Радиоинтерфейс LoRa / LoRaWAN. Модуляция
LoRa (Long Range) — технология беспроводной связи, разработанная для дальней передачи данных с низким энергопотреблением и высокой надёжностью при сильных помехах, что делает её пригодной для IoT-приложений и маломощных сетей большой дальности.
AM — амплитудная модуляция
FM — частотная модуляция
Модуляция: Процесс кодирования информации на несущий сигнал путём изменения его частоты, амплитуды или фазы, позволяющий передавать полезные сигналы на расстояние.
Амплитудная модуляция (AM): Амплитуда несущего сигнала изменяется пропорционально информационному сигналу, в то время как частота и фаза остаются постоянными.
Частотная модуляция (FM): Частота несущего сигнала изменяется пропорционально информационному сигналу, тогда как его амплитуда остаётся постоянной.
LoRa применяет комбинированный метод модуляции на основе линейной частотной манипуляции (chirp spread spectrum, CSS), при котором частота сигнала непрерывно увеличивается или уменьшается в заданном диапазоне.
Модуляция LoRaWAN использует ЛЧМ (линейную частотную манипуляцию) или CSS (chirp spread spectrum).
Радиоинтерфейс LoRa / LoRaWAN. Модуляция
Чёрп-модуляция в LoRa состоит из нерегулярных разрывов цикла, то есть цикл может прерваться в любой точке, а не через равные промежутки времени. Это создаёт временные сдвиги, повышая устойчивость и помехозащищённость.
Модуляция LoRaWAN происходит путём «разрыва» цикла в промежуточных точках, интерпретируемых как временные сдвиги.
Радиоинтерфейс. Коэффициент расширения спектра
Коэффициент расширения спектра (SF): Обозначает «скорость» изменения частоты в ЛЧМ-сигналах. Более высокие значения SF означают более медленное изменение частоты.
Изменение SF на одну единицу означает удвоение времени цикла (чёрпа). При SF=7 и полосе пропускания 125 кГц длительность чёрпа составляет 1,024 миллисекунды.
Длина чёрпа влияет на шум сигнала, улучшая распознавание сигнала на выходе. Это позволяет обнаруживать сигнал при меньшей энергии и сниженных уровнях RSSI.
Концепция упрощённо: Воспринимайте SF как «объектив с зумом» — более высокий SF «приближает» для большей дальности, но замедляет передачу данных.
Ключевой принцип: Более высокий коэффициент расширения = большая дальность, но меньшая скорость передачи данных.
Кодирование данных
Кодирование: Добавление избыточной (контрольной) информации к передаваемым пользовательским данным для повышения вероятности успешного приёма.
Уровень избыточности определяется соотношением кодовой скорости (CR), например 4/5, что означает: из каждых 5 передаваемых бит 4 бита являются полезными данными, а 1 бит — контрольным (избыточным).
LoRaWAN использует кодовую скорость от 4/5 до 4/8.
Скорость передачи данных (бит/с) для полосы канала 125 кГц зависит от коэффициента расширения спектра (SF) и кодовой скорости (CR).
Пример сигнала LoRa
Взаимосвязь скорости передачи данных и дальности распространения
Взаимосвязь между коэффициентом расширения, скоростью передачи данных и дальностью распространения является фундаментальной для производительности LoRa. Более высокие коэффициенты расширения обеспечивают связь на большее расстояние, но за счёт снижения скорости передачи данных.
Заключение
Технологии LoRa и LoRaWAN предоставляют мощные решения для беспроводной связи с большой дальностью и низким энергопотреблением. Понимание ключевых концепций модуляции, коэффициентов расширения и кодирования данных необходимо для оптимизации развёртываний LoRa и достижения наилучшего баланса между дальностью, энергопотреблением и пропускной способностью.