Technologia jest przeznaczona przede wszystkim do zastosowań wymagających sporadycznego przesyłania niewielkich ilości danych na duże odległości przy małym zużyciu energii.
LoRa wykorzystuje nielicencjonowane pasma częstotliwości radiowych poniżej 1 GHz: EU433 (433,050–434,790 MHz) oraz EU868 (863–870/873 MHz) w Europie, AU915/AS923-1 (915–928 MHz) w Ameryce Południowej, US915 (902–928 MHz) w Ameryce Północnej, IN865 (865–867 MHz) w Indiach oraz AS923 (915–928 MHz) w Azji. Umożliwia transmisję na duże odległości przy małym poborze energii. LoRa jest techniką transmisji stosowaną w warstwie fizycznej (ang. physical layer, PHY), natomiast wyższe warstwy mogą być realizowane przez inne technologie i protokoły, takie jak LoRaWAN. W zależności od zastosowanego współczynnika rozpraszania możliwe są bitowe szybkości transmisji (ang. bit rate) od około 0,3 do 27 kbit/s. Niewielka przepływność powoduje, że LoRa nie jest przeznaczona do przesyłania dużych ilości danych ani do zastosowań wymagających ciągłej transmisji lub niewielkich opóźnień; jest natomiast dobrze dostosowana do sieci czujników i innych urządzeń sporadycznie przesyłających niewielkie pakiety danych.
Zasada działania
Modulacja LoRa obserwowana w aplikacji RF Analyzer. Odbiornikiem radiowym jest urządzenie RTL-SDR podłączone przez USB, pracujące z szybkością próbkowania 2,5 MS/s. Częstotliwość środkowa wynosi 432,995 MHz, a szerokość pasma 7,8 kHz.Widmo częstotliwości i wykres wodospadowy transmisji LoRa w systemie Meshtastic
LoRa wykorzystuje modulację z widmem rozproszonym typu CSS(inne języki) (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS), określaną w polskiej literaturze także jako modulacja ze świergotowym rozpraszaniem widma. Każdy symbol jest reprezentowany przez cyklicznie przesunięty sygnał świergotowy (ang. chirp) w paśmie skupionym wokół częstotliwości środkowej.
Współczynnik rozpraszania (ang. spreading factor, SF) jest wybieralnym parametrem radiowym przyjmującym wartości od 5 do 12. Określa liczbę bitów przesyłanych w symbolu oraz stopień rozciągnięcia informacji w czasie. Dla danego współczynnika SF istnieje możliwych częstotliwości początkowych cyklicznie przesuniętego sygnału świergotowego w obrębie wykorzystywanego pasma.
Szybkość modulacji, czyli szybkość symbolowa (ang. symbol rate), jest określona zależnością , gdzie oznacza szerokość pasma (ang. bandwidth). Przy stałej szerokości pasma kanału zmiana SF pozwala uzyskać kompromis między bitową szybkością transmisji a czułością odbiornika (ang. receiver sensitivity). Niższa wartość SF oznacza większą bitową szybkość transmisji, lecz mniejszą czułość, natomiast wyższa wartość SF zwiększa czułość kosztem zmniejszenia bitowej szybkości transmisji. Przy wyższym SF przesłanie tej samej ilości danych wymaga dłuższego czasu trwania transmisji w eterze (ang. time on air, ToA), co powoduje dłuższą pracę nadajnika i większe zużycie energii.
Typowe modemy LoRa obsługują moc nadawania (ang. transmission power) do +22 dBm. Dopuszczalna moc może być dodatkowo ograniczana przez przepisy obowiązujące w danym państwie. Większa moc nadajnika zwiększa poziom sygnału po stronie odbiorczej i bilans łącza radiowego(inne języki) (ang. link budget), ale powoduje również większe zużycie energii. W badaniach pomiarowych LoRa analizowano m.in. zużycie energii, osiągane odległości transmisji oraz efektywność dostępu do medium.
Według materiałów Semtech zasięg LoRa może wynosić do około 3 mil (4,8 km) w obszarach miejskich oraz 10 mil (16 km) lub więcej na terenach niezabudowanych przy zachowaniu bezpośredniej widoczności(inne języki) (ang. line of sight, LoS) między antenami. W testach sieci Meshtastic w szczególnie korzystnych warunkach uzyskiwano połączenia na dystansie sięgającym 330 km.
Jeszcze większe odległości uzyskiwano w eksperymentalnych połączeniach wykorzystujących LoRa w sieci LoRaWAN. 7 września 2023 roku przeprowadzono udaną transmisję na odległość 1336 km pomiędzy urządzeniem znajdującym się na łodzi rybackiej Estrela de Sesimbre i bojami u wybrzeży Portugalii a bramą LoRaWAN na Wyspach Kanaryjskich, co The Things Network określiło jako rekord zasięgu LoRa. Poprzedni rekord, ustanowiony w marcu 2020 roku, wynosił 832 km. Osiąganie tak dużych odległości wymaga szczególnie korzystnych warunków propagacji fal radiowych i nie odpowiada typowemu zasięgowi sieci LoRa.
LoRa wykorzystuje również kodowanie z korekcją błędów w przód (ang. Forward Error Correction, FEC) w celu zwiększenia odporności transmisji na zakłócenia. W polskiej literaturze dotyczącej LoRa parametr nadmiarowości kodu oznaczany jest jako CR (ang. coding rate) i wpływa na efektywną bitową szybkość transmisji. Duży zasięg systemu jest związany m.in. z wysokim bilansem łącza radiowego(inne języki), wynoszącym około 155–170 dB.
Zastosowania
Wio Tracker L1 Pro – urządzenie wykorzystujące LoRa, obsługujące systemy MeshCore i Meshtastic
LoRa jest wykorzystywana jako warstwa radiowa przez różne protokoły i systemy komunikacyjne, w tym:
Meshtastic – otwarty system komunikacji w sieci kratowej (ang. mesh network) wykorzystujący LoRa; jego użytkownicy prowadzą również testy zasięgu transmisji.
MeshCore – otwarty system komunikacji wykorzystujący urządzenia radiowe LoRa, umożliwiający tworzenie wieloskokowych sieci kratowych (ang. mesh network) bez dostępu do Internetu; obsługuje m.in. komunikację tekstową oraz węzły pełniące funkcję przekaźników.
LoRaWAN – protokół sieciowy stosowany w niskomocowych sieciach rozległych (ang. Low-Power Wide-Area Network, LPWAN), wykorzystujący LoRa w warstwie fizycznej.
LoRa APRS – odmiana systemu APRS wykorzystująca LoRa do przesyłania m.in. informacji o położeniu w czasie rzeczywistym.
Reticulum(inne języki) – szyfrowany stos sieciowy (ang. network stack) obsługujący trasowanie (ang. routing), w którym LoRa może być jedną z warstw transportowych. Oprócz komunikacji tekstowej obejmuje m.in. protokół tekstowy NomadNet, zbliżony funkcjonalnie do Gophera, oraz możliwość przesyłania wiadomości głosowych z wykorzystaniem kodeka Opus.
↑J.J.HaxhibeqiriJ.J., F. Van denF.V.AbeeleF. Van denF.V., J.J.HoebekeJ.J., I.I.MoermanI.I., LoRaWAN for smart city applications, Springer, 2018, s. 1–25.
12FerranF.AdelantadoFerranF. i inni, Understanding the Limits of LoRaWAN, „IEEE Communications Magazine”, 55 (9), 2017, s. 34–40, DOI:10.1109/MCOM.2017.1600613, ISSN0163-6804.
↑M.M.ChianiM.M., A.A.ElzanatyA.A., On the LoRa Modulation for IoT: Waveform Properties and Spectral Analysis, „IEEE Internet of Things Journal”, 6 (5), 2019, DOI:10.1109/JIOT.2019.2919151.
↑J.C.J.C.LiandoJ.C.J.C., A.A.GamageA.A., A.W.A.W.TengourtiusA.W.A.W., M.M.LiM.M., Known and Unknown Facts of LoRa: Experiences from a Large-Scale Measurement Study, „ACM Transactions on Sensor Networks”, 15 (2), 2019, s. 1–35, DOI:10.1145/3293534, ISSN1550-4859.
↑The Things Network GlobalT.T.N.G.TeamThe Things Network GlobalT.T.N.G., LoRaWAN® distance world record broken, twice. [online], The Things Network, 21 kwietnia 2020 [dostęp 2020-04-27](ang.).
