LoRaとは何ですか？技術的な内訳

「LoRaとは何ですか？」誰かが私にこの質問をするときはいつでも、理由を知らずに答える方法を正確に知ることは困難です。彼らは求めています。これは、LoRaが複数のものを参照できるためです：

技術的には、これは電波変調方式です。これは、電波を操作して、チャープされたマルチシンボル形式を使用して情報をエンコードする方法です。
LoRa LoRaチップやゲートウェイなど、変調をサポートするシステムも指します。
IoTアプリケーション用のLoRa通信ネットワークを指す場合もあります。

LoRaは、基本的に、安価なチップから非常に優れた受信感度と低ビット誤り率（BER）を得る賢い方法です。つまり、低データレートのアプリケーションは、他の同等の価格の無線テクノロジーを使用するのではなく、LoRaを使用してはるかに長い範囲を取得できます。

時々人々は LoRa と言うこともあります LoRaWAN を意味する場合。

しかし、LoRaWANは異なります。これは、SemtechのLoRa変調方式を使用して構築された、LoRa上に構築されたメディアアクセス制御（MAC）層プロトコルです。ただし、LoRaWANが産業用（プライベートネットワーク）アプリケーションに使用されることはめったにありません。すべてのチャネルが同じ周波数に調整されているため、パブリックワイドエリアネットワークに適しています。単一エリアで使用する場合は、衝突の問題を回避するために、1つのネットワークのみを動作させることをお勧めします。

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ネットワーク内のすべてのゲートウェイは同じサーバーに関連付けられているため、送信に応答するゲートウェイを決定するのはサーバーの仕事です。大規模なネットワークでは、通常、特定の送信は複数の受信者によって聞こえます。次に、サーバーは1つのゲートウェイに応答するように指示し、他のゲートウェイには送信を無視するように指示します。このプロセスは、単一のゲートウェイが送信しており、オーバーラップしているゲートウェイが他の送信を単純にリッスンできるため、ダウンリンクとアップリンクの衝突を回避するのに役立ちます。（LoRaWANの詳細については、こちらをご覧ください。）

多くの人が気付いていないのは、LoRaWANの基盤となるテクノロジーであるLoRaをなしで使用する方法があるということです。 LoRaWANを使用します。たとえば、LinkLabsのSymphonyLinkは、Semtechのチップ上に独自のMACレイヤーを使用し、IoTデバイスをクラウドに安全に接続する方法を必要とする企業や産業顧客により適した追加機能を備えています。他のプロトコルにLoRaチップを使用している企業はたくさんあります。あなたがしなければならないのはそれらを探すことだけです。

「LoRaとは」に対する技術的な回答

技術的な観点から、LoRaはユニークな（そして素晴らしい）変調フォーマットです。このビデオは私が見つけた最高のLoRaイントロです。（警告：非常に技術的です。）

SX1272およびSX1276トランシーバーチップを含むSemtechLoRa IOTパーツによって生成された、LoRaの変調フォーマットは、「周波数変調（FM）チャープ」として最もよく説明されます。 LoRaを可能にするコアIPは、frac-Nフェーズロックループ（PLL）を使用して安定したチャープを生成する機能です。ここでコアLoRa特許を読むことができます。他の変調フォーマットには、周波数シフトキーイング（FSK）、位相シフトキーイング（PSK）などがあります。「LoRaとは何ですか？」と尋ねるときは覚えておくことが重要です。 LoRa自体は、物理（RF媒体）層の上のシステム機能を記述していません。

LoRaIoTプロトコル

物理層（PHY-OSI層1）ワイヤレスコンポーネント

Semtechは、フランスのグルノーブルにあるCycleo SASを2012年に500万ドルで買収したことにより、LoRaワイヤレステクノロジーを買収しました。お買い得です！

LoRaメッセージを処理する場合、一定のランプチャープ信号をフィルタリングするモデムの機能により、追加の処理ゲインが達成されます。これが高感度を実現する方法です。 LoRa信号への「ロック」を実現するために、長い「一定のチャープ」プリアンブルが送信されます。（図1を参照してください。）これは本当にLoRaの力であり、安価な水晶を備えた安価なチップで非常に高い感度を実現できます。

図1. SemtechLoRaプリアンブル

このプリアンブルは、チャープの数だけである可変数の「シンボル」として設定できます。ご想像のとおり、あるLoRa送信機のプリアンブルと別の送信機のプリアンブルの間に選択性はありません。適切な周波数と適切なチャープ速度で一定のチャープがある場合、LoRa復調器は、目的のシステムからのものであるかどうかに関係なく、それをリッスンします。通常の電力干渉に直面しても機敏になるようにLoRaレシーバーシステムを管理するおよび LoRa干渉は非常に重要であり、SymphonyLinkの重要な部分です。

LoRaモデムがプリアンブル信号に「ロック」されると、プリアンブルの終わりは、図1に示す「逆チャープ」によって通知されます。

次に、データ送信が開始されます。これには、M-ARY FSKシンボルのように機能する一連の「シンボル」がありますが、代わりにチャープで発生します。図2を参照してください。

図2.LoRaデータ変調

LoRaのもう1つの強力な機能は、チャープレートが異なると仮定して、同じ周波数で複数の「直交」または同時信号を復調できることです。データシートでは、LoRaチャープ率は「拡散係数」と呼ばれ、拡散係数が高いほどチャープが遅いことを示します。この機能は、SemtechのSX1301チップでサポートされています。すべてのLinkLabsゲートウェイシステムには、多数の同時LoRaチャープを同時にデコードする機能があり、非常に大規模なネットワークを構築できます。

開発者向けのLoRaWANゲートウェイの例を参照してください。

このようなLoRaネットワークまたはシステムを構築するには、膨大な量の開発が必要です。 LoRaから機能するワイヤレスシステムへの移行は、BPSK無線チップからWiFiネットワークへの移行に似ています。ゲートウェイ、リピーター、アドレッシング、適応データレート、メッセージ再試行、メッセージ確認応答、大容量OFDMダウンリンク信号を含む大規模ネットワークのOSIレイヤー2以上の機能は、LoRaWANやSymphonyLinkなどのシステムの機能です。

»LinkLabsのSymphonyLinkシステムの詳細をご覧ください。

LoRaアライアンス

LinkLabsが初期のメンバーであったLoRaAllianceと呼ばれるLoRaのMAC機能を標準化する動きがありました。 LoRa Allianceは、ライセンスのないスペクトルを使用してネットワーク内のIoTデバイスと通信したいモバイルネットワーク事業者が使用するLoRaWANプロトコルを開発しました。

対照的に、Symphony Linkは、Link Labsと、さまざまなLoRaを愛しているが、LoRaWANでは利用できないレベルのパフォーマンスを必要とするお客様によって開発された標準化されたプロトコルです。特にITUリージョン2（915 MHz ISMバンド）に焦点を当てています。 LoRaWANは、ETSI送信機のデューティサイクルの制限により、ネットワークで基地局が果たすことができる役割が大幅に制限されるITUリージョン1に最適です。

LoRaのLoRaAllianceプロトコルであるLoRaWANの詳細：

LoRaWANは、多数のエンドポイントとの衝突を最小限に抑えるように設計された、マルチアクセスプロトコルのサーバー側の実装です。ネットワーク接続を介してMAC機能を実行するには、サーバーアプリケーションが必要です。
LoRaWANネットワークアーキテクチャは通常、スターオブスタートポロジでレイアウトされます。ゲートウェイは、エンドデバイスとバックエンドの中央ネットワークサーバーの間でメッセージを中継する透過的なブリッジです。
顧客ロジックはネットワークサーバーに組み込まれています
これは主に、多くのエンドポイントを持つアップリンクのみのアプリケーション、または少数のダウンリンクメッセージのみが必要なアプリケーション（アプリケーションまたはエンドポイントの数によって制限される）向けに設計されています。
同じネットワーク内のゲートウェイには同期が必要です
エンドデバイスとゲートウェイ間の通信は、さまざまな周波数チャネルとデータレートに分散しています。データレートの選択は、通信範囲とメッセージ期間の間のトレードオフです。
異なるデータレートは相互に干渉せず、ゲートウェイの容量を増やす一連の「仮想」チャネルを作成します。
LoRaWANネットワークサーバーは、通常24時間ごとに更新される適応データレート（ADR）スキームを使用して、各エンドデバイスのデータレートとRF出力を個別に管理します。
セキュリティ/暗号化の複数のレイヤー（ネットワークレベルとアプリケーションレベルのEUI64およびEUI128デバイス固有のキー）
暗号化と認証用のAESCCM（128ビット）
868バンドの伝送時間でETSIの1％および10％のデューティサイクルの範囲内で動作します
1秒から128秒ごとにビーコンをポーリングできるダウンリンクノードのクラスBのドラフトリビジョン（IBMのLMiCを使用して現在利用可能なエンジニアリングプロトタイプ）ビーコン期間は128秒（2 ^ n）で、nは0から7です
すべてのゲートウェイが同じアップリンクチャネルをリッスンするため、アンテナダイバーシティ

LoRa接続の使用

一部の企業は、屋外資産追跡などの興味深い方法で完全なLoRa / LoRaWANテクノロジースタックを使用しています。たとえば、中国の自転車共有会社であるOfoは、自転車にLoRaデバイスとワイヤレス無線周波数技術を装備して、自転車の位置を特定しています。同社は現在、中国の180を超える都市で事業を展開しています。

LoRaネットワーク使用率のもう1つの例は、カリフォルニア州サンタローザに本拠を置く企業PNISensorからのものです。 PNIは、LoRaWANベースのワイヤレス接続を使用して、リアルタイムの都市駐車場データを配信します。これにより、ドライバーは、路上および路外の公共および専用駐車場管理に利用できる駐車スペースを簡単に見つけることができます。最終的な目標は、利用可能な駐車場を見つけるために、ドライバーが自分の歩みを繰り返したどることによって引き起こされる交通渋滞と二酸化炭素排出量を削減することです。

農業（灌漑/水位監視および害虫駆除用）、ユーティリティ（スマート電気メーター、照明、およびエネルギー管理シナリオ用）、建物建設（建物のドア用）など、多くの業界がIoTデバイスにオープンなLoRaWAN標準を活用しています。およびウィンドウセンサーと建物の構造的健康アプリケーション）。

LoRaWANではないLoRaベースのネットワークを実行している企業もたくさんあります。

LoRaを使用したIoTデバイスの導入

LoRaWANは、通信事業者が所有および運営するパブリックネットワーク上に構築する場合のプロトコルに最適です。この分野で競合するハードウェアおよびネットワークサーバープロバイダーは多数あるため、選択肢はたくさんあります。これは大きなメリットです。ただし、LoRaWANを中心にシステムを開発および展開するプロセスは非常に複雑であり、無線周波数プロトコルまたはワイヤレスシステムと計画に関する専門知識や経験があまりない場合は、困難になります。また、LoRaWAN™ネットワークを展開することでニーズを満たすかどうかを検討する必要があります。場合によっては、カスタムプロトコルを使用する方がよい場合があります。この場合、クラウドに接続するために既に書き込まれているノードにデータを送信するだけで済みます。たとえば、Symphony Linkを使用している場合、この作業はすでに完了しています。

アプリケーションに適したネットワークが何であれ、開発キットを使用すると、テストとプロトタイピングが簡単になります。選択したテクノロジーを使い始めるために私がお勧めする開発キットは次のとおりです。

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