Capítulo 3 — Modulação LoRa (Camada Física)


3. Modulação LoRa

A tecnologia LoRa define exclusivamente a camada física (PHY) do sistema de comunicação.
Ela não trata de endereçamento, segurança, autenticação ou roteamento — esses aspectos são responsabilidade do LoRaWAN, que será abordado em capítulos posteriores.

O grande diferencial do LoRa é sua modulação baseada em Chirp Spread Spectrum (CSS), que permite:

  • Comunicação de longo alcance

  • Alta robustez contra ruído e interferências

  • Baixo consumo de energia

3.1 Chirp Spread Spectrum (CSS)

3.1.1 O que é um chirp

Um chirp é um sinal cuja frequência varia ao longo do tempo, aumentando ou diminuindo de forma linear.

  • Up-chirp: frequência cresce com o tempo

  • Down-chirp: frequência decresce com o tempo

No LoRa, a informação não é codificada na amplitude ou na fase do sinal, mas sim na posição temporal do chirp dentro de uma janela de tempo.

Isso torna a comunicação:

  • Extremamente robusta a ruído

  • Capaz de operar com SNR negativo

  • Pouco sensível a variações de potência

3.1.2 Espalhamento espectral no LoRa

No CSS:

  • Cada símbolo ocupa toda a largura de banda

  • O espalhamento aumenta a imunidade a interferências

  • A demodulação ocorre por correlação, não por simples detecção de energia

Essa técnica permite que:

  • Múltiplos dispositivos transmitam simultaneamente

  • Usando o mesmo canal

  • Com diferentes Spreading Factors (SF)

3.2 Spreading Factor (SF)

O Spreading Factor é o principal parâmetro da modulação LoRa.

Ele define:

  • A quantidade de bits por símbolo

  • A duração do símbolo

  • A sensibilidade do receptor

  • O alcance da comunicação

Valores típicos

SFBits por símbolo
SF77 bits
SF88 bits
SF99 bits
SF1010 bits
SF1111 bits
SF1212 bits

Quanto maior o SF:

  • ⬆️ Maior alcance

  • ⬆️ Maior robustez

  • ⬇️ Menor taxa de dados

  • ⬆️ Maior tempo no ar (Time on Air)

Ortogonalidade dos SFs

Os SFs no LoRa são quase ortogonais entre si.
Isso significa que um gateway pode:

  • Receber simultaneamente múltiplos pacotes

  • No mesmo canal

  • Desde que utilizem SFs diferentes

🔎 Nota prática AU915
Essa característica é essencial para redes densas no Brasil, como:

  • Campi universitários

  • Prédios inteligentes

  • Condomínios

  • Cidades inteligentes

3.3 Largura de banda (Bandwidth — BW)

A largura de banda define a faixa de frequências ocupada pelo chirp.

Valores comuns no LoRaWAN:

  • 125 kHz

  • 250 kHz

  • 500 kHz

No AU915:

  • Uplink: normalmente 125 kHz

  • Downlink: pode usar 500 kHz (canais de alta velocidade)

Impactos da largura de banda

BW maiorBW menor
⬆️ Taxa de dados⬆️ Sensibilidade
⬇️ Tempo no ar⬆️ Alcance
⬇️ Alcance⬇️ Taxa de dados

3.4 Taxa de símbolos e taxa de dados

Taxa de símbolos

Rs=BW2SFR_s = \frac{BW}{2^{SF}}

Exemplo:

  • BW = 125 kHz

  • SF = 10

Rs=1250001024≈122 sıˊmbolos/sR_s = \frac{125000}{1024} \approx 122 \text{ símbolos/s}

Taxa de dados útil

A taxa de dados depende de:

  • SF

  • BW

  • Coding Rate (CR)

Rb=SF⋅BW2SF⋅CRR_b = SF \cdot \frac{BW}{2^{SF}} \cdot CR

Onde:

  • CR = 4/5, 4/6, 4/7 ou 4/8

3.5 Coding Rate (CR)

O Coding Rate adiciona bits de redundância para correção de erros.

CREficiência
4/5Maior taxa
4/8Maior robustez

🔎 Nota prática
Na maioria das redes LoRaWAN comerciais:

  • Usa-se CR = 4/5

  • CR mais altos só em ambientes extremamente ruidosos

3.6 Time on Air (ToA)

O Time on Air é o tempo que um pacote permanece no ar.

Ele depende de:

  • SF

  • BW

  • CR

  • Tamanho do payload

Por que o ToA é crítico?

  • Consome bateria

  • Impacta a capacidade da rede

  • Afeta diretamente a escalabilidade

🔎 Nota AU915 (Brasil)
Embora não exista duty cycle fixo como no EU868:

  • Existe limite de dwell time

  • Pacotes longos (SF alto) reduzem a capacidade da rede

Exemplo prático

Payload: 24 bytes
BW: 125 kHz
CR: 4/5

SFToA aproximado
SF7~56 ms
SF10~371 ms
SF12~1483 ms

➡️ SF12 ocupa o canal ~26× mais tempo que SF7.

3.7 Sensibilidade do receptor

A sensibilidade teórica pode ser estimada por:

S=−174+10log⁡10(BW)+NF+SNRminS = -174 + 10\log_{10}(BW) + NF + SNR_{min}

Onde:

  • −174 dBm/Hz → ruído térmico

  • NF → Noise Figure do receptor

  • SNRmin → SNR mínimo do SF

Valores típicos:

  • SF7 → ~−123 dBm

  • SF12 → ~−137 a −148 dBm (dependendo do chip)

3.8 Impacto prático na rede LoRaWAN (AU915)

Escolhas típicas no Brasil

  • Uplink: 125 kHz, SF7–SF10

  • Downlink: 500 kHz

  • ADR habilitado

  • SF12 apenas quando necessário

Boas práticas

✔️ Evitar SF alto desnecessariamente
✔️ Reduzir Time on Air
✔️ Melhorar posicionamento de gateways
✔️ Usar antenas adequadas

Encerramento do Capítulo 3

Neste capítulo você aprendeu:

  • Como funciona o Chirp Spread Spectrum

  • O papel do Spreading Factor

  • Impacto da largura de banda

  • Coding Rate e correção de erros

  • Time on Air e escalabilidade

  • Considerações práticas para AU915

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