Jakie są pasma częstotliwości dla LoRaWAN?

LoRaWAN i LoRa są popularne jako Sieć rozległa o niskim poborze mocy (LPWAN) do realizacji aplikacji Internetu Rzeczy (IoT). Jednak pomimo globalnego uznania, widzimy różne pasma częstotliwości działania. W tym artykule zbadamy siłę napędową takiego podziału i potrzebę takiego podziału w pasmach częstotliwości. Na zakończenie omówimy niektóre z tych pasm częstotliwości obsługiwanych w różnych regionach. 

LoRa Alliance i standard 

Jak wszyscy wiemy, LoRa to popularny schemat modulacji radiowej, który jest szeroko stosowany w aplikacjach LPWAN IoT. W poprzednich artykułach omówiliśmy różne aspekty sieci LoRa i LoRaWAN. Podsumowując, sieci LoRa i LoRaWAN są szeroko stosowane ze względu na ich duży zasięg działania i niskie zużycie energii przez urządzenia.  

LoRa i LoRaWAN są nadzorowane i regulowane przez LoRa Alliance and Standards, który zrzesza ponad 500 podmiotów współpracujących i wielu dostawców sieci na całym świecie. Semtech była firmą założycielską LoRa Alliance, która jest odpowiedzialna za wprowadzenie modulacji radiowej LoRa. Została ona założona w 2015 roku w celu wzmocnienia aplikacji opartych na LoRaWAN dla masowego IoT i Machine-to-machine (M2M). Wizją LoRa Alliance jest wzmocnienie zrównoważonego IoT w celu maksymalizacji wydajności, a jej misją jest osiągnięcie masowego IoT poprzez globalne przyjęcie technologii LoRaWAN. Oprócz standaryzacji, LoRa Alliance jest również odpowiedzialna za promowanie masowych aplikacji IoT opartych na LoRa oraz organizowanie webinariów i wideokonferencji. Dostęp do tych informacji można uzyskać za pośrednictwem https://lora-alliance.org/about-lora-alliance/# . 

Jednak pomimo globalnej unifikacji poprzez sojusze takie jak LoRa Alliance, różne regiony mają różne częstotliwości operacyjne dla aplikacji LoRa i LoRaWAN. Główną siłą napędową tej różnicy są wyłącznie preferencje operatorów sieci w regionie w oparciu o dostępność i spełnienie wymogów regulacyjnych. 

Nielicencjonowane widmo częstotliwości modulacji LoRaWAN 

Korzystanie z licencjonowanych lub nielicencjonowanych kanałów jest jednym z najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu prywatnej sieci bezprzewodowej. Większość wczesnych bezprzewodowych sieci telekomunikacyjnych IoT, takich jak sieci komórkowe, działa w licencjonowanym spektrum. Korzystanie z licencjonowanego widma wymaga dodatkowych kosztów licencjonowania i ma ograniczoną elastyczność w zakresie widma dla użytkownika. Dlatego większość przypadków użycia IoT opiera się na nielicencjonowanym widmie częstotliwości. Nielicencjonowane widmo w Pasma 2,4 GHz i 5 GHz są wykorzystywane przez Wi-Fi i Bluetooth. Zasięg bramek wynosi zaledwie kilka metrów, a częstotliwości te są tak przeciążone, że powodują poważne problemy z niezawodnością. 

Aby przezwyciężyć niepotrzebne ograniczenia wynikające z zakłóceń i szumów w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz, LoRaWAN wykorzystuje nielicencjonowane pasma częstotliwości radiowych sub-gigahercowych, takich jak 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) i 915 MHz (Ameryka Północna). Te pasma o niskiej częstotliwości obsługują niskie szybkości transmisji danych od 0,3 do 50 kb/s. Wykorzystanie sub-gigaherców ułatwia podłączenie odległych urządzeń do zasięgu 10 km (6 mil). Wykorzystanie nielicencjonowanego widma częstotliwości sub-gigahercowych pozwala na tanie wdrożenia LoRaWAN. 

Dlaczego różne pasma częstotliwości dla różnych regionów? 

Chociaż nie wszystkie szerokości kanałów są obsługiwane w każdym regionie, LoRaWAN jest często podzielona na szerokości kanałów 125, 250 lub 500 kHz w zależności od różnych regionów. Głównym powodem tego podziału są wymogi regulacyjne, które muszą być spełnione w zależności od regionu. 

Ta różna alokacja częstotliwości została opisana w parametrach regionalnych LoRaWAN RP2-1.0.3, które zostały opublikowane w maju 2021 roku. Jednak pomimo stosowania różnych częstotliwości działania, specyfikacje protokołu LoRaWAN dla wszystkich regionów są nienaruszone. Więcej na temat tych różnych pasm częstotliwości w następnej sekcji. 

Pasma częstotliwości LoRaWAN w różnych regionach 

Teraz omówimy różne przydziały częstotliwości dla aplikacji LoRaWAN w różnych regionach. Poniżej znajduje się regionalny summary dla alokacji. 

*EIRP: efektywna izotropowa moc znamionowa 

Przeanalizujmy niektóre z głównych parametrów regionalnych z powyższego summary. 

1. Pasmo EU863-870 

Ma to zastosowanie do regionów określonych przez standard ETSI [EN300.220], który jest używany we wszystkich krajach europejskich, w tym w krajach poza Europą, takich jak Bahrajn. Ponadto kraje takie jak Albania używają nieco innego zakresu częstotliwości (863-873 MHz).  

W paśmie EU863-870 znajduje się 16 kanałów z 3 kanałami domyślnymi i 5 kanałami opcjonalnymi zdefiniowanymi przez CFlist. W tym paśmie częstotliwości następujące trzy kanały domyślne są obowiązkowe, ponieważ są używane przez urządzenia końcowe do nadawania komunikatu żądania przyłączenia: 

• 868.10 Kanał MHz 
• 868.30 Kanał MHz 
• 868,50 Kanał MHz 

Biorąc pod uwagę szybkość transmisji danych obsługiwaną przez pasmo EU863-870, wszystkie urządzenia końcowe muszą obsługiwać następujące opcje szybkości transmisji danych w sieci. 

• DR0 - DR5: Jest to minimalny zestaw szybkości transmisji danych obsługiwany w celu uzyskania certyfikatu LoRaWAN. 
• DR0 - DR7 
• DR0 - DR11: Wszystkie szybkości transmisji danych są zaimplementowane w urządzeniu końcowym. 

W zależności od tej szybkości transmisji danych istnieje maksymalny rozmiar ładunku aplikacji dla różnych szybkości transmisji danych. Są one wymienione poniżej: 

2. US902-928 Pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) 

Dotyczy to regionów USA, Kanady i wszystkich innych krajów korzystających z numerów 902-928. Pasmo ISM. 

Dostępne są 64 kanały upstream o szerokości pasma 125 kHz i 8 kanałów upstream o szerokości pasma 500 kHz. Istnieje również 8 kanałów downstream o szerokości pasma 500 kHz. Podobnie jak w paśmie EU863-870, istnieją obowiązkowe częstotliwości kanałów, które są używane do żądania połączenia. Są to: 

• Upstream: 64 kanały - 902,3-914,99 MHz w odstępach co 200 kHz 
• Upstream: 8 kanałów - 903.0-914.2 MHz w krokach co 1.6 MHz 
• Downstream: 8 kanałów - 923,3-927,5 MHz w odstępach co 600 kHz 

Obsługiwane opcje szybkości transmisji danych w tym paśmie to: 

• DR0 - DR4 i DR8 - DR13: Jest to minimalny zestaw szybkości transmisji danych wymagany do uzyskania certyfikatu LoRaWAN. 
• DR0 - DR13: Wszystkie szybkości transmisji danych są zaimplementowane w urządzeniu końcowym. 

Obsługiwane są maksymalne rozmiary ładunku w zależności od szybkości przesyłania danych, które mogą wynosić do 242 bajtów dla DR15. 

Teraz, ponieważ omówiliśmy dwa główne pasma częstotliwości używane w różnych regionach dla LoRaWAN, warto stwierdzić, że istnieją pewne domyślne ustawienia dla wszystkich regionów. Opóźnienie RX1 dla wszystkich pasm wynosi 1s, a dla RX2 2s. Ponadto opóźnienie akceptacji połączenia 1 wynosi 5 s, a opóźnienie akceptacji połączenia 2 wynosi 6 s. Więcej informacji na temat różnych pasm można uzyskać pod adresem https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-regional-parameters-v1-1ra/ . 

Wnioski 

W tym artykule krótko omówiliśmy potrzebę różnych pasm częstotliwości dla LoRaWAN i dlaczego w szczególności nielicencjonowane widmo częstotliwości jest używane dla LoRaWAN. W związku z tym, podsumowując, możemy powiedzieć, że chociaż różne pasma częstotliwości są używane w różnych regionach, w zależności od dostępności i przepisów, LoRaWAN został globalnie uznany za dobrego kandydata do realizacji sieci LPWAN.