LR-FHSS. Як працює ППРЧ в Lora

Розширений спектр зі стрибкоподібною перебудовою частоти (LR-FHSS) – це новий фізичний рівень для зв'язку з великим радіусом дії та розподіленими мережами, включаючи супутниковий IoT. За своєю суттю метод швидкої стрибкоподібної перебудови частоти призначений для забезпечення більш високої пропускної спроможності мережі при тому бюджеті радіоканалу, що і у LoRa...

Як Lora-трансівери SEMTECH стрибають за частотним спектром?

Для цього обидва трансівери (в режимі передачі та прийому) повинні мати однаковий список частот стрибка (FHSS_list). У режимі передачі використовується переривання за допомогою 'TxDone' та 'FhssChangeChannel'. У режимі прийому переривання 'RxDone' та 'FhssChangeChannel'. Після того, як трансівер провів достатню кількість часу на одному частотному каналі під час Tx або Rx, запускається переривання 'FhssChangeChannel'. Зі списку стрибків за частотами FHSS_list встановлюється в обробнику переривання 'FhssChangeChannel' нова частота. Після перемикання достатньої кількості каналів виконується Tx або прийом Rx та запускається переривання TxDone або RxDone.

З даташиту для SX127x:

4.1.1.8.  Frequency Hopping with LoRa ® Frequency hopping spread spectrum (FHSS) is typically employed when the duration of a single packet could exceed regulatory requirements relating to the maximum permissible channel dwell time. This is most notably the case in US operation where the 902 to 928 MHz ISM band which makes provision for frequency hopping operation. To ease the implementation of FHSS systems the frequency hopping mode of the LoRa® modem can be enabled by setting FreqHoppingPeriod to a non-zero value in register RegHopPeriod.

Principle of Operation

The principle behind the FHSS scheme is that a portion of each LoRa ® packet is transmitted on each hopping channel from a look up table of frequencies managed by the host microcontroller. After a predetermined hopping period the transmitter and receiver change to the next channel in a predefined list of hopping frequencies to continue transmission and reception of the next portion of the packet. The time which the transmission will dwell in any given channel is determined by FreqHoppingPeriod which is an integer multiple of symbol periods: hopping frequencies to continue transmission and reception of the next portion of the packet.

Як відомо, тривалість символу в режимі Lora-модуляції:

Tsym = 2^SF / BW

1. Якщо розширення спектра поставимо як SF = 10
2. Ширину смуги каналу BW = 125 kHz
3. То тривалість символу становить Tsym = 2^SF/BW = 2^10/125 = 8.192 ms

Оскiльки FCC дозволяє максимальний час затримки 400 ms канал, ми повинні переходити на новий як мінімум через кожні FreqHoppingPeriod = 400/8.192 ~ 48 символів (період символів між стрибками частоти). Для того, щоб мати запас задамося FreqHoppingPeriod = 20. Звідси час затримки на кожній частоті

HoppingPeriod = FreqHoppingPeriod * Tsym = 20 * 8.192 = 163 ms

Слiд дати зауваження, що:

1. LR-FHSS не є ППРЧ в повному сенсi даного термiну
2. FHSS (ППРЧ) не є завадозахищеним, це лише метод формування сигналу, заснований на використанні широкосмугових сигналів зі стрибкоподібною змiною частоти. Чим бiльша швидкiсть, дiапазон перескоку та можливiсть аналiзу каналу для перескоку в апаратурi зв'язку, тим важче РЕБ перехопити і придушити зв'язок
3. Енергетична скритність забезпечується зокрема використанням сигналiв з прямим розширенням спектру. Наприклад DSSS (метод розширення спектра прямою послідовністю) чи LFM (ЛЧМ). LFM дозволяє здійснювати когерентне накопичення, звiдси великий запас з енергетики і можливiсть працювати навіть при негативних співвідношеннях SNR на дуже великі відстані (практично підтвердженi Lora-зв'язки EME та через геостацiонари)
4. Можливiсть аналiзу (попереднього прослуховування) каналу для перескоку дає змогу виключити канал з загального списку при наявностi на ньому завади
5. Ширина смуги каналу не є смугою роботи ППРЧ, ви можете задавати хопи хоч на ±50 MHz та навiть на окремi канали рiзних супутникiв (LoraSAT). Обмеження для хопiв накладає смуга пропускання дiапазонних фiльтрiв на платi Lora-модуля та апаратнi частотнi межi самого чипу
6. Чим бiльше ширина смуги каналу BW або менший SF, тим бiльше швидкiсть передавання. Але чим менший SF, тим бiльше зменьшується завадостiйкiсть. Супутниковi канали накладають обмеження по ширинi смуги BW, як правило це ~31kHz або навiть 5 kHz
7. Список частот LR-FHSS повинен бути однаковим для усiх учасникiв обмiну
8. Передача та прийом LR-FHSS завжди починаються та закiнчуються на однакових частотах

Пiдвищення захисту LR-FHSS

Методiв багато, наприклад можна робити змiщення частоти або каналiв по даним GPS чи RTC, а можна хакнути опору трансивера:

1. Режим LR-FHSS з полiному легко переводиться на ВПРЧ. Автоматична синхронізація між абонентами забезпечується за рахунок GPS (або локальних синхронiзованих RTC) без попередньої передачі порядку змiни пресетiв. Дана опція переводить з категорії псевдо-випадкове ППРЧ до випадкове ВПРЧ, коли змiна порядку частот йде за унiкальним часом. Причому це не потребує попередньої передачі порядку змiни через Lora-етер або iншим чином
2. Змiщення опори на чутка iншу частоту даст недокументовану фiчу - апаратну несумісність з iншими Lora-трансиверами з стандартними опорами, але буде сумiснiсть з Lora-трансиверами з такою ж змiщеною опорою. Інші просто перестануть чути, навiть коли будуть встановленi однаковi частоти, ciнк, розширення спектру, etc.

Постскриптум

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

Кориснi ресурси

1. MiniFAQ по Lora
2. Як працювати Lora та аматорському трансиверу на одну антену
3. LoraBOT та приймач на одну антену
4. Простий мiжбендовий Lora-шлюз на UART модулях без окремого контролера
5. Крос-бенд Lora мереж та ПАПУГА
6. Взаємозв'язок між розширенням спектру, чутливiстю та швидкiстю обмiну в текстових та голосових режимах over Lora
7. LR-FHSS. Як працює ППРЧ в Lora
8. Завади для керування БПЛА. На сьогодні існує кілька видів атак на Lora
9. Зменьшення нестабільностi TCXO в LoRa-модулях
10. Як прошити LoraSAT або Meshtastic в польових умовах з смартфону
11. Lora на ручній тязі... поки крутиш - в космочаті
12. Керування Starlink-приводом з антеною через Lora
13. Мережевi iгри over Lora
14. Стероїд-мод. Як додати шоколадку до Lora-модуля або потужний Lora-модем
15. Робота Lora-модуля SX1262 за паспортними межами
16. Чи можна працювати в Lora із супутниками на низьких орбітах? Можна й ось чому...