LoRa (long Range)

LoRa (Long Range) adalah sebuah teknologi yang digunakan untuk komunikasi wireless dengan jarak jangkauan yang cukup luas. LoRa dikembangkan oleh Cycleo kemudian diakuisisi oleh perusahaan Semtech, yang merupakan perusahaan teknologi yang berbasis di California, Amerika Serikat. LoRa menggunakan teknik modulasi gelombang elektromagnetik yang sering disebut Chirp Spread Spectrum (CSS) yang memungkinkan sinyal untuk menyebar dengan baik di lingkungan yang memiliki interferensi yang tinggi dan juga dapat menembus tembok atau bangunan[5 6]. LoRa dapat digunakan dalam berbagai macam aplikasi seperti Internet of Things (IoT), monitoring lingkungan, dan lain-lain[1].

Teknik modulasi Lora mengunakan Chirp Spread Spectrum (CSS), ini hampir sama dengan modulasi DirectSquence Spread Spectrum (DSSS) yang sering digunakan dalam komunikasi Wifi dan bluetooth. Lora mengkodekan informasi melalui kicauan(chirp), ini berbeda dengan modulasi DSSS yang mengunakan urutan biner pseudorandom. Kicauan yang dihasilkan merupakan sinyal sinusoidal yang frekuensinya meningkat secara monoton (upchirp) atau menurun (downchirp)[2]. Kicauan dimulai dengan frekuensi 

 dan diakhiri dengan.

Disebut juga sebagai down-chirp, secara praktis kebalikan dari kicauan dasar(base chirp). untuk input digital yang berbeda, modulator akan menghasilkan kicauan (chirp) yang berbeda yang akan memiliki pergeseran waktu (time shift) tertentu dibandingkan base chirp.

Time shift dalam komunikasi LoRa merupakan teknik yang digunakan mengontrol waktu pengiriman simbol.Time Shift digunakan untuk menjadwalkan pengiriman chirp pada saat yang paling tepat untuk menghindari interferensi dengan sinyal lain yang sedang digunakan dalam jaringan. Time shift setiap chirp di sisi penerima dapat ditentukan setelah penyelarasan referensi waktu antara penerima dan pemancar melalui deteksi pendahuluan. Time shift setiap kicauan (chirp) ditentukan dengan mengalikan chirp dengan down-chirp dan melakukan Fast fourier Transform (FTT) dari perkalian tersebut. Keluaran maximum dari FTT akan menunjukan pergeseran waktu kicau(chirp) yang ditransmisikan yang selanjutnya akan menentukan simbol digital yang ditransmisikan. Jika N adalah panjang chirp maka terdapat N kemungkinan pergeseran siklik (cyclic shifts) yang berbeda dari chirp dasar, sehingga dapat ditulis sebagai log2N bits yang memberikan faktor penyebaran (Spreading factor) komunikasi.[3]

Durasi simbol atau waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan atau menerima simbol didasarkan pada Spreading Factor (SF) kontrol jumlah band yang digunakan dalam modulasi sinyal dan bandwidth (BW). Dimana SF sebagai penentu durasi simbol dan jumlah bit per simbol [6]. Setiap simbol dalam lora terdiri dari 2SF yang masing-masing mencakup seluruh bandwidth. Durasi simbol dalam lora dapat didefinisikan sebagai:

Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar nilai SF dan semakin kecil bandwidth yang digunakan, maka durasi simbol akan semakin lama. Sebaliknya, semakin kecil nilai SF dan semakin besar bandwidth yang digunakan, maka durasi simbol akan semakin pendek. Untuk mengatasi ganguan noise dan burst, Lora mengunakan kode diagonal interleaving dan forward error correction (FEC) dengan code rate dari 4/5 hingga 4/8. Simbol rate dapat ditulis dengan rumus:

Dimana bandwidth dalam Hz. Dari persamaan atas terlihat bahwawaktu simbol meningkat dengan menigkatkan SF dapat meurukan kecepatan simbol. Data rate dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dimana CR merupakan Kecepatan kode dan bandwidth dalam KHz. Data rate dalam rumus ini dinyatakan dalam bps. Berdasarkan rumus diatas dapat diketahui bahwa dengan mengingkatnya SF semakin dikit bit per simbol yang akan dikodekan ini menurunkan data rate (laju data)[3].

Pesan lora sendiri terdiri dari Pembukaan(preamble) dan data (payload)[2]. Pembukaan hanya berisi upchirp sedangkan bagian data terdiri dari Upchirp dengan diskontinuitas, posisi diskontinuitas dalam frekuensi adalah yang mengkodekan informasi yang dikirimkan. Untuk memastikan beberapa paket dapat didemodulasi secara bersama, Paket pesan pada lora dapat dikodekan dengan faktor penyebaran ortogonal yang berbeda. Ini memungkinkan menghasilkan komunikasi yang kuat dengan jarak jauh untuk IoT[3 7].  

Berikut merupakan struktur gambaran data atau frame di lora:

Gambar 1. struktur data pesan lora

Gambar 2. Struktur rangka Uplink di lora

Struktur diatas pada gambar 2 dimulai dengan preamble yang memungkinkan perangkat penerima untuk menyingkronkan dan menentukan skema modulasi. Biasanya durasi pembukaan adalah 12,25Ts dimana Ts adalah durasi simbol. Bidang Header berisi informasi tentang kecepatan kode, panjang muatan. Pada PHY Payload ini berisi data MAC Header dengan panjang 1 byte berisi informasi tentang versi protokol, tipe pesan, MAC header diikuti oleh Frame header yang berisi infomasi Alamat perangkat, Frame control, Opsi Bingkai dan Frame Port. Selanjutnya adalah MIC dengan 4 bytes yang digunakan sebagai tanda tangan digital dari pesan tersebut[7].

References:

1.  M. Bor, J. Vidler, and U. Roedig, “Lora for the internet of things,” Int. Conf. Embed. Wirel. Syst. Networks, pp. 361–366, 2016.
2. G. Callebaut, G. Ottoy, and L. Van Der Perre, “Cross-Layer Framework and Optimization for Efficient Use of the Energy Budget of IoT Nodes,” IEEE Wirel. Commun. Netw. Conf. WCNC, vol. 2019-April, 2019, doi: 10.1109/WCNC.2019.8885739.
3. J. Haxhibeqiri, E. De Poorter, I. Moerman, and J. Hoebeke, “A survey of LoRaWAN for IoT: From technology to application,” Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 11, 2018, doi: 10.3390/s18113995.
4. J. Petäjäjärvi, K. Mikhaylov, R. Yasmin, M. Hämäläinen, and J. Iinatti, “Evaluation of LoRa LPWAN Technology for Indoor Remote Health and Wellbeing Monitoring,” Int. J. Wirel. Inf. Networks, vol. 24, no. 2, pp. 153–165, 2017, doi: 10.1007/s10776-017-0341-8.
5. Semtech White Paper, Real-world LoRaWAN™ Network Capacity for Electrical Metering Aplications, Semtech Corporation. Available online:  https://info.semtech.com/network_capacity_white_paper_download (diakses pada 15 Januari 2022)
6. M. Nowak, R. Różycki, G. Waligóra, J. Szewczyk, A. Sobiesierski, and G. Sot, “Data Processing with Predictions in LoRaWAN,” Energies, vol. 16, no. 1, 2023, doi: 10.3390/en16010411.
7. P. Levchenko, D. Bankov, E. Khorov, and A. Lyakhov, “Performance Comparison of NB-Fi, Sigfox, and LoRaWAN,” Sensors (Basel)., vol. 22, no. 24, 2022, doi: 10.3390/s22249633.