Este documento presenta un proyecto de fin de carrera sobre el estudio y análisis de un transceptor LoRa de largo alcance SX1272. Explica las técnicas FHSS y FEC, describe el transceptor SX1272 y la modulación LoRa, analiza el kit de desarrollo, presenta medidas de alcance, concluye sobre la robustez de LoRa frente al ruido y su potencial para Internet de las Cosas, y resume el presupuesto.

1. Proyecto Fin de Carrera
Estudio y análisis de un transceptor
de largo alcance LoRaTM sx1272
TUTORES:
Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Miércoles, 27 de mayo de 2015
Alberto Álvarez Polegre

2. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

3. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

4. Semtech Long Range
CONCLUSIONES

5. SX1272RF1BAS 868MHz
INTRODUCCIÓN

6. OBJETIVOS
• Estudio de la modulación LoRaTM
• Estudio del transceptor que la implementa, el SX1272
• Conocimiento del kit de desarrollo, la plataforma Eiger
• Testeo de la modulación y su rendimiento (pruebas y medidas)
• Extracción de conclusiones
INTRODUCCIÓN

7. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

8. BASETECNOLÓGICA DE LoRaTM
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
• FEC (Forward Error Correction)
• GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
TÉCNICAS FHSSY FEC

9. FHSS
• Espectro ensanchado (SS)
TÉCNICAS FHSSY FEC

10. FHSS
• Justificación teórica de SS
• Teorema de Shannon-Hartley
𝐶 = 𝐵 · 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝑁𝑅)
𝐶/𝐵 = (1/𝑙𝑛2) · 𝑙𝑛(1 + 𝑆𝑁𝑅) = 1.443 · ln (1 + 𝑆𝑁𝑅)
𝐶/𝐵 = 1.443 · (𝑆𝑁𝑅 −𝑆𝑁𝑅2 / 2+𝑆𝑁𝑅3 / 3−𝑆𝑁𝑅4 / 4 + ⋯ )
𝐶/𝐵 = 1.443 · 𝑆𝑁𝑅
𝐶/𝐵 ≈ 𝑆𝑁𝑅
base e
Maclaurin a
ln(1+SNR)
SNR << 1
TÉCNICAS FHSSY FEC

11. FHSS
• Saltos de frecuencia con espectro ensanchado
• Portadora de banda estrecha
• Salta de una frecuencia a otra dentro del SS
• Secuencia de salto pseudoaleatoria
• Ventajas
• Menos interferencias de banda estrecha
• Aumento de SNR
• Difícil de interceptar
TÉCNICAS FHSSY FEC

12. FHSS
• QAM
TÉCNICAS FHSSY FEC

13. FHSS
• QPSK
TÉCNICAS FHSSY FEC

14. FHSS
• GFSK
TÉCNICAS FHSSY FEC

15. FEC
• Información redundante en cada
paquete
• Detecta y corrige el error
• No es necesario retransmitir
paquetes
• Eficiente en entornos muy ruidosos
• Efecto cliff
TÉCNICAS FHSSY FEC

16. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

17. DIAGRAMA DE BLOQUES
TRANSCEPTOR SX1272 Y MODULACIÓN LoRaTM

18. MODULACIÓN LoRaTM
TRANSCEPTOR SX1272 Y MODULACIÓN LoRaTM
•Parámetros de diseño:
• Factor de ensanchado (de 6 a 12)
• Ancho de banda (125, 250 y 500 KHz)
• Tasa de codificación (de 4/5 a 4/8)
Rs =BW/2SF

19. MODULACIÓN LoRaTM
TRANSCEPTOR SX1272 Y MODULACIÓN LoRaTM
•Estructura de los paquetes
• Preámbulo
• Cabecera
• Carga útil

20. MODULACIÓN LoRaTM
TRANSCEPTOR SX1272 Y MODULACIÓN LoRaTM
•Saltos de frecuencia con LoRaTM

21. MODOS DE OPERACIÓN
TRANSCEPTOR SX1272 Y MODULACIÓN LoRaTM
•SLEEP
•STAND-BY
•FSTX
•FSRX
•TX
•RXCONTINUOUS
•RXSINGLE
•CAD

22. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

23. CONTENIDO DEL KIT
KIT DE DESARROLLO SX1272DVK1BAS
•2 plataformas Eiger
•2 módulos SX1272
•2 dipolos λ/2
•2 cables USB
•2 punteros

24. PLATAFORMA EIGER
KIT DE DESARROLLO SX1272DVK1BAS

25. SOFTWARE SX1272SKA
KIT DE DESARROLLO SX1272DVK1BAS

26. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

27. PROBLEMAS PREVIOS
MEDIDAS
•Batería de la plataforma Eiger
•Imprecisión de la pantalla táctil
•Incompatibilidad plataforma Eiger – SX1272SKA
•Cefaleas por el transmisor
•Búsqueda de una configuración para las pruebas

28. CONFIGURACIÓN
MEDIDAS
•Control remoto mediante TeamViewer
•Acceso a Internet por red móvil
•2 personas
•Conexión PC – plataforma Eiger

29. CONFIGURACIÓN
MEDIDAS

30. PARÁMETROS
MEDIDAS
•Potencia: 2 y 20 dBm
•Ancho de banda (B): 125 y 500 KHz
•Factor de ensanchado (SF): 7 y 12
•Tasa de codificación (CR): 4/5 y 4/8
•Carga útil: 12 bytes

31. BATERÍA DE MEDIDAS
MEDIDAS
• Gran Canaria (urbano):
• 259,32 m
• 293,54 m (no LoS)
• Gran Canaria (marino):
• 3,5 km
• 5,84 km
• 19,56 km
• Tenerife (semiurbano):
• 9,76 km
• Tenerife (marino):
• 14,65 km

32. GRAN CANARIA (URBANO): MEDIDA 1
MEDIDAS
259,32 m

33. GRAN CANARIA (URBANO): MEDIDA 1
MEDIDAS

34. GRAN CANARIA (URBANO): MEDIDA 1
MEDIDAS
2 dBm
4/5, 125, 7

35. GRAN CANARIA (URBANO): MEDIDA 2
MEDIDAS
293,54 m (no LoS)

36. GRAN CANARIA (URBANO): MEDIDA 2
MEDIDAS
20 dBm
4/8, 500, 7

37. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 1
MEDIDAS
3,5 Km

38. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 1
MEDIDAS

39. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 1
MEDIDAS
2 dBm
4/5, 125, 12

40. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 1
MEDIDAS
20 dBm
4/8, 500, 7

41. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 2
MEDIDAS
5,84 km

42. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 2
MEDIDAS
2 dBm
4/8, 125, 7

43. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 2
MEDIDAS
20 dBm
4/8, 125, 7

44. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 3
MEDIDAS
19,56 km

45. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 3
MEDIDAS

46. GRAN CANARIA (MARINO): MEDIDA 3
MEDIDAS
20 dBm
4/8, 500, 7

47. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS
9,76 km

48. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS

49. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS
2 dBm
4/8, 125, 7

50. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS
20 dBm
4/8, 500, 7

51. TENERIFE (MARINO)
MEDIDAS
14,65 km

52. TENERIFE (MARINO)
MEDIDAS

53. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS
2 dBm
4/8, 125, 12

54. TENERIFE (SEMIURBANO)
MEDIDAS
20 dBm
4/5, 125, 7

55. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

56. MODULACIÓN LoRaTM y SX1272
CONCLUSIONES
• Combinación de FEC y FHSS: robustez frente al ruido
• Comunicación fiable en una banda muy saturada
• Baja tasa binaria
• Difícil de interceptar por agentes externos
• Entornos rurales -> B=500 KHz, SF=7
• Entornos urbanos -> B=125 KHz, SF=12
• Alcance máximo estimado 34 km
• Idóneo si se necesita fiabilidad
• Transmisiones puntuales o con baja carga útil

57. LÍNEAS FUTURAS
CONCLUSIONES
• Equipo autónomo con STM32

58. LÍNEAS FUTURAS
CONCLUSIONES
• Internet of Things (IoT)

59. LÍNEAS FUTURAS
CONCLUSIONES
• SmartBuilding & SmartCity

60. LÍNEAS FUTURAS
CONCLUSIONES
• Piscifactoría

61. LÍNEAS FUTURAS
CONCLUSIONES
• Piscifactoría

62. ÍNDICE DE CONTENIDOS
• Introducción
• Técnicas FHSS y FEC
• Transceptor SX1272 y modulación LoRaTM
• Kit de desarrollo SX1272DVK1BAS
• Medidas
• Conclusiones
• Presupuesto

63. PRESUPUESTO FINAL
PRESUPUESTO

64. AGRADECIMIENTOS

65. Proyecto Fin de Carrera
Estudio y análisis de un transceptor
de largo alcance LoRaTM sx1272
TUTORES:
Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Miércoles, 27 de mayo de 2015
Alberto Álvarez Polegre