Технология LoRa. Первые эксперименты.

Что же такое LoRa?

Это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech, и реализованная в их чипах SX1272, SX1276, SX1278. Более подробно можно почитать здесь. Кому лень читать - перечислю основные ключевые особенности LoRa:

1. Очень высокая чувствительность приемника (до -148 дБм)
2. Применение технологии расширения спектра в сочетании с упреждающей системой коррекции ошибок, восстанавливающей искаженные биты данных, позволяет повысить отношение сигнал/шум и обеспечить работу в условиях импульсных помех. Демодулятор LoRa может работать при входном сигнале, ниже уровня собственных шумов, вплоть до -20 дБ.
3. Высокая селективность приемника
4. Низкое энергопотребление

Данные особенности позволяют организовать каналы связи на относительно большие, измеряемые километрами, расстояния, при использовании весьма небольшой разрешенной мощности передатчика (10...100 мВт).
Для экспериментов я заказал вот такие радиомодули RA-01(02).



Внутри модуля находится трансивер SX1278 и некая схема обвязки, которую производитель не предоставляет в открытый доступ. По всей видимости, это изделие является клоном более распространенного модуля
Hope RF RFM96W.

Соответственно, сделал под них небольшие платы и проверил работоспособность.



Так выглядит общение модулей друг с другом при стандартных настройках - в эфир идут короткие импульсы.

Рабочая частота: 433.9 МГц
Полоса: 125 кГц
SF: 128



Максимальная измеренная мощность передатчика (она задаётся программно) составила 63 мВт (18dBm). После того как проверил работоспособность, решил еще немного постараться и сделал примитивные корпуса для переноски и испытаний изделий на местности.



Таким образом удалось проверить связь в условиях относительно прямой видимости на дальности 1.5 км - приемник находился на подоконнике квартиры, передатчик в другом здании возле окна. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -102 dBm
При переносе передатчика вглубь здания изредка принимались отдельные пакеты данных.

Аппаратно - программная часть

Понятно, чтобы организовать связь с различными устройствами нужно иметь какой-нибудь высокоуровневый протокол связи. Вариантов пока не так много, я нагуглил всего два решения - LoRaWAN и MySensors:

LoRaWAN - это открытый протокол для высокоемких (до 1 000 000 устройств в одной сети) сетей с большим радиусом действия и низким энергопотреблением, который LoRa Alliance стандартизировал для малопотребляющих глобальных сетей (Low Power Wide Area Networks, LPWAN). LoRaWAN сеть организована как сеть типа звезда и включает различные классы (А, B и C) узлов для оптимизации компромисса между скоростью доставки информации и сроком работы при батарейном питании. Протокол обеспечивает двустороннюю связь с шифрованием для всех классов устройств. Архитектура протокола разрабатывалась в том числе и для того, чтобы легко найти мобильные объекты для отслеживания передвижений – наиболее быстрорастущим направлением приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT). LoRaWAN разрабатывается с возможностью применения в общенациональных сетях крупных операторов связи и LoRa Alliance стандартизирует LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия с глобальными операторами связи.

Как понимаете, это довольно "навороченный" и "тяжелый" протокол, рассчитанный на применение крупными операторами связи. Тем не менее, в цивилизованном мире имеется сеть
The Things Network, это открытое сообщество, пользователи которого могут создавать, регистрировать устройства и концентраторы, экспериментировать с тем как все это работает, и т.д. Энтузиасты покупают за свои, в общем-то не малые, деньги многоканальные радиоконцентраторы LoRaWAN (шлюзы), подключают конечные ("узловые") устройства и транслируют данные в сеть, таким образом все это оборудование становится частью большой глобальной сети.

MySensors - полная противоположность LoRaWAN. Это простой и "легкий" открытый протокол для домашней автоматизации и "интернета - вещей". Из хорошего - поддерживает самые распространенные радиомодули, такие как NRF24L01, RFM69 и RFM9X(LoRa). Протокол постоянно совершенствуется - на данный момент последняя стабильная версия 2.2.0. Так же как и LoRaWan, MySensors имеет топологию "звезда" с поддержкой радиоретрансляторов.
Для работы по протоколу MySensors устройствам требуется шлюз, с которым они будут взаимодействовать. Шлюз собирают на различном оборудовании, подробнее об этом здесь. По сути шлюз - это контроллер с радиомодулем, который общается с устройствами пользователя.

Я создал шлюз на базе дешевого одноплатного компьютера Orange PI Zero и радиомодуля RA-02.



Код с пояснениями есть у меня на гитхабчике.



Чтобы потестировать систему, написал простой код для тестового приемопередатчика на базе arduino. Устройство формирует специальный тестовый пакет (heardbeat), шлюз откликается. Далее замеряется уровень принимаемого сигнала и выводится в терминал.

Ну и самое вкусное - тест на максимальную дальность двухсторонней связи при стандартных настройках трансиверов. Для теста подключил шлюз к серьезной стационарной коллинеарной антенне, о которой рассказывал ранее.
Мобильное устройство с ноутбуком на борту перемещалось на автомобиле. В условиях прямой видимости и определенной зашумленности LPD-диапазона, удалось получить дальность связи 7.3 км. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -93 dBm.
Думаю, это далеко не предел. Существуют еще программные возможности увеличения чувствительности, правда, в ущерб скорости передачи данных.



В связи с вышеизложенным интересует следующий вопрос - как думаете, если разработать еще один высокоуровневый протокол любительского уровня с поддержкой большого количества конечных устройств, шлюзов и радиоретрансляторов для расширения покрытия сети, было бы это кому нибудь интересно? Таким образом можно было бы создать простую и дешевую любительскую радиосеть большого радиуса действия с возможностью управления своими устройствами через сеть Интернет, а так же получения разнообразной телеметрии с них.

С горечью признаю что радиолюбительство в нашей стране вымирает как класс, в то время как в других странах все происходит с точностью до наоборот. Помимо классической аналоговой голосовой связи, идут активные эксперименты с различными, новыми и не очень, технологиями цифровой радиосвязи - APRS, DMR, D-Star... Может хотя бы нелицензируемая LoRa сможет придать новый импульс отечественному радиолюбительскому движению?



Источник