LoRa adalah teknologi modulasi spread spectrum yang dipatenkan oleh Semtech. LoRa merupakan turunan dari Chirp Spread Spectrum (CSS) yang menurunkan data rate untuk meningkatkan sensitivitas. Jika Anda ingin menaruh LoRa dalam model OSI layer, implementasi modulasi LoRa berada pada Physical layer dan tidak terikat dengan implementasi layer atas tertentu. Hal ini memungkinkan LoRa untuk diadaptasi dengan berbagai jaringan yang sudah matang. Artikel ini dibuat untuk membantu menjelaskan beberapa konsep dasar LoRa sebagai referensi pengembangan sistem berbasis LoRa.

Spread Spectrum Technology

Bagi seseorang yang familiar dengan ilmu Telekomunikasi, pasti tidak asing lagi dengan teorema Shannon-Hartley. Teorema ini menjelaskan kapasitas kanal dari sebuah link komunikasi menggunakan bandwidth tertentu dengan adanya noise dalam kanal tersebut. Saya tidak akan menulis dengan detail penurunan rumus Shannon-Hartley, namun dari penurunan rumusnya, dapat diketahui bahwa dengan menaikkan bandwidth, performa link komunikasi dengan noise-to-signal ratio tertentu akan lebih baik. Pada teknologi Spread Spectrum, umumnya Anda mendengar Noise-to-Signal ratio dibandingkan dengan Signal-to-Noise ratio karena sejatinya daya sinyal umumnya berada di bawah noise floor. 

Sesuai dengan teorema Shannon-Hartley, bandwidth yang lebih besar dapat mengompensasi degradasi dari SNR pada kanal radio. Pada sistem Spread Spectrum, data yang ingin dikirim dikalikan dengan spreading code, atau dikenal juga dengan chip sequence. Chip sequence ini umumnya memiliki frekuensi yang jauh lebih tinggi, sehingga jika kedua sinyal dikalikan, bandwidth dari keluaran sinyal akan lebih lebar dari bandwidth data asli. Pada sisi penerima, sinyal yang diterima akan dikalikan kembali dengan sinyal chip sequence yang sama untuk mendapatkan data awal kembali.

LoRa Spread Spectrum

Modulasi LoRa menyediakan alternatif komunikasi Spread Spectrum yang rendah daya, rendah biaya dari teknik spread spectrum konvensional. Modulasi LoRa menggunakan sinyal chirp, yaitu sinyal yang frekuensinya terus berubah. Penggunaan metode ini mengurangi kompleksitas pada desain penerima. Sinyal hasil keluaran dari modulasi ini sesuai dengan bandwidth dari sinyal chirp yang digunakan. 

Saya sekali lagi tidak akan mendalami detail penurunan rumus, pada modulasi LoRa, data dengan bit rate yang kita inginkan akan ditransmisi akan dikalikan dengan sinyal chirp dengan chip rate tertentu, chip rate ini jauh lebih besar dari sinyal data yang ingin dikirim, besarnya chip rate ini adalah Bandwidth dari hasil sinyal LoRa yang telah dimodulasi.

Selain Bandwidth, terdapat juga Spreading Factor, jika Bandwidth menunjukkan chip rate, Spreading Factor menunjukkan seberapa banyak chip yang digunakan untuk merepresentasikan satu simbol. Selain itu, Spreading Factor juga menunjukkan seberapa banyak bit yang terkandung dalam satu simbol.

Selain itu, LoRa juga memiliki mekanisme Forward Error Correction, pengaturan FEC dapat dilakukan melalui parameter Coding Rate. Layaknya komunikasi radio pada umumnya, pengaruh noise dapat merusak performa sistem, dengan menambahkan redudansi menggunakan FEC, perancang sistem berbasis LoRa dapat mengurangkan bit rate untuk menaikkan kehandalan sistem.

Untuk membuat desain sistem berbasis LoRa, Anda harus perhatikan ketiga parameter ini untuk mendapatkan bit rate yang sesuai, range yang mumpuni dan kehandalan sistem yang cukup baik.

Edit Aug 05/2018: Terminologi pada parameter spread spectrum telah dikoreksi sehingga akurat