La tecnología inalámbrica LoRa permite a los sensores comunicarse, en la banda libre de 868 MHz, a grandes distancias, de 200 m a 20 km. La tecnología LoRa destaca por su bajo consumo de energía y su gran alcance, y es adecuada para velocidades de datos bajas. Existen diferentes soluciones LoRa que normalmente se basan en un chip LoRa fabricado por Semtech.
LoRa: los bases
LoRa utiliza una modulación especial de espectro ensanchado. Básicamente, este tipo de modulación puede utilizarse en todas las frecuencias; las más utilizadas son las bandas libres de 433 MHz y 868 MHz en Europa. La banda de 868 MHz se utiliza a menudo porque tiene menos tráfico y está mejor regulada, y por lo tanto proporciona mejores condiciones de radio.
Ya existe un protocolo LoRaWAN estandarizado. Requiere un concentrador especial y envía los datos a un servidor de Internet. El concentrador, que es capaz de recibir múltiples canales al mismo tiempo, ofrece ventajas cuando se emplea en grandes instalaciones. Sin embargo, el protocolo LoRaWAN no soporta la comunicación directa entre pares, y es demasiado caro y complejo para muchas aplicaciones.
Hemos desarrollado un nuevo software de protocolo inalámbrico LoRa (“RadioShuttle”), que es capaz de enviar mensajes de forma eficiente, rápida y segura. Este software es igualmente adecuado como nodo o como estación (servidor), y soporta varios chips LoRa (RFM95_SX1276, MURATA_SX1276, SX1276MB1MAS, SX1276MB1LAS).
LoRa: los módulos
Hay un gran número de módulos diferentes que tienen un módem inalámbrico LoRa integrado. Sin embargo, la mayoría de estos módulos se distribuyen sin software y, por lo tanto, son inútiles para los usuarios y desarrolladores.
Reflexiones generales sobre el alcance LoRa
Muchos factores influyen en el alcance: antena, paredes, techos de hormigón armado, reflexiones de radio, transmisores en frecuencias idénticas y mucho más. Por lo tanto, estamos hablando de un alcance de 200 m a 20 km, que es, en comparación con otras tecnologías inalámbricas de LoRa, varias veces mejor.
Las modulaciones estándar de 868 MHz (sin LoRa), a las que se permite utilizar hasta 14 dBm de potencia de transmisión en Alemania, tienen un alcance de aproximadamente 50 metros en espacios abiertos y llegan hasta a través de una pared en edificios. A nivel práctico, la modulación estándar de 868 MHz causa problemas de recepción incluso dentro de un apartamento.
Hemos realizado pruebas, utilizando la modulación LoRa de 868 MHz, también a 14 dBm de potencia de transmisión, en las que la recepción funcionaba en un edificio alto, incluso en nueve plantas. Otras pruebas que se realizaron en una gran sala, con 5.000 teléfonos inteligentes y muchas otras tecnologías de transmisión inalámbrica, revelaron que la tecnología inalámbrica LoRa funcionaba a la perfección. Una ventaja esencial de LoRa es que la modulación LoRa también funciona superponiéndose a los canales de radio estándar de 868 MHz.
Reflexiones generales sobre la modulación LoRa
El factor de dispersión LoRa
El factor de dispersión determina cuántos símbolos se utilizan para codificar los datos del usuario. Esto se especifica para la modulación LoRa de SF6 a SF12. Por ejemplo, se utilizan 128 símbolos para los símbolos SF7 y 2048 para los SF11 para codificar los datos de usuario idénticos. SF7 es el factor de dispersión estándar, que tiene un retardo de transmisión de aprox. 120 milisegundos para una transmisión de datos de 64 bytes. Con SF11, el retardo es de más de un segundo. En el resumen:
Factor de dispersión pequeño (p. ej. SF7):
- Corto tiempo de transmisión
- 10 transacciones por segundo posibles
- Menor consumo de energía
- Alcance corto
- Más nodos posibles en la red
- Célula de radio pequeña
Factor de dispersión grande (p. ej. SF11):
- Largo tiempo de transmisión
- Solo es posible una transacción por segundo
- Significativamente más consumo de energía (10x)
- Alcance más alto
- Menos nodos posibles en la red
- Célula de radio grande
Como resultado, se puede decir que el factor de dispersión estándar SF7 ofrece muchas ventajas, ya que simplemente más nodos trabajan en una pequeña célula de radio y, por lo tanto, no se perturban las células de radio extrañas.
LoRa frequency bandwidth
Se puede especificar el ancho de banda para la modulación LoRa, definido entre otros como 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz y 500 kHz. Un ancho de banda más pequeño requiere considerablemente más tiempo para la transmisión de mensajes. Los anchos de banda inferiores a 125 kHz sólo funcionan con hardware LoRa especial, que utiliza un TCXO (Oscilador de Cristal con Compensación de Temperatura) y tiene soporte de hardware especial para ello. Funciona establemente con todos los chipsets LoRa a partir de 125 kHz. El protocolo LoRaWAN sólo admite el ancho de banda de 125 kHz. El protocolo RadioShuttle soporta todos los anchos de banda, pero también se recomienda 125 kHz.
El ancho de banda también es importante para la selección del canal: si, por ejemplo, se utiliza el canal 868,1 MHz con un ancho de banda de 125 kHz, el siguiente canal libre debe estar más lejos que la anchura de banda. Esto significa que 868,2 MHz no funciona, 868,3 MHz sería el siguiente canal libre.
Alcance con diferentes factores de dispersión
A continuación se ofrece un pequeño resumen de los alcances probados con el ancho de banda estándar de 125 kHz y diferentes factores de dispersión. En principio, también son posibles alcances considerablemente mayores. Por ejemplo, el SF7 puede alcanzar varios kilómetros sin perturbaciones y con una visibilidad clara, el SF11 puede alcanzar más de 20 kilómetros. Como los edificios y otras perturbaciones normalmente no proporcionan una transmisión perfecta, véase a continuación una visión general de los alcances probados en áreas pobladas.
| Factor de dispersión | Tiempo de transmisión 64 bytes (con un ancho de banda de 125 kHz) | Alcance probado |
|---|---|---|
| SF7 | 120 ms | 100-500 m |
| SF8 | 220 ms | |
| SF9 | 390 ms | > 1 km |
| SF10 | 700 ms | |
| SF11 | 1320 ms | > 2 km |
| SF12 | 2470 ms |