🌒 🎉 💪🏽 Rádio definido por software - como funciona? Parte 7 🌖 👨🏻‍🍳 ⛱️

Oi Habr.

Na parte anterior, sobre a transmissão ao GNU Radio , foi perguntado se é possível decodificar o protocolo LoRa (transferência de dados para dispositivos de baixa potência) usando SDR. Esse tópico me pareceu interessante, especialmente porque o sinal LoRa em si é bastante incomum - a chamada modulação Chirp Spread Spectrum, ou "modulação chirp".

Como funciona, continuou sob o corte.

A propósito, a tradução literal da modulação Chirp teria soado como "modulação de tweet", mas isso parece completamente surreal, então prefiro deixar a palavra simples "chirp" (como sugerido nos comentários, em russo, isso é chamado de modulação de frequência linear ).

Modulação LoRa

Como mencionado acima, ao transmitir LoRa, é usado um método de modulação usando "chirps", a propósito, patenteado pela Semtech. Se alguém quiser detalhes de implementação com fórmulas, você pode ler o PDF no site da semtech ou aqui , mas se for muito rude, um "chirp" é uma alteração de frequência e o fluxo de bits é codificado com essas alterações, como mostra a figura acima. Os parâmetros de sinal no LoRa são SF (fator de espalhamento - na verdade, a duração de um "chirp") e largura de banda - largura de banda de transmissão. O parâmetro SF é definido pelos valores predefinidos de SF7 - SF12, em que 7 é o mais rápido e 12 é o modo mais lento (por exemplo, você pode ver uma imagem com uma ilustração das diferentes velocidades de chilrear com o researchgate ).

Obviamente, quanto menor o comprimento do "chirp" e maior a banda, mais você pode obter a velocidade de transmissão. Tudo isso é conectado por uma tabela como esta:

Do ponto de vista da imunidade a alcance e ruído, é vantajoso transmitir devagar e com tristeza, mas antes perdemos velocidade, depois perdemos tempo e, de acordo com as regras da LoRa, o dispositivo não pode transmitir mais de 1% do tempo para não incomodar os outros. dispositivos. Portanto, a escolha da velocidade de transmissão ideal para dispositivos de baixa potência também não é uma tarefa fácil.

Com um princípio geral, espero que esteja claro, agora vamos para SDR e decodificação.

Ferro

Para testar, usei o LoRa Click RN2483 e o Arduino M0, simplesmente porque estavam disponíveis.

Esse é um fator de forma bastante conveniente para a prototipagem, pois permite substituir facilmente a placa uma pela outra sem solda (neste formato, chamado MikroBUS , muitos periféricos diferentes estão disponíveis).

O código de rascunho, que não finge ser produção, foi adicionado ao spoiler. O valor "1234" é passado como teste.

rn2483_tx.ino

// RN2483 Modem and LoRa Click test TX. Tested with Arduino M0 int reset = A2; int rts = 9; // CS int cts = 3; // INT // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { Serial1.begin(57600); // Serial port to radio // output LED pin pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); pinMode(cts, INPUT); pinMode(rts, OUTPUT); digitalWrite(rts, HIGH); // Reset rn2483 pinMode(reset, OUTPUT); digitalWrite(reset, LOW); delay(100); digitalWrite(reset, HIGH); delay(100); sendCommand("sys get ver\r\n"); sendCommand("sys get hweui\r\n"); sendCommand("mac pause\r\n"); sendCommand("radio set mod lora\r\n"); sendCommand("radio set pwr -3\r\n"); // the transceiver output power, from -3 to 15 sendCommand("radio set sf sf8\r\n"); // sf7..sf12, sf7 the fastest spreading factor but gives the shortest range // sendCommand("mac set dr 0\r\n"); // data rate: 0-4, 4 faster sendCommand("radio set freq 869100000\r\n"); // sendCommand("radio set afcbw 41.7\r\n"); sendCommand("radio set rxbw 125\r\n"); // sendCommand("radio set prlen 8\r\n"); sendCommand("radio set crc on\r\n"); // sendCommand("radio set iqi off\r\n"); sendCommand("radio set cr 4/8\r\n"); // sendCommand("radio set wdt 60000\r\n"); // disable for continuous reception // sendCommand("radio set sync 12\r\n"); sendCommand("radio set bw 125\r\n"); } void sendCommand(const char *cmd) { Serial1.print(cmd); String incoming = Serial1.readString(); // SerialUSB.print(cmd); // SerialUSB.println(incoming); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { char data[64] = {0}; // hexadecimal value representing the data to be transmitted, from 0 to 255 bytes for LoRa modulation and from 0 to 64 bytes for FSK modulation. sprintf(data, "radio tx 1234\r\n"); sendCommand(data); if (msg_num > 10000) msg_num=0; digitalWrite(LED_BUILTIN, 1); delay(400); digitalWrite(LED_BUILTIN, 0); delay(600); }

A propósito, o alcance máximo de transmissão declarado para RN2483 é de até 15 km, na prática, na presença de um prédio de um andar, o sinal já desaparece por 1 km e não pode ultrapassar 100 m em "formigueiros" urbanos.

Iniciamos o modem e prosseguimos para a decodificação.

Decodificação

Não há suporte para LoRa no próprio GNU Radio, então você precisa usar componentes de terceiros. Havia apenas dois deles e, infelizmente, os dois autores não mostraram nenhuma imaginação no nome e os chamaram exatamente da mesma forma - gr-lora ( https://github.com/rpp0/gr-lora e https://github.com/ BastilleResearch / gr-lora, respectivamente). Infelizmente, como o GNU Radio não pode ter os dois componentes ao mesmo tempo, o instalador de um componente substitui os arquivos do outro.

rpp0 / gr-lora

Você pode baixar as fontes do decodificador no github , a montagem é padrão e não causa dificuldades:

 git clone https://github.com/rpp0/gr-lora.git cd gr-lora mkdir build cd build cmake .. make && sudo make install && sudo ldconfig

Após a instalação, blocos adicionais aparecem no GNU Radio, dos quais é fácil montar um decodificador. Como parâmetros do decodificador, você deve especificar a largura de banda de transmissão, o fator de propagação, a frequência central do SDR e a frequência de recepção.

As unidades no GNU Radio são padronizadas para que qualquer receptor, como RTL-SDR, possa ser usado. Eu usei o SDRPlay. Um simples programa Python foi usado para gerar dados para o console.

udp_receive.py

 import socket UDP_IP = "127.0.0.1" UDP_PORT = 40868 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # UDP sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) sock.bind((UDP_IP, UDP_PORT)) sock.settimeout(0.5) while True: try: data, addr = sock.recvfrom(128) # buffer size is 1024 bytes print("Msg:", ' '.join('{:02x}'.format(x) for x in data)) except socket.timeout: pass

O resultado do trabalho é mostrado na figura.

Como você pode ver, a linha contém o cabeçalho e os blocos finais da transmissão e, no meio, vemos nossos dados "1234".

Pesquisa / gr-lora

Este módulo é digno de nota, pois pode funcionar não apenas na recepção, mas também na transmissão. A instalação é praticamente a mesma: o componente precisa ser montado a partir da fonte.

 git clone git://github.com/BastilleResearch/gr-lora.git cd gr-lora mkdir build cd build cmake .. make && sudo make install && sudo ldconfig

O gráfico de conexão para esse decodificador é mostrado na figura.

Como você pode ver, existem mais blocos. O rotador e o reamostrador polifásico selecionam a frequência desejada e cortam o excesso; o desmodulador converte os “chirps” em um código binário (a saída é uma sequência como “17 00 3e 00 38 00 2f 00 01 00 39 00 2c 00 30 00 c6 00 18 00 7e 00 d5 00 85 00 e9 00 d8 00 67 00 c4 00 ”), e o decodificador forma a embalagem final.

Infelizmente, nunca funcionou corretamente. A decodificação definitivamente funciona, enquanto o modem está funcionando, os dados aparecem, mas as mensagens recebidas não têm nada a ver com as transmitidas.

Não entendi o motivo, cometi um erro nas configurações em algum lugar ou esse decodificador é compatível apenas com meu próprio codificador. Quem desejar pode verificar por conta própria usando o modelo de canal.

LoRaWAN

Como você pode ver, a camada física inferior de transmissão foi considerada aqui. No protocolo LoRaWAN de nível superior, outra camada lógica é colocada no topo - com criptografia, chaves e outros serviços. Quem quiser ver como funciona a codificação pode tentar o decodificador online aqui .

A propósito, segue-se que, mesmo que recebamos um sinal LoRaWAN usando SDR, sem a presença de chaves de criptografia (uma das quais está armazenada no servidor do provedor), ainda não reconhecemos o conteúdo do pacote.

Conclusão

Como você pode ver, é possível decodificar LoRa usando SDR. Obviamente, não é aconselhável fazer um gateway real baseado em SDR - sua sensibilidade será pior que a sensibilidade dos modems "reais", projetados especialmente para receber sinais fracos, e ter filtros de banda estreita e LNA. Mas para testes ou pesquisas, isso pode ser bastante interessante.

Para aqueles que querem tentar por conta própria, os arquivos grc de origem GNU Radio estão sob o spoiler.

receive1.grc

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Todas as experiências bem sucedidas.

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