Che cos'è LoRa?

LoRa – Long Range – modulazione a spettro diffuso

LoRa è una tecnologia di trasmissione che invia piccoli pacchetti di dati, quali messaggi di testo, posizioni geografiche, valori di misurazione, comandi di controllo ecc., su lunghe distanze con bassa potenza e basso consumo energetico. Grazie al ridotto fabbisogno energetico e all’utilizzo aggiuntivo di una modalità “deep sleep”, è possibile ottenere una lunga autonomia anche con alimentazione a batteria. Nel radioamatorismo, tuttavia, questo vantaggio non è in cima alla lista dei benefici, poiché solitamente alimentiamo i nodi solo in modalità portatile tramite una batteria ricaricabile. Nelle postazioni fisse (QTH) sono solitamente disponibili alimentatori di rete o sistemi di alimentazione solare con moderne batterie LiFePO4 ad alta capacità.

La portata dei moduli radio LoRa può raggiungere, a seconda della frequenza e delle antenne utilizzate, distanze superiori a 20 km nelle zone rurali e superiori a 5 km in città. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dai bassi costi dell’hardware, dovuti all’elevato numero di moduli LoRa prodotti e all’utilizzo di componenti standard.

Allora perché non utilizzare questi micro-moduli anche per applicazioni nell’ambito della citizen science, ad esempio per:

• Valori misurati quali temperatura, pressione atmosferica, umidità, radiazione al suolo, …
• Messaggi di testo off-grid
• Dati geografici GPS in formato APRS (un protocollo di trasmissione compresso)
• Segnalazioni relative a casi di emergenza/catastrofe

da trasferire.

LoRa e radioamatori?

MeshCom è già da tempo in fase di implementazione sulle frequenze radioamatoriali e ha contribuito in modo significativo alla comprensione di questa tecnologia di trasmissione. Vengono utilizzati moduli LoRa con un chip LoRa da 70 cm (433 MHz). Il punto fondamentale in una rete condivisa è tuttavia l’utilizzo di un protocollo comune, che verrà definito nell’ambito di questo progetto. Attualmente, non solo in Austria, per la trasmissione di pacchetti GPS viene utilizzato un formato OE-LoRa. Questo progetto HAM-IoT autonomo opera su frequenze coordinate di 433,775 MHz per l’uplink verso il punto di accesso LoRa e di 433,900 MHz per il downlink.

Banda stretta contro spread?

Die Übertragung mittels einfacheren Modulationen (2-FSK, 4-FSK)  konnte auf schmaler Bandbreite (< 3 kHz) erfolgen. Mit CRC und FEC konnten Fehler am Übertragungsweg zum teil bereits recht gut in den Griff bekommen werden.

Tuttavia, se si vuole garantire la resistenza dei canali di trasmissione alle interferenze, la tendenza è sempre più quella di utilizzare una modulazione a banda più ampia. Ciò può essere ottenuto ricorrendo a più portanti con informazioni in parte ridondanti.

LoRa utilizza una speciale modulazionea spettro diffuso(in inglese“spread spectrum”). In linea di principio, questa modulazione può essere utilizzata su tutte le frequenze; nel progetto MeshCom utilizziamo la banda di frequenza dei 433 MHz in Europa.

Parametri LoRa:

Fattore di diffusione (SF Spreading Factor)

Il fattore di diffusione determina il numero di simboli utilizzati per la codifica dei dati utili. Per la modulazione LoRa, questo è specificato da SF6 a SF12. Ad esempio, con SF7 vengono utilizzati 128 simboli, mentre con SF11 se ne utilizzano addirittura 2048 per la codifica degli stessi dati utili. SF7 è il fattore di diffusione standard, che per la trasmissione di 64 byte ha un tempo di trasmissione di circa 120 millisecondi. Con SF11, il tempo di trasmissione supera addirittura di gran lunga un secondo.

Larghezza di banda (BW Bandwidth)

La larghezza di banda per la modulazione LoRa è regolabile; tra i valori predefiniti figurano 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz e 500 kHz. Una larghezza di banda inferiore richiede molto più tempo per la trasmissione di un messaggio. Le larghezze di banda inferiori a 125 kHz funzionano solo con hardware LoRa specifico, che utilizza, tra l’altro, un TCXO(oscillatore a cristallo compensato in temperatura)e dispone di un supporto hardware dedicato. A partire da 125 kHz il funzionamento è stabile con tutti i chipset LoRa. Per il protocollo LoRaWAN è definita esclusivamente la larghezza di banda di 125 kHz. Il protocollo RadioShuttle supporta tutte le larghezze di banda, ma si raccomanda anch’essa quella di 125 kHz.

La larghezza di banda è importante anche nella scelta del canale: se, ad esempio, si utilizza una larghezza di banda di 125 kHz, il canale libero successivo deve trovarsi a una distanza superiore alla larghezza di banda stessa. La frequenza centrale per MeshCom 4.0 è stata fissata a 433,175 MHz.

Tasso di codifica (CR Coding Rate)

Il tasso di codifica si riferisce alla percentuale di bit trasmessi che contengono effettivamente informazioni. Il tasso di codifica può essere 6/8, 4/8 ecc. Quindi, se il CR è 4/8, trasmettiamo il doppio dei bit rispetto a quelli che contengono informazioni. Se nel canale sono presenti troppe interferenze, si consiglia di aumentare il valore del CR. Tuttavia, l’aumento del valore del CR comporta anche un aumento della durata della trasmissione.

Simbolo (TS Symbols)

• • Ts: durata del simbolo (Symbol Duration) in secondi.
  • SF: Spreading Factor (fattore di diffusione, con valori tipicamente compresi tra 7 e 12). Un simbolo è composto da 2^SF chip.
  • BW: larghezza di banda (Bandwidth) in hertz (Hz). La frequenza del chip corrisponde numericamente alla larghezza di banda Rc = BW

Fig. Panoramica della relazione tra BW, SF e tempo di simbolo

Calcolo della velocità di trasmissione LoRa: https://unsigned.io/understanding-lora-parameters/

Parametri RF LoRa

RSSI e SNR

Nella comunicazione wireless, un ricevitore necessita di una buona intensità di segnale e di un buon rapporto segnale-rumore per separare il segnale originale dalla portante modulata. Questa sezione contiene informazioni sui due indicatori di intensità di segnale più comunemente utilizzati: RSSI e SNR.

RSSI

L'RSSI (Received Signal Strength Indicator) è una misura relativa che consente di determinare se il segnale ricevuto è sufficientemente forte da garantire una buona connessione wireless con il trasmettitore. Poiché LoRaWAN supporta la comunicazione bidirezionale, l'RSSI è un parametro importante sia per i gateway che per i dispositivi finali. L'RSSI viene misurato in dBm e il suo valore è espresso in forma negativa. Più il valore RSSI si avvicina allo zero, più forte è il segnale ricevuto.
Oltre alla potenza di uscita del trasmettitore, i fattori che influenzano maggiormente l’RSSI sono soprattutto i seguenti:

• Perdita di tracciato
• Guadagno dell'antenna
• Perdita nel cavo/nel connettore

SNR

L'SNR (Signal-to-Noise Ratio), spesso abbreviato in S/N, è il rapporto tra la potenza del segnale ricevuto e il rumore di fondo. L'SNR viene solitamente utilizzato per determinare la qualità del segnale ricevuto.
L'SNR può essere calcolato con la seguente formula ed è spesso espresso in decibel (dB):

SNR (dB) = Segnale percepito (dBm) – Rumore (dBm)

Se l'RSSI è superiore al rumore di fondo, il ricevitore è in grado di demodulare facilmente il segnale.