Como a modulação LoRa permite a comunicação de longo alcance?

O que é LoRa?
LoRa (Long Range) é uma tecnologia de comunicação sem fio que envia informações por longas distâncias com baixo consumo de energia. Ele usa uma técnica especial chamada modulação Chirp Spread Spectrum (CSS). O Chirp Spread Spectrum opera alterando continuamente a frequência do sinal transmitido ao longo do tempo. Essa frequência variável gera uma forma de onda que lembra o som produzido pelo chilrear de um pássaro, permitindo enviar sinais por longas distâncias sem usar muita energia.

LoRa é desenvolvido pela Semtech Corporation e opera nas bandas ISM (industriais, científicas e médicas) livres de licença, que variam por região da seguinte forma:

Europa
Banda de 868 MHz: países da União Europeia, incluindo Alemanha, França, Itália, Espanha, Reino Unido, etc.
América do Norte
Banda 915 MHz: Estados Unidos, Canadá, México
Austrália
Banda 915 MHz: Austrália
Ásia-Pacífico
Banda de 923 MHz: Austrália, Nova Zelândia, Cingapura, Taiwan, Hong Kong, Japão
América do Sul
Banda 915 MHz: Brasil, Chile, Colômbia, Peru
Índia
865-867MHz

A tecnologia LoRa fornece baixa taxa de dados e alta tolerância a interferências, tornando-a adequada para aplicações de baixa largura de banda que exigem comunicação de longo alcance com baixo consumo de energia, como dispositivos IoT (Internet das Coisas), cidades inteligentes e monitoramento agrícola. .

Casos de uso mais comuns
LoRa é frequentemente usado para dispositivos IoT (Internet das Coisas), pequenos sensores ou outros dispositivos que coletam e enviam informações para um computador central. Por exemplo, um agricultor pode utilizar dispositivos IoT para monitorizar os níveis de humidade nos seus campos e enviar essas informações de volta para o seu computador.

Como o LoRa usa baixa energia e pode enviar sinais por longas distâncias, é uma ótima opção para dispositivos IoT em áreas remotas ou locais de difícil acesso. Também é adequado para dispositivos que economizam bateria, pois não terão tanta energia para enviar sinais.

1. Agricultura Inteligente: LoRa pode monitorar remotamente as colheitas, a umidade do solo e outros parâmetros ambientais, ajudando os agricultores a otimizar seus rendimentos e reduzir custos.
2. IoT Industrial: LoRa pode monitorar e controlar máquinas, equipamentos e outros ativos em ambientes industriais, permitindo operações mais eficientes e manutenção preditiva.
3. Cidades Inteligentes: LoRa pode ser usado para estacionamento inteligente, iluminação pública, gestão de resíduos e outras aplicações que ajudam as cidades a operar de forma mais eficiente e sustentável.
4. Rastreamento de ativos: LoRa pode rastrear a localização e o status de ativos como veículos, contêineres e equipamentos, permitindo melhor logística e gerenciamento da cadeia de suprimentos.
5. Monitoramento Ambiental: LoRa pode ser usado para monitorar a qualidade do ar, a qualidade da água e outros parâmetros ambientais, ajudando a proteger a saúde pública e o meio ambiente.
6. Assistência médica: LoRa pode ser usado para monitoramento remoto de pacientes, permitindo que os profissionais de saúde monitorem as condições de saúde dos pacientes e forneçam atendimento personalizado.
7. Automação residencial: LoRa pode ser usado para aplicações de automação residencial, como termostatos inteligentes, fechaduras de portas e sistemas de segurança, permitindo que os proprietários controlem suas casas remotamente e economizem energia.

O que é modulação LoRa?
Modulação é a conversão de dados digitais em sinais analógicos que podem ser transmitidos sem fio. Na modulação LoRa, é usada uma técnica especial chamada chirp spread spectrum (CSS), onde a frequência do sinal transmitido muda ao longo do tempo em um padrão específico chamado chirp.

Este efeito de chilrear permite que o sinal tenha uma longa duração, o que o ajuda a superar interferências e efeitos de multipercurso. Na modulação CSS, os dados são codificados na modulação de frequência do sinal chirp.
A modulação CSS em LoRa usa uma ampla largura de banda e uma taxa de chirp lenta, o que resulta em símbolos longos e maior resiliência a interferências. Este esquema de modulação permite que dispositivos LoRa alcancem um longo alcance de comunicação.

FIGO. 1: A imagem mostra a modulação do chilrear

A principal razão por trás do baixo consumo de energia

1. Taxa de dados adaptativa: LoRa suporta taxa de dados adaptativa (ADR), o que significa que os dispositivos podem ajustar dinamicamente sua taxa de transmissão de dados com base na qualidade do link de comunicação. Isso permite que os dispositivos otimizem seu consumo de energia usando taxas de dados mais altas perto do gateway e taxas de dados mais baixas mais longe.

2. Gerenciamento de energia: Os dispositivos LoRa geralmente incorporam técnicas de gerenciamento de energia para minimizar o consumo de energia durante períodos de inatividade ou suspensão. Isso pode incluir modos de suspensão, ciclos de trabalho e recursos de ativação por rádio, onde os dispositivos economizam energia quando não estão transmitindo ou recebendo dados ativamente.
   É importante notar que o consumo de energia pode variar dependendo de fatores como frequência de transmissão de dados, ciclo de trabalho e implementação específica do dispositivo LoRa. Portanto, é importante considerar esses fatores ao projetar e implantar sistemas baseados em LoRa.

A principal razão por trás do longo alcance

1. Em primeiro lugar, a modulação LoRa usa uma técnica chamada chirp spread spectrum (CSS), o que significa que a frequência do sinal transmitido muda ao longo do tempo em um padrão específico chamado chirp. Isto dá ao sinal LoRa um alcance muito maior do que os métodos tradicionais de comunicação sem fio.
2. Em segundo lugar, o LoRa utiliza um factor de difusão (SF) que espalha o sinal através de um espectro de frequência mais amplo, o que ajuda a reduzir os efeitos do ruído e da interferência. LoRa pode manter uma boa relação sinal-ruído (SNR) mesmo em longas distâncias, espalhando o sinal por um espectro de frequência mais amplo.
3. Finalmente, LoRa usa frequências mais baixas do que os métodos tradicionais de comunicação sem fio, como Wi-Fi ou Bluetooth. As frequências mais baixas podem penetrar obstáculos e percorrer distâncias maiores do que as frequências mais altas, tornando-as adequadas para comunicações de longo alcance.

Sim, a técnica de modulação usada na tecnologia LoRa, chamada modulação Chirp Spread Spectrum (CSS), é uma das principais razões para suas capacidades de longo alcance.

Na comunicação sem fio tradicional, o sinal transmitido é normalmente uma onda contínua, sujeita a interferência, ruído e desvanecimento à medida que viaja pelo ar. Isto pode limitar o alcance do sinal, especialmente em ambientes com obstáculos ou interferências.

Tecnologia semelhante como LORA
Várias outras tecnologias são semelhantes ao LoRa em termos de capacidades de comunicação sem fio. Aqui estão alguns exemplos:

1. Sigfox: Sigfox é uma tecnologia de rede de área ampla e baixo consumo de energia (LPWAN) como LoRa. Ele usa modulação de banda ultraestreita para alcançar comunicação de longo alcance em um espectro não licenciado.
2. NB-IoT: NB-IoT (Narrowband IoT) é uma tecnologia de rede celular projetada para dispositivos IoT de baixo consumo de energia. Ele usa modulação de banda estreita e opera em um espectro licenciado.
3. Weightless: Weightless é uma tecnologia LPWAN que usa várias técnicas de modulação, incluindo chirp spread spectro (CSS) e chaveamento de mudança de frequência gaussiana (GFSK). Ele opera em um espectro não licenciado e foi projetado para aplicações IoT que exigem comunicação de longo alcance.
4. LTE-M: LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) é uma tecnologia de rede celular para dispositivos IoT. Ele usa um espectro licenciado e suporta comunicação de voz e dados.

Podemos fazer RF normal de longo alcance usando a modulação de propagação Chirp?
Técnicas semelhantes podem ser usadas para tornar os sistemas de RF tradicionais de longo alcance, mas precisariam ser implementadas de forma otimizada para o sistema específico e seus requisitos. Além disso, o projeto das antenas, transmissores e receptores precisaria ser cuidadosamente considerado para garantir um desempenho ideal.

A modulação Chirp é uma das técnicas usadas em LoRa para permitir a comunicação de longo alcance. No entanto, é importante observar que simplesmente adicionar modulação chirp a um sistema de RF tradicional pode não torná-lo necessariamente de longo alcance.

A razão pela qual o LoRa pode alcançar comunicação de longo alcance não se deve apenas ao uso da modulação chirp, mas também ao uso de várias outras técnicas, como fator de espalhamento, códigos de correção de erros e bandas de frequência mais baixas.

Esses fatores serão considerados em artigos futuros.