Каковы частотные диапазоны для LoRaWAN?

LoRaWAN и LoRa популярны как Широкополосная сеть с низким энергопотреблением (LPWAN) для реализации приложений Интернета вещей (IoT). Однако, несмотря на глобальное признание, мы видим разные частотные диапазоны работы. В этой статье мы рассмотрим движущие силы такого разделения и необходимость такого разделения частотных диапазонов. В заключение мы обсудим некоторые из этих частотных диапазонов, используемых в различных регионах. 

Альянс и стандарт LoRa 

Как мы все знаем, LoRa это популярная схема радиомодуляции, которая широко используется в IoT-приложениях LPWAN. В предыдущих статьях мы рассмотрели различные аспекты сетей LoRa и LoRaWAN. Подводя итог, можно сказать, что сети LoRa и LoRaWAN получили широкое распространение благодаря большому радиусу действия и низкому энергопотреблению устройств.  

LoRa и LoRaWAN находятся под контролем и регулируются LoRa Alliance and Standards, который насчитывает более 500 кооперативов и множество сетевых провайдеров по всему миру. Semtech Компания является одним из основателей альянса LoRa Alliance, который отвечает за внедрение радиомодуляции LoRa. Он был создан в 2015 году для расширения возможностей приложений на базе LoRaWAN для массовых IoT и межмашинных технологий (M2M) приложения. Видение LoRa Alliance заключается в расширении возможностей устойчивого IoT для достижения максимальной эффективности, а его миссия - в достижении массового IoT путем глобального внедрения технологии LoRaWAN. Помимо стандартизации, LoRa Alliance также отвечает за продвижение массовых IoT-приложений на базе LoRa и проведение вебинаров и видеоконференций. Доступ к этой информации можно получить через https://lora-alliance.org/about-lora-alliance/# . 

Однако, несмотря на глобальную унификацию с помощью таких альянсов, как LoRa Alliance, в разных регионах используются разные рабочие частоты для приложений LoRa и LoRaWAN. Основной причиной такого различия является исключительно предпочтение операторов сетей региона, основанное на доступности и соответствии нормативным требованиям. 

Безлицензионный частотный спектр модуляции LoRaWAN 

Использование лицензированных или нелицензированных каналов - один из наиболее важных факторов, который необходимо учитывать при проектировании частной беспроводной сети. Большинство ранних беспроводных сетей связи IoT, таких как сотовые сети, работают в лицензированном спектре. Использование лицензированного спектра требует дополнительных затрат на лицензирование и имеет ограниченную гибкость в отношении спектра для пользователя. Поэтому большинство вариантов использования IoT опирается на нелицензируемый частотный спектр. Нелицензируемый спектр в 2,4 полосы GHz и 5 полос GHz используются Wi-Fi и Bluetooth. Радиус действия шлюзов составляет всего несколько метров, а эти частоты настолько перегружены, что вызывают серьезные проблемы с надежностью. 

Чтобы преодолеть ненужные ограничения, связанные с помехами и шумами в диапазонах 2,4 GHz и 5 GHz, LoRaWAN использует нелицензируемые субгигагерцовые диапазоны радиочастот, такие как 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Европа) и 915 MHz (Северная Америка). Эти низкочастотные диапазоны поддерживают низкие скорости передачи данных - от 0,3 до 50 кбит/с. Использование субгигагерцового диапазона облегчает подключение удаленного оборудования на расстоянии до 10 км. Использование нелицензируемого субгигагерцового частотного спектра позволяет развертывать недорогие сети LoRaWAN. 

Зачем нужны разные частотные диапазоны для разных регионов? 

Хотя не все ширины каналов поддерживаются в каждом регионе, LoRaWAN часто разделяют на каналы шириной 125, 250 или 500 кГц в зависимости от региона. Основная причина такого разделения обусловлена нормативными требованиями, которые необходимо соблюдать в зависимости от региона. 

Это различное распределение частот описано в Региональных параметрах LoRaWAN RP2-1.0.3, которые были выпущены в мае 2021 года. Однако, несмотря на использование разных рабочих частот, спецификации протоколов LoRaWAN для всех регионов остаются неизменными. Подробнее об этих различных частотных диапазонах - в следующем разделе. 

Частотные диапазоны LoRaWAN в разных регионах 

Теперь мы обсудим различные распределения частот для приложений LoRaWAN в разных регионах. Ниже приведена сводка распределения частот по регионам. 

*EIRP: эффективная изотропная номинальная мощность 

Давайте рассмотрим некоторые основные региональные параметры из приведенной выше сводки. 

1. Группа EU863-870 

Это относится к регионам, определенным стандартом ETSI [EN300.220], который используется во всех европейских странах, включая страны вне Европы, такие как Бахрейн. Более того, в таких странах, как Албания, используется несколько иной частотный диапазон (863-873 MHz).  

В диапазоне EU863-870 имеется 16 каналов с 3 каналами по умолчанию и 5 дополнительными каналами, определенными в CFlist. В этом частотном диапазоне следующие три канала по умолчанию являются обязательными, поскольку они используются конечными устройствами для передачи сообщения запроса на присоединение: 

• 868.10 Канал MHz 
• 868.30 Канал MHz 
• 868,50 Канал MHz 

Учитывая скорость передачи данных, поддерживаемую диапазоном EU863-870, все конечные устройства должны поддерживать следующие варианты скорости передачи данных в сети. 

• DR0 - DR5: это минимальный набор скоростей передачи данных, поддерживаемый для получения сертификата LoRaWAN. 
• DR0 - DR7 
• DR0 - DR11: Все скорости передачи данных реализованы в конечном устройстве 

В зависимости от этой скорости передачи данных существует максимальный размер полезной нагрузки приложения для разных скоростей передачи данных. Они перечислены ниже: 

2. US902-928 Промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазон 

Это относится к регионам США, Канады и всех других стран, использующих номера 902-928 Диапазон ISM. 

Имеется 64 восходящих канала с полосой пропускания 125 кГц и 8 восходящих каналов с полосой пропускания 500 кГц. Также имеется 8 каналов нисходящего потока с полосой пропускания 500 кГц. Как и в диапазоне EU863-870, есть обязательные частоты каналов, которые используются для запроса на присоединение. К ним относятся: 

• Восходящий поток: 64 канала - 902,3-914,99 MHz с шагом 200 кГц 
• Восходящий поток: 8 каналов - 903,0-914,2 MHz с шагом 1,6 MHz 
• Нисходящий поток: 8 каналов - 923,3-927,5 MHz с шагом 600 кГц 

В этом диапазоне поддерживаются следующие варианты скорости передачи данных: 

• DR0 - DR4 и DR8 - DR13: это минимальный набор скоростей передачи данных, необходимый для получения сертификата LoRaWAN. 
• DR0 - DR13: Все скорости передачи данных реализованы в конечном устройстве 

В зависимости от скорости передачи данных поддерживается максимальный размер полезной нагрузки, который для DR15 составляет до 242 байт. 

Раз уж мы заговорили о двух основных частотных диапазонах, используемых в разных регионах для LoRaWAN, стоит сказать, что для всех регионов существуют некоторые настройки по умолчанию. Задержка RX1 для всех диапазонов составляет 1 с, а задержка RX2 - 2 с. Кроме того, задержка приема соединения 1 составляет 5 с, а задержка приема соединения 2 - 6 с. Более подробную информацию о различных диапазонах можно получить на сайте https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-regional-parameters-v1-1ra/ . 

Заключение 

В этой статье мы кратко рассмотрели необходимость использования различных частотных диапазонов для LoRaWAN и то, почему для LoRaWAN используется именно нелицензируемый частотный спектр. Соответственно, в заключение можно сказать, что, хотя в разных регионах используются разные частотные диапазоны, в зависимости от доступности и правил, LoRaWAN была признана во всем мире как хороший кандидат для реализации сетей LPWAN.