معرفی و مقایسه کنسانتراتورها و ترانسیورهای LoRaWAN در نسل‌های مختلف

در بخش قبل به بررسی Duty Cycle، نرخ کدگذاری و ساختار بسته‌ها در پروتکل Lora حالا که با ماهیت و کلیت چگونگی کار کرد نرم‌افزار آشنا شدیم دیگه نوبت به سخت افزار قضیه میرسه. تمام ارتباطات LoRa در نهایت به وسیله چیزی به اسم LoRa Concentrator کار می‌کنن. این تراشه‌ها رو شرکت Semtech تولید کرده و در واقع قلب همه‌ی گیت‌وی‌های LoRaWAN محسوب میشن.

تا امروز، چهار نسل مختلف از کنسانتراتورهای LoRa توسط Semtech معرفی شده و همه گیت‌وی‌های موجود توی بازار یکی از این‌ها رو به‌عنوان بخش اصلی دریافت و ارسال پیام‌های LoRa استفاده می‌کنن.

برای آشنایی کامل‌تر با محصولات LoRa، میشه به صفحه رسمی محصولات Semtech سر زد. علاوه بر اون، شرکت RAK Wireless هم یه معرفی و تحلیل خیلی خوب از سخت‌افزارهای LoRa موجود ارائه داده که کمک می‌کنه راحت‌تر انتخاب کنی.

کنسانتراتورهای LoRaWAN®

ما توی این بخش، یک مرور سریع روی هرکدوم از کنسانتراتورهای LoRa ارائه میدیم تا بدونی تفاوت‌هاشون چیه و هر کدوم بیشتر به چه کاربردی می‌خوره.

SX1301

SX1301 اولین کنسانتراتور LoRaWAN ساخت شرکت Semtech هست که برای استفاده در گیت‌وی‌های فضای باز طراحی شد. این تراشه در باندهای ISM جهانی کار می‌کنه و اولین چیپ بیس‌بند دیجیتال بود که LoRa Concentrator IP شرکت Semtech رو به‌صورت مجتمع در خودش داشت.

برخی از مشخصات مهم SX1301:

• حساسیت بالا تا -142.5 dBm (با استفاده از فرانت‌اند Tx/Rx مدل SX1257)
• توانایی رد کردن تداخل قوی (CW interferer rejection) تا 70 dB در فاصله 1 MHz
• قابلیت کار در شرایط SNR منفی با CCR تا 9 dB
• شبیه‌سازی همزمان 49 دمدولاتور LoRa و یک دمدولاتور (G)FSK
• رابط دیجیتال دوگانه برای فرستنده و گیرنده (TX & RX)
• 10 مسیر دمدولاسیون موازی قابل برنامه‌ریزی
• پشتیبانی از Dynamic Data-Rate (DDR) برای تطبیق نرخ داده
• پشتیبانی از تنوع آنتن واقعی یا کار همزمان در دو باند فرکانسی

SX1301 پایه‌گذار نسل اول گیت‌وی‌های LoRaWAN بود، اما بعدها با SX1302 جایگزین شد که هم مصرف کمتر و هم توان پردازشی بهتری ارائه می‌ده.

SX1302

SX1302 جانشین SX1301 هست و تقریباً توی همه زمینه‌ها یه ارتقاء جدی محسوب میشه. این تراشه مصرف انرژی رو کاهش داده، توانایی حرارتی بهتری داره، قیمتش کمتره و می‌تونه ترافیک بیشتری رو نسبت به نسل قبلی هندل کنه.

ویژگی‌های مهم SX1302

• حساسیت بالا تا -141 dBm (با استفاده از فرانت‌اند Tx/Rx مدل SX1250)
• پشتیبانی از دریافت LoRa روی کانال 125 kHz با قابلیت‌ها:
  • 8×8 LoRa Packet Detectors
  • 8 دمدولاتور LoRa برای SF5 تا SF12
  • 8 دمدولاتور LoRa برای SF5 تا SF10
• دمدولاتور LoRa برای پهنای باندهای 125 / 250 / 500 kHz
• یک دمدولاتور (G)FSK
• قابلیت اتصال مستقیم به ترنسیورهای Semtech (SX1255، SX1257 و SX1250)
• کار با یک کلاک واحد 32 MHz

به طور کلی SX1302 هم از نظر مصرف انرژی بهینه‌تره، هم از نظر هزینه اقتصادی‌تره و هم ظرفیت بیشتری برای مدیریت پیام‌ها داره. بعد از این نسل، تراشه SX1303 معرفی شد که ادامه مسیر SX1302 رو با ویژگی‌های بیشتر تکامل داد.

SX1303

SX1303 نسل بعد از SX1302 هست و در حال حاضر مدرن‌ترین کنسانتراتور LoRa به حساب میاد. این تراشه از نظر پین و ابعاد کاملاً سازگار با SX1302 طراحی شده، اما مصرف جریان رو حتی کمتر کرده، توان حرارتی بهتری داره و هزینه ساختش هم پایین‌تره.

یکی از ویژگی‌های مهمی که SX1303 به خودش اضافه کرده، پشتیبانی از مکان‌یابی به روش Time Difference of Arrival (TDOA) هست. این امکان از طریق قابلیت جدیدی به اسم Fine Timestamp فراهم میشه.

ویژگی‌های کلیدی SX1303

• Fine Timestamp برای مکان‌یابی دقیق (TDOA Geolocation)
• حساسیت بالا تا -141 dBm (با فرانت‌اند SX1250)
• دریافت LoRa روی 125 kHz با:
  • 8×8 LoRa Packet Detectors
  • 8 دمدولاتور LoRa برای SF5 تا SF12
  • 8 دمدولاتور LoRa برای SF5 تا SF10
  • قابلیت دریافت همزمان تا ۸ بسته وقتی Fine Timestamp فعال باشه
• دمدولاتور LoRa برای پهنای باندهای 125 / 250 / 500 kHz
• دمدولاتور (G)FSK
• پشتیبانی مستقیم از ترنسیورهای Semtech (SX1255، SX1257 و SX1250)
• یک واحد کلاک 32 MHz

به طور خلاصه، SX1303 ادامه‌ی تکامل SX1302 هست با مصرف پایین‌تر، هزینه کمتر و قابلیت مکان‌یابی دقیق که اون رو برای نسل جدید گیت‌وی‌های LoRaWAN به یک انتخاب عالی تبدیل می‌کنه.

SX1308

SX1308 یکی دیگه از کنسانتراتورهای LoRa شرکت Semtech هست، اما نسبت به مدل‌های SX1301/1302/1303 حساسیت کمتری داره. این تراشه بیشتر برای گیت‌وی‌های داخلی (Indoor Gateways) طراحی شده، جایی که نیاز به برد خیلی بلند یا حساسیت خیلی بالا وجود نداره.

ویژگی‌های اصلی SX1308

• حساسیت تا -139 dBm (با فرانت‌اند SX1257 یا SX1255)
• توانایی رد کردن تداخل قوی تا 70 dB در فاصله 1 MHz
• قابلیت کار در شرایط SNR منفی (CCR تا 9 dB)
• شبیه‌سازی همزمان 49 دمدولاتور LoRa و یک دمدولاتور (G)FSK
• رابط دیجیتال دوگانه برای فرانت‌اند‌های Tx و Rx
• ۱۰ مسیر دمدولاسیون موازی قابل برنامه‌ریزی
• پشتیبانی از Dynamic Data Rate (ADR) برای بهینه‌سازی نرخ داده
• پشتیبانی از تنوع آنتن واقعی یا عملکرد همزمان روی دو باند

به طور خلاصه، SX1308 نسخه‌ای ساده‌تر و اقتصادی‌تره که برای سناریوهای داخلی انتخاب میشه؛ در حالی که SX1301/1302/1303 بیشتر برای گیت‌وی‌های حرفه‌ای و فضای باز استفاده میشن.

تراسیورهای LoRaWAN®

علاوه بر چیپ‌های گیت‌وی که در بخش کنسانتراتورها معرفی شدن، یکی دیگه از بخش‌های مهم اکوسیستم LoRa تراشه‌های ترانسیور (Transceiver) هستن. این تراشه‌ها در واقع قلب دستگاه‌ها و سنسورها(End Devices) به حساب میان، چون هم وظیفه ارسال و هم دریافت داده رو بر عهده دارن.

شرکت Semtech چند خانواده معروف از تراسیورهای LoRa Core™ زیر گیگاهرتز رو تولید کرده که پرکاربردترین‌هاش این‌ها هستن:

• سری SX127x
• سری SX126x
• تراشه LLCC68

اخیراً هم Semtech راهکار LR1110 رو به‌عنوان بخشی از پلتفرم LoRa Edge™ معرفی کرده که علاوه بر ترانسیور LoRa، قابلیت‌های بیشتری مثل مکان‌یابی رو هم در خودش داره.

در این بخش قراره یه مرور سریع روی پرکاربردترین تراسیورهای LoRa داشته باشه تا بدونیم هر کدوم چه ویژگی‌هایی دارن و بیشتر کجا استفاده میشن.

SX127x

سری SX127x از اولین تراسیورهای LoRa بود که وارد بازار شد و تونست با ترکیب ارتباط بلندبرد و مقاومت بالا در برابر تداخل، راه رو برای توسعه شبکه‌های LoRaWAN باز کنه. همه چیپ‌های این خانواده مشخصات مشابهی دارن، اما تفاوت اصلیشون در محدوده فرکانسی کاریه:

• SX1272/73: در باند 860 تا 1000 مگاهرتز کار می‌کنن.
• SX1276/77/78/79: محدوده وسیع‌تر 137 تا 1020 مگاهرتز رو پوشش میدن.

ویژگی‌های کلیدی سری SX127x

• مودم LoRa داخلی
• حداکثر Link Budget برابر با 157dB برای SX1272/73 و 168dB برای SX1276/77/78/79
• خروجی RF تا +20 dBm در توان ثابت 100mW
• آمپلی‌فایر توان بالا برای TX تا +14 dBm
• نرخ داده قابل برنامه‌ریزی برای مدولاسیون FSK تا 300 kbps
• حساسیت بالا: تا -137 dBm برای SX1272/73 و -148 dBm برای SX1276/77/78/79
• فرانت‌اند مقاوم در برابر نویز: IIP3 = -12.5 dBm برای SX1272/73 و -11 dBm برای SX1276/77/78/79
• ایمنی عالی در برابر تداخل (Blocking Immunity)
• جریان پایین در حالت دریافت: فقط 10 mA برای SX1272/73 و 9 mA برای SX1276/77/78/79، با نگهداری رجیسترها در حدود مصرف نانوآمپر
• سنتز کننده یکپارچه با دقت فرکانسی 61 Hz
• پشتیبانی از مدولاسیون‌های مختلف: FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa, OOK
• سنکرونایزر بیت داخلی برای بازیابی کلاک
• تشخیص Preamble
• محدوده داینامیک RSSI تا 127 dB
• قابلیت RF Sense و Channel Activity Detection (CAD) با کنترل فرکانس خودکار بسیار سریع (AFC)
• موتور بسته (Packet Engine) تا 256 بایت با CRC داخلی
• سنسور دما و نشانگر ولتاژ باتری داخلی

به طور خلاصه، SX127x سری کلاسیک و پرکاربرد تراسیورهای LoRa محسوب میشه که هنوز هم توی خیلی از ماژول‌های رایج (مثل Ra-02 یا RFM95) استفاده میشه.

SX126x

سری SX126x نسل بعدی تراسیورهای LoRa بعد از SX127x هست و به‌طور خاص برای کاربردهای بلندبرد با مصرف انرژی خیلی پایین طراحی شده. همه تراشه‌های این خانواده نیمه‌دوطرفه (Half-Duplex) هستن، یعنی نمی‌تونن همزمان ارسال و دریافت کنن، اما در عوض برای عمر باتری طولانی و توان خروجی بالا بهینه شدن.

ویژگی مهم دیگه این سری، استفاده از PAهای داخلی بسیار کارآمد هست که امکان رسیدن به توان‌های بالا رو فراهم می‌کنن. علاوه بر LoRa، این تراشه‌ها از مدولاسیون‌های (G)FSK هم پشتیبانی می‌کنن، بنابراین می‌تونن در سناریوهای قدیمی‌تر هم استفاده بشن.

تفاوت اصلی اعضای این خانواده در مرحله آخر زنجیره ارسال (TX Chain) هست که باعث تغییر در حداکثر توان خروجی میشه:

• SX1261 و SX1262: پوشش فرکانسی جهانی دارن.
• SX1268: به‌طور خاص برای باندهای فرکانسی چین طراحی شده.

ویژگی‌های کلیدی SX126x

• مودم LoRa و FSK
• حداکثر Link Budget = 170 dB (برای SX1262 و SX1268)
• توان خروجی:
  • +15 dBm برای SX1261 (با DC-DC یا LDO)
  • تا +22 dBm برای SX1262 و SX1268 (منبع باتری مستقیم)
• جریان پایین در حالت دریافت: فقط 2 mA
• مبدل DC-DC و LDO مجتمع داخلی
• نرخ داده قابل برنامه‌ریزی:
  • تا 5 kbps برای LoRa
  • تا 300 kbps برای FSK
• حساسیت بالا تا -148 dBm در حالت LoRa
• ایمنی بالا در برابر تداخل (Blocking Immunity) تا 88 dB در آفست 1 MHz
• رد تداخل هم‌کانالی (Co-channel Rejection) تا 19 dB برای LoRa
• پشتیبانی از انواع مدولاسیون: FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa و حتی Long Range FHSS (فقط برای SX1262)
• قابلیت CAD (Channel Activity Detection) خودکار با کنترل فرکانس بسیار سریع (AFC)

به طور خلاصه، SX126x نسبت به SX127x هم مصرف انرژی کمتری داره، هم حساسیت بالاتر و هم توان خروجی بیشتر. به همین دلیل انتخاب محبوب‌تری برای دستگاه‌های IoT مدرن و سنسورهایی هست که نیاز به عمر باتری طولانی دارن.

LLCC68

LLCC68 یکی از تراسیورهای زیر گیگاهرتز LoRa شرکت Semtech هست که بیشتر برای کاربردهای داخل ساختمان یا ارتباط‌های کوتاه تا متوسط بین داخل و خارج ساختمان (مثل سناریوهای خانه هوشمند) طراحی شده. این تراشه از نظر پایه‌ها (Pin-to-Pin) کاملاً با SX1262 سازگاره و ویژگی‌هاش هم خیلی شبیه به اونه.

به زبان ساده، LLCC68 یه نسخه سبک‌تر و کم‌هزینه‌تر از SX1262 هست که برای کاربردهای متوسط و خانگی طراحی شده. مصرف انرژی و توان خروجی مناسبی داره، اما چون از همه نرخ‌های LoRaWAN پشتیبانی نمی‌کنه، برای شبکه‌های گسترده و سناریوهای صنعتی به اندازه SX1262 انعطاف‌پذیر نیست.

LR1110

LR1110 فقط یک تراسیور LoRa ساده نیست؛ این تراشه یک راهکار کامل و چندمنظوره‌ست که علاوه بر ترانسیور، قابلیت‌های مکان‌یابی و اسکن محیطی رو هم در خودش داره. به همین دلیل بخشی از پلتفرم LoRa Edge™ محسوب میشه و برای کاربردهای هوشمند مثل ردیابی اشیاء، لجستیک و اینترنت اشیاء صنعتی طراحی شده.

این تراشه شامل چند بخش کلیدی هست:

ویژگی‌های ترانسیور

• پشتیبانی از مدولاسیون LoRa و (G)FSK
• پشتیبانی از باندهای جهانی ISM در بازه 150 تا 960 مگاهرتز
• فرانت‌اند RX با نویز پایین برای حساسیت بالاتر در LoRa و (G)FSK
• مسیر PA توان بالا تا +22 dBm
• مسیر PA بهینه تا +15 dBm
• مدولاتور Long Range FHSS برای ارتباط‌های مقاوم‌تر
• رگولاتور مجتمع PA برای ساده‌سازی انتخاب توان +15 / +22 dBm روی یک بُرد
• پشتیبانی از طراحی یکسان سخت‌افزاری برای چندین منطقه دنیا (Multi-region BOM)؛ فقط با تطبیق شبکه Matching، میشه با قوانین محلی سازگار شد
• سازگاری کامل با تراشه‌های SX126x و استاندارد LoRaWAN®

ویژگی‌های بخش مکان‌یابی (Geolocation)

• موقعیت یاب GNSS (پشتیبانی از GPS، BeiDou و ماهواره‌های geostationary)
• اسکنر فوق کم‌مصرف Wi-Fi (802.11 b/g/n) به‌صورت Passive
• سنتزکننده فرکانسی با بازه 150 تا 2700 مگاهرتز
• ADC گیرنده با پهنای باند بالا (تا 24 MHz Double Side Band)
• پردازش دیجیتال بیس‌بند داخلی

به طور خلاصه، LR1110 یه تراشه همه‌کاره‌ست: هم تراسیور LoRa با توان بالا و حساسیت زیاد، هم ابزار مکان‌یابی چندمنظوره با GNSS و Wi-Fi. به همین خاطر انتخاب فوق‌العاده‌ای برای دستگاه‌های ردیابی هوشمند، مدیریت لجستیک و اینترنت اشیاء صنعتی به حساب میاد.

منابع