субота, 6 травня 2023 р.

MiniFAQ по LoRa

Оскiльки LoRa - фізичний рівень на базi лінійної частотної модуляції, що дозволяє здійснювати когерентне накопичення, то вона має великий запас з енергетики і може непомiтно працювати навіть при негативних співвідношеннях SNR на дуже великі відстані. Розширений спектр ЛЧМ сигналу використовується у військовому та космічному зв'язку вже протягом десятиліття та може охоплювати цілі міста чи сотні квадратних кілометрів. Дальність дії LoRa залежить від навколишнього середовища чи локальних завад. Особливо враховуючи те, що стандартнi модулi LoRa мають на борту широкосмуговi фiльтри. Але тим не меньш вже практично підтвердженi LoRa-зв'язки Земля-Місяць-Земля (EME) на 70 cm та на 1296 MHz. Також повсякденним є використання LoRa на транскосмiчних вiдстанях ~ 40 тис km при потужностях вiд 10 mW та таких антенах як ATA, Cross-YAGI, Helical...

Пакет LoRa на рівні PHY

  1. Починається з кількох однакових імпульсів наростаючої частоти (ЛЧМ) – преамбули. Преамбул може бути декiлька
  2. Символи слова синхронізації SW
  3. Розділювач початкового кадру SFD
  4. Фізичний заголовок
  5. Корисне DATA навантаження

Після успішного виявлення преамбули, що вказує на надходження пакета LoRa, приймачеві LoRa необхідно виявити SFD, щоб визначити частотні межі модуляції заголовка PHY та корисного навантаження. З цією метою приймач LoRa множить вхідні вибірки PHY на базовий ЛЧМ сигнал і відстежує безперервну частоту протягом імпульсу для визначення меж першого імпульсного сигналу у заголовку PHY та корисне навантаження. 

Після успішного блокування меж чирпа приймач може демодулювати чирпи і декодувати пакети. Щоб демодулювати отриманий чирп у вікні демодуляції, приймач LoRa спочатку множить прийнятий сигнал на базовий чирп і виконує FFT для результатів множення. Після цього приймач шукає сплеск в FFT, який вказує початкову частоту і тим самим демодулює символ.

Воркшоп на тему LoRa на кухнi RigExpert (знайомi обличчя):

    

Тривалiсть передачi LoRa

Тривалість символу в режимі LoRa-модуляції напряму залежить вiд коефiцiенту розширення спектру та ширини смуги каналу:

Tsym = 2^SF / BW

Якщо розширення спектра поставимо як:

SF = 10

Ширину смуги каналу:

BW = 125 kHz

Тодi тривалість символу становить:

Tsym = 2^SF/BW = 2^10/125 = 8.192 ms

Максимальна довжина повiдомлень через LoRa

Згiдно даташиту "The absolute max packet len is 255 bytes , which equates to about 200 bytes for the max text message length". Але нюанс в тому, що доку писали англомовні однобайтні люди. Максимальна довжина DATA поля в байтах для LoRa 255-1. Рiч у тому, що національні символи тексту це не однобайтні ASCII, а юнікод. Тобто один символ дорівнює 2 байтам, а для спецсимволів 3 та 4 байти (смайлики усілякі). Якщо використовувати не латиницю, а наприклад українську абетку, то максимум повідомлення це 127 символів. Символи цифр це однобайтні ASCII.

В окремих MESH проектах, як то LoraSAT або Reticulum, прибрано обмеження на довжину текстового LoRa-повiдомлення з будь-якого з iнтерфейсiв, обумовленного апаратним обмеженням DATA-поля. Для цього "довге" повiдомлення перед вiдправкою дiлиться на декiлька блокiв розмiром меньше 254 (умовно ChatLimit), якi вiдправляються послiдовно. Якщо довжина повiдомлення меньше ChatLimit, то повiдомлення йде в етер без змiн

Cпоживання LoRa. Калькулятор бюджета лiнку

Для розумiння споживання вашого LoRa-модуля, треба задатися:

  1. Розширенням спектру
  2. Шириною смуги
  3. Довжиною преамбули
  4. Величиною RF-потужностi
  5. Циклом роботи модуля

Для трансиверiв SX1276, 1277, 1278 можна використати готовий LoRa Modem Calculator Tool:


Класифiкацiя LoRa

До якого типу модуляції належить сигнал LoRa? Для відповіді на це запитання скористаємося міжнародним класифікатором:



Як бачимо, LoRa = F1D.

Практика застосування сигналiв з розширенням спектру

Що таке "непомiтнiсть LoRa" для засобiв РЕР? Подібне визначення вимагає пояснення в якому контексті воно використовується. РЕР - це монiторинговий приймач/SDR або система приймачiв з власними антенно-фідерними системами, LNA, апаратно-програмними фiльтрами (цифровою обробкою). В звичайному аналоговому зв'язку дальнiсть виявлення сигналу залежить вiд - потужностi передавача, чутливостi приймача, пiдсилення антен передавача та приймача, втрат в фiдерах, взаємного розташування дiаграм спрямованностi антен приймача та передавача, висот антен, ступеня збігу поляризації антен, відстані між антенами, рельєфу (мiсцевостi) мiж ними, атмосферних умов (втрат в каналi), довжини хвилі сигналу (зон Френеля) та навiть вiд смуги сигналу. 


Так ось, за інших рівних умов потужність сигналу на приймальній стороні може бути нижче рівня місцевого шуму для звичайного приймача РЕР. А тепер нагадаємо за можливість роботи LoRa під шумами і на рівні шумів, завдяки тому, що фізично LoRa - це ЛЧМ, яка може розмазувати потужнiсть по спектру та здійснювати когерентне накопичення на приймальнiй сторонi. Звiдси LoRa має великий запас з енергетики і може працювати при негативних співвідношеннях SNR на дуже великі відстані. 


Приймачi РЕР, якi не знають преамбул та синхронiзуючих послiдовностей не зможуть виконати когерентне накопичення сигналу пiд шумами, а отже не буде й виявлення. Звiсно, якщо такий малопотужний LoRa передавач буде поруч в сотнях метрiв, то його можна буде виявити на спектрi та задавити РЕБ-ом.

Для збiльшення радiосхованностi та завадостiйкостi сигналів від зовнiшнього придушення класично використовують ППРЧ та навiть ВПРЧ. Прикладом першого можна назвати - ELRS, MilELRS. Ефективнiсть перехвату та придушення ППРЧ напряму залежить вiд:

  1. Швидкостi сканування засобу монiторингу
  2. Ширини смуги та дiапазону сканування засобу монiторингу
  3. Швидкостi перенаштування частоти передавача БПЛА в смузi його апаратних ДПФ
  4. Смуги подавлення (спектральна щiльнiсть W/MHz) засобу РЕБ
  5. Використання статистики виявлених сигналiв засобами РЕР та РЕБ, комбiнування методiв подавлення
Наприклад, ось такий багатосмуговий портативний DIY-хантер на стеку з SPI модулiв LoRa (трансивери E32-900M30S вiд E-byte) роблять для швидкого сканування та постановки завад у діапазоні частот 735..1020 MHz:



Бiльш детально про варiанти атак на LoRa, пiдвищення захисту ППРЧ та його обмеження, про нюанси з засобами РЕР та РЕБ можна ознайомитись в наступних публікаціях:
  1. Завади для керування БПЛА. На сьогодні існує кілька видів атак на LoRa
  2. LR-FHSS. Як працює ППРЧ у LoRa
  3. SAW (ПАВ) фільтр для збільшення дальності польотів БПЛА
  4. Для чого розносити РЕБ та РЕР у просторі та за годиною
  5. Робота РЕБ та PEP в комплексi та захист PEP приймачiв вiд впливу РЕБ в ближньому полi
  6. Антени для PEP детекторів дронів. Рекомендації щодо застосування
  7. Модулi завад РЕБ та проблематика гонки дiапазонiв

На тему розширення спектру та передачі під шумами рекомендую подивитися застарiлу, але цікаву лекцію в KPI:

    

Приклад роботи LoRa на транскосмiчнi вiдстанi:

    

    

LoRa на SDR?

Ось наприклад, приймач та передавач LoRa в GNU Radio в проектi gr-lora_sdr:




або декодер LoRa. 


LoRa на КХ бендi?

Псевдо-LoRa обмiн текстовими меседжами на КХ бендi в QRPP можна зробтити за допомогою безкоштовного софту LongChat розробки TA2STO. Цим софтом генеруються CHIRP-символи в полосi 300..2700 Hz, якi модулюють SSB сигнал в трансиверi. Тому й псевдо... Для збiльшення завадозахищенностi використовуються коди виправлення помилок. 

При цьому:
  • Швидкість обмiну 40 bps при SNR -13 dB
  • Енергія на біт до спектральної щільностi шуму +5 dB
  • Вимірювання SNR
  • Вимірювання різницi RX/TX
  • Вимірювання доплерівського зсуву
  • Перевiренi трансивери по RIG iнтерфейсу Icom IC-7300, IC-705 та Yaesu FT-991


Постскриптум

Шановні читачі, якщо мої дописи вас зацікавили – пiдтримайте збiр або ставайте спонсорами Youtube-каналу LaboratoryW з ексклюзивними лайфхаками.


Кориснi матерiали
  1. Основи модуляції LoRa https://www.youtube.com/watch?v=9_rqjfDJTN4
  2. Голосовий зв'язок через LoRa та TTS синтез з текстових повідомлень
  3. Завади для керування БПЛА. На сьогодні існує кілька видів атак на LoRa
  4. Псевдо-спектр на LoRa по рiвням RSSI
  5. LR-FHSS. Як працює ППРЧ в LoRa
  6. Малювання на водоспаді через ППРЧ
  7. Зменьшення нестабільностi TCXO в LoRa-модулях
  8. Взаємозв'язок між розширенням спектру, чутливiстю та швидкiстю обмiну в текстових та голосових режимах over LoRa
  9. Як прошити LoraSAT або Meshtastic в польових умовах з смартфону
  10. LoraBOT та приймач на одну антену
  11. Як працювати LoRa та аматорському трансиверу на одну антену
  12. Керування Starlink-приводом з антеною через LoRa
  13. Простий мiжбендовий LoRa-шлюз на UART модулях без окремого контролера
  14. Крос-бенд LoRa мереж та ПАПУГА
  15. Робота LoRa-модуля SX1262 за паспортними межами
  16. Стероїд-мод. Як додати шоколадку до LoRa-модуля або потужний LoRa-модем
  17. Чи можна працювати в LoRa із супутниками на низьких орбітах? Можна й ось чому...
  18. Навігатор по офлайн векторним картам з GPS в LoraSAT
  19. Прокачка платформи TDECK до 2W
  20. Мережевi iгри over LoRa
  21. LoRa на ручній тязі... поки крутиш - в космочаті
  22. Гра для розвідників на LoRa
  23. AI для моніторингу діапазонів ISM
  24. Стеження за метеозондами на LoRa
  25. Оцінка використання LoRa для зв'язку супутник-Земля з урахуванням впливу іоносферної сцинтиляції https://ieeexplore.ieee.org/document/9187602
  26. Вимірювання відстані за допомогою LoRa 1 та 2
  27. Варіант використання сенсорної мережі на LoRa
  28. Федiєнко. Планування LoRaWAN
  29. Федiєнко. LoRaWAN. Безпека, частина 2
  30. Федiєнко. LoRaWAN. Security settings
  31. Федiєнко. LoRaWAN. Три лічильника
  32. Тихвінський. Вузькосмугові технології LPWAN
  33. Тихвінський, Коваль, Бочечка. Технологія LoRa. Перспективи впровадження на мережах IoT
  34. В. Болдіна, А Фролов. Сучасна надвузькосмугова система передачі даних LoRa
  35. К. Верхулевський. Лора. Все, що ви бажали знати про це
  36. К. Верхулевський. Приймачі Semtech
  37. LoRa Specification (2015)
  38. API. LoRa App Server documentation
  39. Збірник виступiв Конференція LoRa 2024
  40. Геопозиціонування без GPS
Категорія: ,