrane ramki na serwery APRSIS – skutek jest pojawienie się na mapie aprs.fi lub podobnej. Wysyłanie wiadomości pomiędzy użytkownikami odbywa się za pośrednictwem sieci internetowej lub w mniejszej skali poprzez HamNet.
Krótkofalowcy w Polsce którzy zaczęli eksperymentować z Lora APRS chcieli stworzyć oprogramowanie które pozwala na pracę w sieci LoRa APRS w pełni radiową. W prace nad LoRa APRS zaangażowanych było więcej osób, które tworzyły oprogramowanie pod „przewodnictwem Ryszarda SQ9MDD", którego kontynuacją jest oprogramowanie rozwijane przez Thomasa DL9SAU.
Autor SP9DLM poziom tła na częstotliwości 434.855 MHz
Autor SP9DLM widmo pasma na częstotliwości 433.775 MHz
W trakcie prac nad stworzeniem sieci napotkali problem niskiej przepustowości sieci o prędkości 300bps oraz zakłóceń pochodzących od urządzeń pracujących na częstotliwościach ISM.
Przeprowadzili testy i okazało się, że prędkość 1200bps pozwala na zachowanie równowagi pomiędzy zasięgiem a przepustowością sieci. Wiąże się to również ze zmianą QRG na 434.855, która nie jest tak zakłócona jak 433.775 i jest zlokalizowana poza pasmem ISM. Na częstotliwościach ISM pracuje wiele urządzeń, takich jak inteligentne liczniki, stacje pogodowe itp. Tak więc podejmując te dwie decyzje, znaleźli dobrą równowagę, zyskali przepustowość sieci przy zmianie prędkości z 300bps na 1200bps, a także utrata czułości została częściowo zrekompensowana przez mniej QRM na nowej częstotliwości.
Zmiana prędkości pracy wiąże się z utratą czułości (czas trwania znaku jest krótszy).
Ze względu na rosnącą ilość użytkowników w oprogramowaniu tworzonym na potrzeby prędkości 300bps zaczęły się pojawiać sposoby na ograniczenie czasu trwania ramki (enkodowanie pozycji, wysyłanie komentarzy co x ramek).
Kluczowym elementem jest tutaj zmiana częstotliwości i ucieczka z zakłóconego pasma ISM.
Częstotliwość 434.855 nie jest idealna i jeśli udałoby się skoordynować jedną częstotliwość dla całej Europy poza pasmem ISM byłoby wskazane na nią przejść jednak jest to niezwykle trudne ze względu na różne przeznaczenia poszczególnych wycinków pasm w krajowych tablicach częstotliwości.
LoRa odporna jest na zakłócenia zewnętrzne jednak jak pokazują badania (źródło) zauważalny jest znaczny wpływ innych urządzeń LoRa na skuteczność dekodowania przesyłanych danych. Stąd prawdopodobnie zauważalny spadek zasięgu i skuteczności działania sieci LoRa APRS na częstotliwościach ISM (wielu producentów inteligentnych liczników, stacji pogodowych stosuje przesyłanie danych właśnie z wykorzystaniem LoRa. Tak więc zagęszczenie chociażby liczników zużycia energii wody czy gazu wpływa na znaczne mniejsze skuteczności odbierania sygnału w miastach.
Co dalej?
Sprawdź Zasady budowy sieci LoRa APRS a także odwiedź Wiki.
Często zadawane pytania
Stosowanie wzmacniaczy jest często nieefektywne – kluczowe jest prawidłowe umieszczenie anteny (np. na wysokości) oraz unikanie zakłóceń. Wzmacniacze mogą prowadzić do przeciążeń, podobnie jak w tradycyjnych sieciach 2m.
Należy używać anten o wysokim zysku, umieszczać stacje w wyniesionych lokalizacjach (np. na dachach), unikać pasma ISM oraz preferować prędkość 1200bps dla lepszej przepustowości i mniejszych zakłóceń.
LoRa to technologia fizycznej warstwy transmisji, podczas gdy LoRaWAN to protokół sieciowy definiujący sposób zarządzania komunikacją, bezpieczeństwem i routingiem w sieciach IoT opartych na LoRa.
Typowe błędy to: używanie słabych anten (np. dołączonych do modułów), lokalizowanie stacji w miejscach z ograniczonym zasięgiem oraz ignorowanie zakłóceń z pasma ISM.
Rozpraszanie sygnału na szerokim paśmie częstotliwości (technika CSS) minimalizuje wpływ zakłóceń i pozwala na detekcję sygnału nawet przy niskim stosunku sygnału do szumu, co wydłuża zasięg.
Kontakt
Masz dodatkowe pytania? Chcesz poważnie rozwijać sieć LoRa APRS w Polsce?
Napisz śmiało!