LoRa / LoRaWAN Şehir İçi Menzil

LoRa (Long Range), 2014'te Semtech tarafından lisanslı bir chirp spread spectrum (CSS) modülasyon yöntemi olarak ticarileştirildi. Üzerine inşa edilen LoRaWAN protokolü ise LoRa Alliance tarafından sürdürülen, MAC katmanı standardıdır. CSS, Doppler sapmasına ve dar bantlı parazite karşı dayanıklı, düşük SNR ortamlarında çalışabilen bir tekniktir.

Chirp Spread Spectrum modülasyonu

CSS, frekansı doğrusal olarak artıp azalan (chirp) sinyaller kullanır. Sembol enerjisi geniş bir frekans bandına yayıldığından, gürültü tabanına yakın hatta altında bile çözülebilir. LoRa'da çözünürlük spreading factor (SF) ile ayarlanır: SF7 (en hızlı, en kısa menzil) ile SF12 (en yavaş, en hassas) arasında değişir. Bant genişliği tipik olarak 125, 250 veya 500 kHz seçilir.

Her SF artışı sembol süresini iki katına çıkarır ve teorik olarak yaklaşık 2,5 dB hassasiyet kazandırır. SF12 / 125 kHz konfigürasyonunda alıcı hassasiyeti yaklaşık −137 dBm'e kadar inebilir. Bedeli düşük veri hızıdır: 0,3 kbps (SF12) ile 50 kbps (SF7) arasında değişir.

Bölgesel parametreler ve ISM bantları

LoRa, lisans gerektirmeyen ISM (Industrial, Scientific, Medical) bantlarında çalışır. Bölgesel parametreler LoRa Alliance RP002 (Regional Parameters) dökümanında tanımlanır:

EU868 (Avrupa): 863–870 MHz, ETSI EN 300 220, alt bantlara göre %0,1–%1 duty cycle sınırı.
US915 (Kuzey Amerika): 902–928 MHz, FCC Part 15, frekans atlama ile duty cycle kuralı yerine dwell time sınırı.
AS923 (Asya): 920–925 MHz, dwell time 400 ms.
IN865 (Hindistan), AU915, KR920, RU864 ve diğer bölgeler farklı kanal planları kullanır.

Avrupa'da %1 duty cycle, bir kanalın saatte en fazla 36 saniye işgal edilebilmesi anlamına gelir; bu kısıt SF12 ile büyük yüklerin sıkça gönderilmesini engeller.

Link bütçesi ve Friis denklemi

Kablosuz menzil hesabının temeli link bütçesidir: verici çıkış gücü + anten kazançları − yol kaybı − fading payı ≥ alıcı hassasiyeti. LoRa'da tipik link bütçesi 150–157 dB aralığındadır; bu, çoğu tüketici Wi-Fi (~100 dB) ve hücresel sistemden (~140–145 dB) belirgin biçimde yüksektir.

Serbest uzay yol kaybı (Free-Space Path Loss, FSPL), Friis denkleminin bir sonucudur:

FSPL (dB) = 20·log10(d) + 20·log10(f) + 32,44 (d km, f MHz)

868 MHz'de 1 km için FSPL ≈ 91 dB, 10 km için ≈ 111 dB. Bu rakamlar yalnızca teorik görüş hattı (LOS) değerleridir; gerçek dünyada ITU-R P.1411 (yerleşim alanı yayılım modeli) gibi modeller kullanılır.

Fresnel bölgesi ve engeller

İki anten arasındaki birinci Fresnel bölgesi yarıçapı:

r = 8,66 · √(d / f) (r m, d km, f GHz, orta noktada)

868 MHz'de 5 km mesafede orta noktadaki Fresnel yarıçapı yaklaşık 16 m'dir. Bu bölgenin %60'ından fazlasının açık olması beklenir; aksi halde difraksiyon kayıpları link bütçesini hızla tüketir. Beton, cam cephe ve metal çatı sinyali soğurur veya yansıtır; çoklu yansıma (multipath) faz bozulması yaratır.

Gerçek dünya menzil: Açık ve engelsiz LOS koşullarında belgelenmiş LoRa kayıtları 10–15 km'dir; balon ve uçuş deneylerinde 700+ km gözlemlenmiştir. Tipik kentsel ortamda menzil 1–3 km'ye, yoğun şehir merkezinde 300–800 m'ye iner. Bir genel pratik kural, açık alan menzilini 4–5'e bölerek kentsel beklenti üretmektir.

LoRaWAN topolojisi ve sınıflar

LoRaWAN yıldız (star-of-stars) topoloji kullanır; cihazlar gateway'lere doğrudan bağlanır, mesh yoktur. Üç cihaz sınıfı vardır:

Class A: Cihaz uplink gönderdikten sonra iki kısa downlink penceresi açar. En düşük güç tüketimi; pille 5–10 yıl çalışabilen sensörler için tasarlandı.
Class B: Gateway'in periyodik beacon'ları ile zamanlı dinleme pencereleri açılır; orta gecikme.
Class C: Cihaz gönderim dışında sürekli dinler; gecikme düşük, güç tüketimi yüksek.

Alternatif LPWAN teknolojileri