[LoRa] CSS(Chirp Spread Spectrum)

LoRa와 LoRaWAN의 차이점이 중요하다. 

1. LoRa는 저전력 장거리 통신을 위해 IEEE802.15.4a의 CSS(Chirp Spread Spectrum) 기술에서 파생된 무선 변조 기술을 채택한 물리 계층에 속한다.
2. LoRaWAN은 무선 변조 위에 구축된 상위 계층으로 데이터 링크 계층(MAC)에 속한다.

물리 계층에서 CSS가 아닌 FSK(Frequency-shift keying) 변조 방식을 사용하고, 데이터 링크 계층은 LoRaWAN이더라도, LoRaWAN Network이다. 

LoRaWAN Network Fundamentals

 

LoRa가 저전력, 장거리 통신을 가능케 하는 CSS(Chirp Spread Spectrum)에 대해 이야기 하려고 한다.

 

참고 영상
https://youtu.be/dxYY097QNs0

좌 FSK 우 CSS

LoRa는 915MHz, 868MHz 및 433MHz와 같은 라이선스가 필요 없는 GHz 이하 대역에서 동작한다. 또한 2.4GHz에서 작동하여 범위를 희생하면서 GHz 이하 대역에 비해 더 높은 데이터 속도를 달성한다(Semetech에서). 이러한 주파수는 산업, 과학 및 의료 목적으로 국제적으로 예약된 ISM 대역에 속한다.

 

CSS는 주파수 변화를 이용한다고 생각하면 이해하기 편하다. 

SF : 확산 계수
DR : 데이터 속도 

 

세로폭은 Spread Factor(SF), Data Rate(DR), 

가로폭은 Bandwidth(BW)

주파수 밴드는 KR920 (921.9~929.3MHz)

 

Chirp

하나의 블록을 Chirp이라 부른다.

장거리 통신이 가능한 이유는 중간에 끊기더라도 주파수의 크기가 아닌 변화에 대해 감지하기 때문에 최대한 Chirp의 세로축을 늘릴수록 유리하다. 하지만 그만큼 하나의 Chirp이 보내지는데 시간(ToA:Time on Air)이 늘어나기 때문에 그만큼 속도가 느려진다. 즉, 통신 거리와 시간은 Trade-Off 관계이므로 적절한 파라미터를 찾는 것이 중요하다. 자세한 내용은 다음 글에서.

 

DR	SF	Bit Rate	Payload (Max, LoRa1.0.2)
0	12	250bps	51bytes
1	11	440bps	51bytes
2	10	980bps	51bytes
3	9	1760bps	115bytes
4	8	3125bps	222bytes
5	7	5470bps	222bytes

LoRa 1.0.1
SF7 Max Payload 65bytes - SF12 Max Payload 255bytes

 

Chirp들이 모여 생선된 물리 계층 메세지를 통해 End Device와 Gateway가 통신을 할 수 있게 된다.

Physical Layer Message

Preamble : LoRa Packet인지 확인하는 역할
Sync message : Packet의 시작을 알림

 

LoRa 트랜시버에서 받은 신호는 SDR(Software-Defined Radio)을 이용해 실제 LoRa통신을 했을 때, 어떻게 주파수가 변조, 복조 되는지 직관적으로 볼 수 있다. 

 

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2024.01.24 추가

아래 글은 실제로 LoRa 단말에서 송신한 LoRa 신호를 디코딩한 것에 대한 글이다.

국내 주파수 922.3MHz 대역이며, 사용한 보드는 TTGO LoRa32 OLED 이다.

아두이노 LoRa 라이브러리에는 정의된 대역이 존재하지 않아 923300000을 입력했을 때, 실제로 올바르게 동작하는지에 대한 테스티이다.

https://m.blog.naver.com/younjung1996/223332842224

[LoRa Tracking] 3.3. LoRa 신호를 SDR로 관측하기.

 

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https://www.youtube.com/watch?v=HiniS32Qg60&ab_channel=VHDLLtd 

 

https://coding-yoon.tistory.com/164

[LoRa] SF(Spreading Factor)와 DR(Date Rate)와 ADR(Adaptive Data Rate)의 관계