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Capa física LoRa e interfaz RF

Capa física LoRa e interfaz RF

La interfaz o capa física de LoRa RF / radio define la señal que es transmitida por los módulos y dispositivos LoRa.

La interfaz de radio LoRa define las propiedades, incluida la forma de onda de modulación, los niveles de potencia permitidos, las bandas que se pueden usar (y en qué continentes) junto con los protocolos de RF y todos los demás detalles sobre la señal y la interfaz de RF.

Bandas de frecuencia LoRa

El sistema inalámbrico LoRa hace uso de las frecuencias sin licencia que están disponibles en todo el mundo. Las frecuencias / bandas más utilizadas son:

  • Europa: 868 MHz
  • América del Norte: 915 MHz
  • Asia: 433 MHz

El uso de frecuencias más bajas que las de las bandas ISM de 2,4 o 5,8 GHz permite que los módulos y dispositivos inalámbricos LoRa logren una cobertura mucho mejor, especialmente cuando los nodos están dentro de edificios.

Aunque las bandas ISM de menos de 1 GHz se utilizan normalmente, la tecnología es esencialmente agnóstica en función de la frecuencia y se puede utilizar en la mayoría de las frecuencias sin un ajuste fundamental.

Modulación LoRa

La capa física de LoRa RF utiliza una forma de modulación de espectro ensanchado. El esquema de modulación LoRa utiliza pulsos modulados de frecuencia lineal de banda ancha. El nivel de aumento o disminución de frecuencia con el tiempo se utiliza para codificar los datos que se transmitirán, es decir, una forma de modulación de chirp.

Esta forma de modulación permite a los sistemas inalámbricos LoRa demodular señales que están 20dB por debajo del piso de ruido cuando la demodulación se combina con la corrección de errores hacia adelante, FEC. Esto significa que el presupuesto de enlace para un sistema LoRa puede proporcionar una mejora de más de 25 dB en comparación con un sistema FSK tradicional.

Como resultado del hecho de que la transmisión se difunde de una manera pseudoaleatoria, aparece como ruido y puede ser difícil de detectar para los usuarios que no son de Lora. Esto puede ayudar a la seguridad del sistema.

Una ventaja adicional del sistema es que la modulación chirp, y el sistema en general es tolerante a las compensaciones de frecuencia y, como resultado, es posible utilizar un oscilador de cristal básico con una tolerancia de 20 a 30 ppm en lugar de un oscilador de temperatura compensada, TCXO. . Esto puede proporcionar un buen ahorro de costes dentro del circuito electrónico del nodo.

Comunicaciones de datos LoRa

La comunicación entre diferentes dispositivos finales y pasarelas utiliza varios canales de frecuencia diferentes y utiliza diferentes velocidades de datos.

La elección de la velocidad de datos es un equilibrio entre el rango de comunicación y la duración del mensaje, es decir, la velocidad a la que se pueden enviar los datos requeridos. Las señales de mayor alcance pueden tener niveles más bajos en el receptor y esto significa que las velocidades de datos pueden reducirse para adaptarse a los niveles recibidos más bajos.

El uso de la tecnología de espectro ensanchado chirp permite que las comunicaciones con diferentes velocidades de datos no interfieran entre sí. De esta forma se crea un conjunto de canales "virtuales" que incrementan la capacidad de la pasarela.

Enlace adaptativo LoRa

El hecho de que solo se utilicen velocidades de datos bajas y niveles bajos de transferencia de datos en general significa que se requieren anchos de banda bajos. Hay una variedad de anchos de banda disponibles. Los principales son: 7,8 kHz; 10,4 kHz; 15,6 kHz; 20,8 kHz; 31,2 kHz; 41,7 kHz; 62,5 kHz; 125 kHz; 250 kHz; 500 kHz, aunque los tres primeros tienden a ser los más utilizados.

Además de la variedad de anchos de banda disponibles, LoRa utiliza seis factores de dispersión, designados de SF7 a SF12 para adaptar la velocidad de datos y la compensación de rango. Un factor de dispersión más alto permite un rango más largo a expensas de una velocidad de datos más baja y viceversa.

La combinación de ancho de banda y factor de ensanchamiento se puede elegir de acuerdo con las condiciones del enlace y el nivel de datos a transmitir. Un factor de dispersión más alto mejora el rendimiento de la transmisión para un ancho de banda determinado, pero también aumenta el tiempo de transmisión. Los factores de dispersión más largos proporcionan una mayor sensibilidad pero tiempos de transmisión más largos y, por lo tanto, velocidades de datos más bajas. Estos pueden variar desde 18 bps hasta 40 Kbps.

También es posible mejorar la inmunidad al ruido mediante el uso de corrección de errores hacia adelante. Sin embargo, esto reduce el rendimiento real de los datos porque la propia corrección de errores agrega datos de corrección adicionales para permitir que el receptor recupere el mensaje real en presencia de errores.

El nivel de potencia utilizado dentro de la capa física de RF inalámbrica de LoRa es adaptativo. El nivel de potencia utilizado depende de la velocidad de datos necesaria, las condiciones del enlace, etc. Se utiliza un algoritmo para determinar el nivel de potencia requerido; la potencia transmitida normalmente se retrasa un poco del máximo necesario para admitir comunicaciones rápidas y, de esta manera, la batería se maximiza la vida útil y se mantiene la capacidad de la red.

La capa física / interfaz de radio para el sistema inalámbrico LoRa proporciona un formato excelente para comunicaciones de baja potencia y baja señal. Esto lo hace ideal para comunicaciones de baja velocidad, baja potencia y larga distancia. La interfaz de RF permite que los nodos LoRa se ubiquen en muchas ubicaciones pobres y aún mantengan la conectividad

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