LoRa

LoRa é uma tecnologia de transmissão de dados wireless mantida pela Semtech™. LoRa oferece soluções para problemas reais em comunicação sem fio na forma de transmissões de longo alcance, baixo consumo de energia em sistemas de borda e transmissão segura de dados. Ela opera sob a rede LoRaWAN, que constitui e define o protocolo MAC para a rede.

Embora LoRa seja erroneamente utilizada para descrever todo o sistema de comunicação LPWAN (Low Power Wide Area Network), LoRa refere-se apenas à técnica de modulação proprietária da Semtech™.

LoRaWAN é um padrão aberto que define o sistema de comunicação LPWAN. Isto é crucial pois outras empresas usam camadas MAC proprietárias sobre um chip LoRa para criar designs híbridos e de performance diferenciada.

O principal objetivo da criação desta nova tecnologia é resolver alguns problemas comuns em redes IoT.

Alguns problemas que LoRa aborda são:

• Os dispositivos conectados a uma rede IoT devem ser capazes de funcionar continuamente por longos períodos. Usualmente esses dispositivos são sensores que enviam dados periodicamente a um servidor ou um gateway. Devem também operar em uma taxa específica. Isso leva a uma vida útil de bateria reduzida nos sensores que ficam cada vez menores.
• Os dispositivos devem, obrigatoriamente, estar localizados ao alcance da rede para que a comunicação seja confiável, de um ponto de vista de integridade e disponibilidade. Para aplicações comuns como agronomia, aparelhos médicos e meteorologia, a distância entre o gateway e os dispositivos pode variar entre vários metros e alguns quilômetros.

LoRa resolve esses problemas provendo dispositivos de borda que consomem pouca energia e comunicação de longo alcance.

A abordagem escolhida é um compromisso entre os seguintes parâmetros:

• Consumo de energia
• Alcance do sinal
• Largura de banda

Visto que a largura de banda de um canal e a capacidade máxima de transmissão de um canal são diretamente relacionadas, também sendo afetadas por variáveis do ambiente e frequência de operação; para atingir baixo consumo de energia e máximo alcance de sinal, LoRa estabelece um protocolo de comunicação onde a largura de banda é limitada.

O tempo de transmissão de cada dispositivo também é rigidamente controlado. Logo, para aplicações que necessitam de taxas de transmissão de dados elevadas, tais qual telemetria aeroespacial, LoRa não é uma escolha apropriada. No entanto, para sistemas que necessitam de apenas de algumas leituras de seus sensores por hora, LoRa garante que os dispositivos de borda possam transmitir dados por longos períodos.

Topologia Básica

A frequência de operação de LoRa varia para diferentes regiões do planeta e utiliza frequências ISM, ou Industrial Scientific Medical. São frequências de uso não restrito. Isso significa que, ao contrário do sistema GSM, não é necessário obter uma licença ou pagar uma taxa para utilizá-las.

A topologia escolhida conta com o uso dessas frequências para transmitir dados dos sensores para os gateways. Após o recebimento dos dados pelos gateways, a transmissão de dados entre servidores utiliza a estrutura clássica da Internet através da pilha TCP/IP.

Vale notar que, além da limitação teórica da técnica de modulação escolhida, a taxa de transmissão será limitada legalmente pela banda escolhida. Por exemplo, na Europa, dispositivos utilizando frequências ISM estão restritos por lei a operarem com duty-cycle de 1%.

Classe A

• Deve ser suportado por todos os dispositivos.
• Transmissão de dados executada apenas de acordo com a necessidade do dispositivo de borda
• Comunicações do servidor em qualquer outro momento devem esperar o próximo uplink agendado
• Transmissão de uplink de cada dispositivo é seguida por duas janelas curtas de downlink.

Classe B

• Opera da mesma forma que dispositivos de classe A com janelas extras de recepção em horários programados.
• Recebe sinal de sincronização de tempo do gateway tornando possível que o servidor saiba quando o dispositivo final está escutando.

Classe C

Janelas de recepção continuamente abertas, fechadas apenas durante transmissão.

Modulação

LoRa usa uma tecnologia de modulação CSS (Chirp Spread Spectrum), desenvolvida originalmente para aplicações de radar e utilizada em aplicações militares. Os sinais Chirp (Compressed High Intensity Radar Pulse) possuem amplitude constante e varrem toda a largura de banda, variando a frequência de maneira linear em um determinado espaço de tempo. Se a frequência muda da menor para a maior dizemos que é um sinal de up-chirp, se a frequência muda do maior para o menor, nós o chamamos de down-chirp.

Observando o sinal em um gráfico da frequência em função do tempo, podemos notar que Chirps básicos são simplesmente uma rampa de f_min para f_max (up-chirp) ou f_max para f_min (down-chirp). Chirps de transporte de dados são Chirps que são deslocados, e este deslocamento transporta a informação.

Vários parâmetros estão disponíveis para a customização da modulação LoRa, entre eles a Largura de Banda (BW), o Fator de Espalhamento (SF) e Taxa de Código (CR). Esses parâmetros influenciam a taxa de bits efetiva da modulação, sua resistência ao ruído e sua facilidade de decodificação.

Na figura 1 podemos observar os fatores de espalhamento do 7 ao 12 (da esquerda para a direita), também é possível observar que a duração de um Chirp com determinado fator de espalhamento N será sempre o dobro da duração de um pulso com fator de espalhamento N-1.

Vantagens do CSS

• Baixos requisitos de potência de transmissão;
• Robustez inerente a degradações do canal;
• Resistência contra multipercurso;
• Resistência contra efeito Doppler.

Relações importantes

A relação entre a taxa de bits de dados desejada, a taxa de símbolos e a taxa de chip para a modulação LoRa pode ser expressa através da seguinte equação :

Onde :

SF = Fator de Espalhamento (7..12)

BW = Largura de Banda (Hz)

Período dos símbolos Ts pode ser definido como:

A partir de segunda equação podemos definir a taxa de símbolos como:

A partir dessas equações também podemos definir a taxa de chips Rc como:

Ao substituir a terceira equação na quarta podemos observar que em LoRa a taxa de chip depende apenas da largura de banda: a taxa de chip é igual à largura de banda (um chip por segundo por Hertz de largura de banda).

A modulação do LoRa também inclui um código correção de erros de tamanho variável, melhorando a robustez do sinal transmitido em detrimento da redundância e fornecendo recursos de recuperação contra a corrupção de bits. Isso é implementado por meio de diferentes taxas de codificação (CRs)

Desta forma definimos a taxa nominal de bits Rb como:

Onde:

SF = Fator de Espalhamento (7..12)

BW = Largura de Banda (Hz)

CR = Taxa de codificação (1..4)

Vida Útil dos Dispositivos

O tempo máximo de operação de cada dispositivo de borda varia entre fabricantes e especificações dos sensores, podendo variar entre meses e anos de funcionamento.

O módulo RN2483 é muito utilizado por implementar protocolos de comunicação bem difundidos com I2C e SPI.

De acordo com o datasheet do módulo RN2483, ele consome 40mA durante transmissão (14dBm operando em 868MHz) e apenas 9.9uA em estado de deep-sleep. E presume uma vida útil de mais de 10 anos utilizando uma bateria simpes de Íon-Lítio!

Enquanto a variação de energia gasta pode variar entre usos dos dispositivos, ao utilizá-los para comunicação ponto-a-ponto ao invés de transmitir dados para um gateway, por exemplo, este é um bom indicativo do baixo consumo de energia que LoRa oferece.

Estrutura do Pacote

Em LoRa a estrutura do pacote pode ser dividida em dois tipos de formato, explícito e implícito. O pacote explícito inclui um cabeçalho curto contendo informações sobre o número de bytes, taxa de codificação e o CRC usado no pacote. O formato do pacote pode ser observado na figura abaixo.

Onde :

Preâmbulo: Usado para detectar o início da comunicação e sincronização.

Payload: Contém comandos e / ou mensagens do MAC.

CRC: (apenas no uplink) usado para verificar erros.

Preâmbulo

O preâmbulo é usado para sincronizar o receptor com o fluxo de dados de entrada. Por padrão, o pacote é configurado com uma sequência de 12 símbolos. Esta é uma variável programável para que o comprimento do preâmbulo possa ser estendido, para uso em aplicações específicas. O comprimento do preâmbulo transmitido pode ser alterado, gerando comprimentos totais de 6 + 4 a 65535 + 4 símbolos, uma vez que a parte fixa dos dados de preâmbulo é considerada. Isso permite a transmissão de sequências arbitrariamente longas.

Header

Dependendo do modo de operação dois tipos de header podem ser configurados, o modo implícito e o explícito.

O modo explícito atua como o modo padrão de operação, nele serão providas informações referentes ao tamanho do payload, a taxa de codificação (Code Rate) e quanto à existência de um CRC para o payload.

O header sempre será transmitido com a maior taxa de codificação (CR = 4), alem disso também possui seu próprio CRC para possibilitar o descarte de headers inválidos.

O modo implícito pode ser usado em casos em que os parâmetros contidos no header são fixos ou o receptor os conhece previamente. Desta forma o header sera removido do pacote.

Payload

Parte do pacote de tamanho variável onde estão contidos os dados do pacote.

CRC (Cyclic Redundancy Check)

Código de 16 bits presente apenas em transmissões de uplink, utilizado para verificação de erros.

Bibliografia

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13. Semtech. AN1200.22. LoRa Modulation Basics.

1. O que diferencia, primariamente, os termos LoRa, LoRaWAN e LPWAN?

LoRa + LoRaWAN = LPWAN. LoRa é apenas uma técnica de modulação que opera na camada física (physical layer - PHY), enquanto LoRaWAN define o protocolo de comunicação de uma rede LPWAN e opera na camada de enlace (media access control - MAC).

2. Quais são os principais problemas atacados pela tecnologia LoRa?

Dispositivos IoT que precisam funcionar por longos períodos alimentados por bateria. Esses dispositivos também devem ser capazes de transmitir seus dados através de longas distâncias.

3. Qual o objetivo principal da tecnologia LoRa e quais parâmetros básicos de um sinal podem ser ajustados para atingir esse objetivo?

Prover uma técnica de modulação que permita dispositivos de borda transmitir dados através de longas distâncias e por longos períodos. LoRa adota um compromisso entre alcance máximo do sinal, consumo de energia nos dispositivos de borda. Para o sinal enviado, adota-se uma largura de banda estreita e mínimo volume de dados transmitidos.

4. Cite três aplicações viáveis e três aplicações inapropriadas para o uso de LoRa. Justifique sua resposta.

Aplicações viáveis: Astronomia, agronomia e alguns aparelhos médicos. Aplicações inapropriadas: Telemetria aeroespacial, linhas de montagem automatizadas e alarmes que necessitem de resposta imediata. A tecnologia LoRa não é apropriada para aplicações que necessitem de: transmissão ininterrupta de dados, alta vazão de dados e aparelhos que demandem muita energia.

5. Descreva, de forma resumida, como funciona a modulação LoRa.

A modulação CSS modula o sinal gerando sinais de amplitude constante, varrendo toda a largura de banda variando a sua frequência de maneira linear ao longo do tempo; podendo ou não existir pontos de descontinuidade gerados através de um offset da varredura.