LoRa2021 — это модуль беспроводного приемопередатчика, разработанный компанией G-NiceRF на базе новейшего чипа Semtech LoRa® LR2021. Он не только сохраняет преимущества дальней связи LoRa, но и реализует переход от «низкоскоростных датчиков» к «высокоско��остной передаче».
Типичное значение чувствительности приема LoRa2021 составляет -143 дБм (SF12/62,5 кГц). В диапазоне частот Sub-GHz чип LR2021 добавляет поддержку FLRC, при этом скорость передачи данных может достигать 2,6 Мбит/с (в стандартном режиме LoRa она составляет до 125 кбит/с).
Значительное увеличение пропускной способности позволяет LoRa2021 поддерживать передачу изображений, отправку голосовых или аудиофрагментов, а также обновление пакетов данных большего объема.
Кроме того, данный модуль охватывает широкий спектр частот. Он поддерживает популярные диапазоны Sub-GHz (стандартные 433/470/868/915 МГц, с возможностью настройки 150–960 МГц) и диапазон 2,4 ГГц ISM. Также он поддерживает высокие частоты 1,5–2,5 ГГц (включая спутниковую связь S-диапазона), обеспечивая покрытие от земли до спутников.
Это эффективно решает проблему связи в районах без покрытия общедоступных сетей и устраняет необходимость разработки разных версий оборудования для разных стран. Один и тот же продукт можно адаптировать к различным рынкам по всему миру с помощью программной настройки, что значительно снижает давление на складские запасы и расходы на разработку.
При сохранении низкого энергопотребления с током в спящем режиме ≤2 мкА, LoRa2021 интегрирует технологию скачкообразной перестройки частоты LR-FHSS для работы в условиях сильных помех. Он также поддерживает измерение дальности RTToF и полностью совместим с основными протоколами Интернета вещей, такими как LoRaWAN, BLE 5.0 и Wi-SUN.
Для проверки реальной производительности чипа, особенно дальности передачи в «высокоскоростном режиме FLRC» и «традиционном режиме LoRa» в реальных сценариях, мы провели полевые испытания в районе «Бухты Радости» ( Shenzhen OH Bay 欢乐港湾) в Шэньчжэне.
Среда тестирования
Морская среда рядом с колесом обозрения
Мы начали тестирование рядом с колесом обозрения в «Бухте Радости» и проводили измерения через морскую акваторию залива Цяньхай.
Список конфигурации оборудования
Основной модуль: LoRa2021 (чип Semtech LR2021)
Демонстрационная плата: LoRa2021 DEMO V1.0
Антенна: Складная штыревая антенна SW868-ZD210 (КСВ ≤ 1,5)
* Если вам необходимо ознакомиться с назначением выводов модуля или подробной таблицей рабочих параметров, пожалуйста, обратитесь к разделу приложений в конце статьи.
Данные практического тестирования
В этом тесте рассматривались высокоскоростной режим FLRC и режим дальней связи LoRa. Мы зафиксировали фактическое количество принятых пакетов на разных расстояниях в диапазонах Sub-GHz и 2,4 ГГц.
Параметры среды тестирования
● Мощность модуля: 21 дБм ± 1 дБ (Sub-GHz) / 12 дБм (2,4 ГГц)
● Тестовые частоты: 860,5 МГц (Sub-GHz) / 2486,5 МГц (2,4 ГГц)
● Количество отправляемых пакетов: 100 пакетов на группу
● Длина полезной нагрузки (Payload): 255 байт для FLRC; 10 байт для LoRa
Таблица статистики приема данных LoRa2021 (Единица измерения: пакеты)
(Примечание: Число означает фактическое количество успешно принятых пакетов данных, максимум 100. Точки тестирования покрывали расстояние только до 1,8 км из-за ограничений площадки. Это не является пределом связи, данные для расстояний >1,8 км будут добавлены позже.)
Режим работы | Скорость | Ключевые параметры | 876 м (Принято) | 1,4 км (Принято) | 1,8 км (Принято) |
FLRC (Sub-G) | 2,6 Мбит/с | CR=1/2, SHAPE=BT 0.5 | 100 | 96 | 91 |
1,3 Мбит/с | 98 | 91 | 93 | ||
650 кбит/с | 100 | 99 | 95 | ||
260 кбит/с | 100 | 99 | 95 | ||
FLRC (2,4 ГГц) | 2,6 Мбит/с | CR=3/4, SHAPE=BT 0.5 | 93 | 78 | 52 |
1,3 Мбит/с | 100 | 75 | 72 | ||
650 кбит/с | 100 | 81 | 79 | ||
260 кбит/с | 100 | 89 | 80 | ||
LoRa (Sub-G) | 125 кбит/с | SF=5, BW=1000 | 100 | 97 | 99 |
62,5 кбит/с | SF=5, BW=500 | 100 | 100 | 100 | |
1,7 кбит/с | SF=9, BW=125 | 100 | 100 | 100 | |
0,98 кбит/с | SF=10, BW=125 | 100 | 100 | 100 | |
LoRa (2,4 ГГц) | 101,5 кбит/с | SF=5, BW=812 | 100 | 94 | 96 |
Анализ производительности
В ходе тестирования на трех дистанциях (876 м / 1,4 км / 1,8 км) по 100 пакетов на каждой точке диапазон Sub-GHz показал значительно больший запас по каналу связи.
Режим FLRC на расстоянии 1,8 км все еще мог обеспечивать скорость уровня Мбит/с при PDR ≥ 91% (полезная нагрузка 255 байт).
Режим LoRa также продемонстрировал высокую стабильность при данных параметрах, достигая PDR = 100% на нескольких уровнях скорости на расстоянии 1,8 км (полезная нагрузка 10 байт).
В сравнении с этим, диапазон 2,4 ГГц более склонен к потере пакетов при высокой скорости на больших расстояниях. При скорости FLRC 2,6 Мбит/с на расстоянии 1,8 км показатель PDR снизился до 52% (причины будут подробно описаны ниже), однако снижение скорости заметно улучшило PDR.
Тем не менее, режим LoRa 2,4 ГГц на расстоянии 1,8 км сохранил PDR = 96%, что подходит для приложений средней и большой дальности, требующих использования глобальных универсальных частот.
Примечание: Длина полезной нагрузки FLRC и LoRa различается (255 байт против 10 байт), поэтому «коэффициент приема» можно использовать для сравнения внутри каждого режима, но не рекомендуется напрямую сравнивать PDR двух режимов как абсолютный показатель качества при равных условиях.
FLRC (Sub-GHz) сохраняет способность высокоскоростной передачи на 1,8 км
(Payload 255 байт)
Ключевые результаты (PDR)
● 2,6 Мбит/с: 876 м / 1,4 км / 1,8 км = 100% / 96% / 91% (PER=9% на 1,8 км)
● 1,3 Мбит/с: 98% / 91% / 93%
● 650 кбит/с: 100% / 99% / 95%
● 260 кбит/с: 100% / 99% / 95%
В пределах 1,4 км скорость 2,6 Мбит/с сохраняет PDR = 96%. Это говорит о том, что канал остается пригодным для использования в условиях «высокая скорость и большие пакеты». Даже при увеличении расстояния до 1,8 км максимальная скорость 2,6 Мбит/с все еще показывает PDR = 91%.
При этом скорости 260–650 кбит/с стабилизируются на уровне PDR = 95%, что больше подходит для сценариев непрерывной передачи, чувствительных к стабильности. Случаи, когда на большем расстоянии показатель оказывается выше (например, 1,3 Мбит/с на 1,8 км выше, чем на 1,4 км), в основном вызваны условиями на месте (помехи, многолучевое распространение, преграды) и являются нормальными колебаниями.
Рекомендации по выбору
Если требуется «максимальная скорость и допустимы небольшие повторные передачи», в первую очередь рассмотрите 2,6 или 1,3 Мбит/с.
Если нужно «значительно стабильнее, но все же намного быстрее LoRa», выбирайте уровни 650 или 260 кбит/с (PDR ≈ 95% на 1,8 км).
Значительное затухание FLRC (2,4 ГГц) на высокой скорости, но снижение скорости улучшает ситуацию
(Payload 255 байт)
Ключевые результаты (PDR)
● 2,6 Мбит/с: 93% / 78% / 52%
● 1,3 Мбит/с: 100% / 75% / 72%
● 650 кбит/с: 100% / 81% / 79%
● 260 кбит/с: 100% / 89% / 80%
На расстоянии 1,8 км показатель для 2,6 Мбит/с упал до PDR = 52%, что указывает на то, что этот режим близок к пределу канала связи.
Диапазон 2,4 ГГц по сравнению с Sub-GHz более подвержен потере сигнала. Это происходит главным образом из-за кумулятивных потерь в «бюджете канала»: мощность передачи меньше на 9 дБ (12 дБм против 21 дБм), плюс потери в свободном пространстве только из-за частоты выше примерно на 9,2 дБ (20log(2486/860,5) ≈ 9,2 дБ).
В сумме это создает разницу в бюджете около 18 дБ. Если добавить к этому помехи окружающей среды в диапазоне 2,4 ГГц ISM, потеря пакетов на больших расстояниях при высокой скорости становится более вероятной.
Рекомендации по выбору
Если целевое расстояние близко к километру и важна доступность, рекомендуется снизить скорость FLRC 2,4 ГГц до 650/260 кбит/с (в этом случае PDR на 1,8 км ≈ 79–80%).
Если необходимо сохранить более высокую надежность, следует рассмотреть улучшение условий антенны или запаса канала (например, внешний усилитель мощности PA, усиление антенны, установка на высоте, оптимизация направленности) или прямое переключение на режим LoRa.
Высокая надежность LoRa (Sub-GHz) и достаточный запас канала на больших расстояниях
(Payload 10 байт)
Ключевые результаты (PDR)
● 125 кбит/с (SF5/BW1000): 100% / 97% / 99%
● 62,5 кбит/с (SF5/BW500): 100% / 100% / 100%
● 1,7 кбит/с (SF9/BW125): 100% / 100% / 100%
● 0,98 кбит/с (SF10/BW125): 100% / 100% / 100%
Даже на высокой скорости LoRa (125 кбит/с) на расстоянии 1,8 км достигается PDR = 99%. Это свидетельствует об очень сильной помехоустойчивости и зоне покрытия канала.
При более низких скоростях (≤62,5 кбит/с) на всех трех дистанциях был достигнут 100% прием. Это демонстрирует явное преимущество стабильности на больших расстояниях, что идеально подходит для телеметрии, снятия показаний счетчиков или систем оповещения, где важно правило «медленно, но надежно».
LoRa (2,4 ГГц) также покрывает километровые расстояния в глобальном диапазоне
(Payload 10 байт)
Ключевые результаты (PDR)
● 101,5 кбит/с (SF5/BW812): 876 м / 1,4 км / 1,8 км = 100% / 94% / 96% (PER=4% на 1,8 км)
Сохранение PDR = 96% на расстоянии 1,8 км в условиях ограничений 2,4 ГГц показывает, что LoRa 2,4 ГГц может служить решением для связи на средних и больших расстояниях при требовании «единого частотного диапазона / глобальной универсальности».
Стратегия практического применения
1. Настройка скорости передачи данных в зависимости от условий
Передача изображений / Аудио / OTA (Расстояние < 1,8 км)
Предпочтительный выбор — FLRC 2,6 Мбит/с. Тесты показали коэффициент приема более 90% в пределах 1,8 км и более 96% в пределах 1,4 км, что обеспечивает хорошую доступность. По сравнению с традиционным LoRa, FLRC обеспечивает более высокую пропускную способность в сценариях с большими пакетами на высокой скорости.
Сложная промышленность / Высокочастотный сбор данных (Расстояние 1–2 км)
Рекомендуется FLRC 650 кбит/с или LoRa 125 кбит/с. Оба режима сохраняют отличную связность (>95%) на расстоянии 1,8 км, а скорость достаточна для работы с плотным потоком данных от датчиков.
Экстремальные условия / Сверхдальние расстояния (Расстояние > 2 км)
Рекомендуется выбирать LoRa 62,5 кбит/с или ниже. Тесты показали 100% прием на всем маршруте, что демонстрирует исключительную надежность.
2. Детали установки антенны
Антенна SW868-ZD210 имеет вертикальную поляризацию.
При реальном развертывании рекомендуется держать антенну вертикально и стараться размещать её подальше от металлических преград. Избегайте горизонтального размещения или прикрепления к металлическому корпусу, иначе это может вызвать рассогласование поляризации и привести к значительному затуханию сигнала.
3. Программный уровень должен обладать отказоустойчивостью
Беспроводная среда полна переменных, и колебания сигнала неизбежны.
Рекомендуется добавить механизм повторной передачи ACK на уровне программного приложения. Особенно при работе в высокоскоростном режиме на предельных расстояниях механизм повторной передачи может эффективно исправлять случайные потери пакетов и гарантировать качество обслуживания пользователей.
4. Унификация оборудования
LoRa2021 в диапазоне Sub-GHz поддерживает LoRaWAN и Sigfox, а также совместим с Bluetooth® LE 5.0, IEEE 802.15.4 (Zigbee/Thread) и Z-Wave в диапазоне 2,4 ГГц. Использование одного аппаратного решения позволяет плавно адаптироваться к рыночным требованиям различных регионов и экосистем.
В будущем также ожидается реализация прямой настройки через Bluetooth с мобильного телефона. Это значительно упростит развертывание и обслуживание на месте, и инженерам больше не придется полагаться на дополнительные специальные инструменты или сложные процедуры подключения к сети.
Для продуктов, где важна эффективность спецификации материалов (BOM) и концепция «одно оборудование для всего мира», такая межэкосистемная совместимость является большим плюсом.
5. Технологии оптимизации сети и энергопотребления
Помимо «жестких показателей», таких как диапазоны частот и протоколы, LoRa2021 обладает некоторыми более базовыми характеристиками, которые напрямую влияют на опыт использования:
● Интегрированная эффективная архитектура питания SIMO:
Чип имеет встроенный DC-DC преобразователь SIMO (Single-Inductor Multiple-Output). По сравнению с традиционным методом питания LDO, он более эффективно снижает рабочий ток системы. Например, ток приема Sub-GHz может составлять < 6 мА, что в реальных приложениях обычно означает более длительный срок службы батареи и больший запас в бюджете энергопотребления всего устройства.
● Масштабируемость подключений LR-FHSS:
Помимо защиты от помех, технология LR-FHSS значительно увеличивает пропускную способность сети. Она позволяет большому количеству узлов передавать данные одновременно на одном канале без серьезных конфликтов сигналов. Это идеально подходит для плотного развертывания миллионов узлов (например, счетчики воды, электричества и газа).
● Улучшенный CAD (Обнаружение активности канала):
По сравнению с традиционными чипами, он может быстро прослушивать канал с меньшим энергопотреблением. Это очень важно для устройств «приемного конца» с питанием от батареи, так как позволяет значительно продлить срок службы в режиме ожидания.
● Одновременный прием нескольких коэффициентов расширения:
Модуль может автоматически демодулировать сигналы с различными коэффициентами расширения (SF). Это означает, что при организации сети «точка-точка» приемнику не нужно заранее «согласовывать» скорость, что значительно упрощает разработку протоколов самоорганизующихся сетей.
● Более высокий допуск частотного смещения:
Этот чип может адаптироваться к суровым радиочастотным условиям. Даже если частота кварцевого резонатора дрейфует из-за перепадов температур на улице или присутствуют сложные помехи, он все равно может стабильно захватывать сигнал. При этом поддерживается использование недорогих кварцевых резонаторов для снижения стоимости спецификации материалов (BOM).
6. Разработка и внедрение
Для разработчиков, которые часто сталкиваются с недостатком документации и кода на этапе внедрения, а также с проблемами согласования антенн при радиочастотной разработке, G-NiceRF предоставляет решение «все в одном».
Чтобы гарантировать полное внедрение решения, G-NiceRF предлагает не только основные модули, но и сопутствующие улучшенные продукты, включая интеллектуальные антенны, а также услуги ODM/OEM по индивидуальному заказу.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Модуль LoRa2021 поддерживает 2,4 ГГц. Можно ли использовать только одну антенну 2,4 ГГц для экономии средств?
О: Не рекомендуется.
● Причина в аппаратной архитектуре: Модуль LoRa2021 аппаратно выводит два независимых радиочастотных интерфейса: Pin 9 (Sub-GHz) и Pin 10 (диапазон 2,4 ГГц/S). Физические каналы разделены.
● Причина в физическом согласовании: Размер антенны должен соответствовать длине волны. Принудительное использование антенны 2,4 ГГц для передачи сигнала Sub-GHz приведет к серьезному рассогласованию импеданса. Большая часть энергии будет потеряна на печатной плате, и дальность связи значительно сократится.
● Совет: Обычно рекомендуется использовать две антенны (Sub-G + 2,4G). Если пространство ограничено и требуется совместное использование, необходима схема объединения и широкополосная антенна, что обычно повышает стоимость и сложность отладки.
В2: При интеграции такого количества функций не увеличится ли энергопотребление?
О: Нет.
Ток сна LoRa2021 составляет всего около 2 мкА, что соответствует уровню основных чипов с низким энергопотреблением. Более того, благодаря встроенному DC-DC преобразователю SIMO и высокой скорости FLRC, при отправке того же объема данных время включения радиочастотной части короче (уменьшение Time-on-Air), а эффективность преобразования энергии выше. Поэтому среднее энергопотребление системы на самом деле ниже.
В3: Как использовать упомянутую спутниковую связь S-диапазона?
О: S-диапазон (1,9–2,2 ГГц) в основном используется для подключения к спутниковым сетям Интернета вещей, таким как EchoStar.
Внимание: Использование этой функции требует, чтобы устройство находилось на открытом воздухе (в прямой видимости неба), а также необходимо приобрести соответствующий пакет сетевых услуг у спутникового оператора.
В4: Какова точность встроенной функции измерения дальности (RTToF)?
О: Ее точность составляет уровень метров.
Точность обычно уступает сантиметровому уровню UWB, но преимущество заключается в высоком соотношении цены и качества. Для сценариев отслеживания активов, где не требуется точное позиционирование, а нужно лишь определить, «в какой зоне находится груз» или «примерно как далеко он от меня», это практичный выбор без дополнительных затрат на оборудование.
В5: Одна микросхема кажется дорогой по цене за единицу. Почему вы говорите, что есть преимущество в стоимости?
О: При расчете нельзя смотреть только на цену одного чипа, нужно смотреть на общую стоимость системы (BOM).
● Упрощение периферии и дизайна: Чип LR2021 сам интегрирует высокоэффективный DC-DC преобразователь SIMO, что устраняет необходимость во внешнем чипе управления питанием. В то же время, его один чип поддерживает несколько диапазонов (Sub-GHz/2,4 ГГц) и несколько протоколов, что может заменить традиционные многочиповые решения, уменьшая площадь печатной платы и количество периферийных компонентов.
● Повышение надежности: LoRa2021 имеет встроенную схему защиты от электростатического разряда (ESD). Это экономит затраты на внешние защитные трубки TVS и дополнительно повышает надежность продукта в сложных промышленных условиях.
● Скрытая ценность: Дизайн с одним SKU поддерживает глобальное развертывание. Вам нужно управлять только одним ключевым компонентом, что значительно снижает риск дефицита и сложность управления запасами.
Приложение: Выводы и рабочие параметры LoRa2021
Для удобства быстрого ознакомления ниже приведены определения выводов и основные показатели производительности модуля LoRa2021.
1. Выводы модуля LoRa2021
Номер вывода | Имя вывода | Ввод/Вывод | Описание |
1 | VCC | - | Подключение плюса питания (1,8 В - 3,6 В) |
2, 8, 11, 12, 18 | GND | - | Подключение минуса питания |
3 | MISO | O | Выход данных SPI |
4 | MOSI | I | Вход данных SPI |
5 | SCK | I | Вход тактового сигнала SPI |
6 | NSS | I | Вход выбора чипа SPI |
7 | BUSY | O | Индикация состояния (высокий уровень означает занятость) |
9 | ANT | - | Интерфейс антенны диапазона Sub-GHz (50 Ом) |
10 | 2.4G/S_ANT | - | Интерфейс антенны диапазона 2,4 ГГц и S-диапазона (50 Ом) |
13 | VTCXO | O | Выход питания внешнего TCXO |
14 | RST | I | Вход триггера сброса |
15, 16, 17 | DIO9, DIO8, DIO7 | I/O | Многоцелевой цифровой интерфейс (настраиваемое прерывание / GPIO) |
2. Основные параметры производительности
Параметр | Условия тестирования / Примечание | Типичное значение | Единица |
Размеры модуля | 19,72 15,0 2,2 | - | мм |
Рабочее напряжение | Рекомендуется 3,3 В | 1,8 ~ 3,6 | В |
Рабочая температура | Промышленный уровень | -40 ~ +85 | ℃ |
Ток передачи | @433 МГц (22 дБм) | < 120 | мА |
@2,4 ГГц (12 дБм) | < 35 | мА | |
Ток приема | @433 МГц / @2,4 ГГц | < 6 / < 7 | мА |
Ток сна | Режим выключения | < 2 | мкА |
Чувствительность приема | Sub-GHz (SF=12, BW=62,5 К) | -143 | дБм |
2,4 ГГц (SF=12, BW=203 К) | -137 | дБм | |
Погрешность частоты | Точность кварцевого резонатора | ±10 | ppm |
TCXO | 0,5 | ppm |
Товары и покупки:
1. G-NiceRF® Lora2021 Страница продукта: https://www.nicerf.com/lora-module/lora2021.html
2. Официальный сайт компании G-NiceRF®: https://www.nicerf.com/
3. Официальный магазин G-NiceRF® (AliExpress): https://aliexpress.ru/item/1005010632473860.html?gatewayAdapt=glo2rus&sku\_id=12000053034776653