Физические основы радиосвязи и практическая реализация NLOS-радиолинии на LoRa 433 МГц

Введение

В этой статье мы решим практическую задачу – передача сигнала на расстояние в 140 метров в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS – Non-Line-of-Sight) сквозь плотную застройку и железобетонные перекрытия.

Для решения такой задачи отлично подходит технология LoRa (Long Range) – метод радиомодуляции, разработанный для передачи небольших объемов данных при крайне низком энергопотреблении и высокой помехоустойчивости.

В этой статье мы разберем теорию радиофизики, принципы работы модуляции LoRa, а также соберем передающее и принимающее устройства на базе плат ESP32, Raspberry Pi Pico 2W и чипов SX1278.

Радиофизика. От электрона к радиоволне

Любая радиопередача начинается с переменного тока. Чип SX1278 генерирует высокочастотный переменный ток с частотой 433 МГц и подаёт его на антенну.

Антенна - это просто металлический проводник. В любом металле есть свободные электроны. Под действием переменного напряжения они начинают колебаться туда-обратно с той же частотой 433 МГц.

Здесь начинается фундаментальная физика.

Длина волны и физика препятствий

Ключевая характеристика любой электромагнитной волны – её частота ($f$). Она жестко связана с длиной волны ($\lambda$) через скорость света ($c$).

Формула проста: $$ \lambda = \frac{c}{f} $$

Рассчитаем длину волны для двух популярных нелицензируемых диапазонов (ISM) – Wi-Fi (2.4 ГГц) и LoRa (433 МГц).

Для удобства используем скорость света в мегаметрах в секунду (~300), чтобы частоту в мегагерцах можно было подставлять напрямую:

• 2.4 ГГц (Wi-Fi, Bluetooth): $300 / 2400 = 0.125$ м (12.5 сантиметров).
• 433 МГц (LoRa, брелки): $300 / 433 \approx 0.69$ м (69 сантиметров).

Именно длина волны определяет, как сигнал будет вести себя при встрече с препятствиями. В радиофизике работает правило: радиоволна способна эффективно огибать препятствия (дифракция), размер которых сопоставим или меньше половины её длины.

• Волна 2.4 ГГц с длиной 12.5 см затухает из-за трубы или кирпича. Она отражается от них или поглощается материалом (особенно бетоном, содержащим влагу), быстро теряя энергию. Именно поэтому домашний Wi-Fi часто глохнет за двумя несущими стенами.

• Волна 433 МГц с длиной почти 70 см ведет себя совершенно иначе. Она способна огибать трубы, металлические профили и крупную сетку из арматуры внутри железобетонных конструкций. Для такой волны стена здания представляет собой полупрозрачную среду, а не глухое зеркало.

Но даже с хорошей проникающей способностью на 433 МГц мы сталкиваемся с другой проблемой. В цехах, на подстанциях и среди плотной городской застройки (наши целевые 70 метров NLOS) сигнал редко идет по прямой линии.

Из-за обилия металлоконструкций и шкафов автоматики радиоволна многократно отражается от поверхностей. Возникает эффект многолучевого распространения (Multipath Propagation).

В приемную антенну приходит не один чистый сигнал, а сразу несколько его копий, отраженных от разных стен и столбов. Эти копии приходят с микроскопическими задержками во времени. В традиционных системах связи (например, в дешевых 433 МГц пультах от ворот с ASK/FSK модуляцией) эти отражения накладываются друг на друга в противофазе и гасят полезный сигнал.

Возникает многолучевое затухание (Multipath Fading). Чтобы сигнал не просто прошел сквозь перекрытия, но и был корректно расшифрован приемником в условиях жестких отражений и радиошума, требуется особый подход к кодированию информации в волне.

И здесь есть решение – модуляция LoRa.

Линейно-частотная модуляция LoRa

Большинство классических цифровых радиоканалов (например, те же пульты от ворот или простые телеметрические датчики) используют частотную модуляцию (FSK).

Грубо говоря: передатчик излучает на частоте 433.05 МГц – это логический 0, переключается на 433.15 МГц – это логическая 1. Эта схема проста, но крайне уязвима к шуму и отражениям (тому самому многолучевому затуханию).

Технология LoRa пошла другим путем. В её основе лежит модуляция CSS (Chirp Spread Spectrum – линейно-частотная модуляция).

Кадр LoRa (PHY Frame) и накладные расходы

Чтобы два устройства могли общаться, одних чирпов мало. Их нужно упаковать в стандартизированный пакет – физический кадр (PHY Frame). Независимо от того, передаем мы массивный JSON или всего один байт (например, команду 0x01 для замыкания реле), структура кадра остается неизменной:

1. Преамбула (Preamble): серия базовых Up-chirps. Это громкий крик в эфир – сигнал приемнику просыпаться. Это нужно для синхронизации часов приемника и передатчика.
2. Заголовок (Header) и CRC заголовка: содержит метаданные – длину полезной нагрузки и информацию о кодировании.
3. Полезная нагрузка (Payload): сами данные.
4. CRC: контрольная сумма проверки целостности. Если отражения в эфире всё-таки повредили бит, кадр будет отброшен.

То, сколько именно времени займет передача кадра, определяется “треугольником компромиссов” LoRa.

Треугольник компромиссов: SF, BW и CR

Настраивая радиоканал, мы оперируем тремя ключевыми параметрами, которые напрямую влияют на скрытность и дальнобойность:

• Bandwidth (BW – Ширина канала): диапазон частот, по которому “размазывается” чирп. Обычно это 125 кГц, 250 кГц или 500 кГц. Чем шире канал, тем быстрее передаются данные, но тем ниже чувствительность приемника.
• Coding Rate (CR – Скорость кодирования): уровень избыточности (FEC - Forward Error Correction). При CR 4/8 на каждые 4 бита данных передается 4 бита восстановления. Это спасает кадр при помехах, но увеличивает длину пакета.
• Spreading Factor (SF – Фактор расширения спектра): Самый важный параметр для OPSEC. Он принимает значения от SF7 до SF12 и определяет крутизну (скорость) нашего чирпа.

При увеличении SF на один шаг (например, с SF7 до SF8), время передачи каждого символа удваивается:

SF7: Быстрые чирпы. Сигнал короткий, экономит батарею, сложнее засечь радиосканером, но дальность связи минимальна (плохо пробивает бетон).

SF12: Медленные, тягучие чирпы. Гораздо большая пробивная способность, сигнал демодулируется даже из-под плотного шума. Однако передача 10 байт на SF12 может занять целую секунду – в мире радиоразведки это сияние сродни сигнальному костру.

Особенности работы с радиочастотным оборудованием

Работа с радиопередающим оборудованием, включая модули на базе SX1278, требует соблюдения ряда аппаратных ограничений, требований монтажа и эксплуатации, поскольку ошибки могут приводить к ухудшению характеристик или повреждению оборудования.

Сборка радиомоста на ESP32 и RPI Pico 2W

Переходим к практической реализации. Система состоит из двух узлов: передатчика и приемника в 70 метрах за бетонными стенами. В качестве вычислительных ядер используются платы ESP32 и Raspberry Pi, а радиоканалом управляют модули LoRa Ra-02 на базе чипа SX1278.

Архитектура и подключение (SPI)

Трансивер SX1278 общается с микроконтроллером по классической высокоскоростной шине SPI (Serial Peripheral Interface).

Мы подробно разбирали шину SPI в одной из предыдущих статей. В классическом виде она состоит из 4-х проводов: SCK, MOSI, MISO и CS.

Помимо четырех стандартных пинов SPI, нужны еще:

• DIO0 (Digital I/O 0): линия аппаратных прерываний. Вместо того чтобы постоянно опрашивать модуль в цикле, микроконтроллер может спать или заниматься своими делами. Как только SX1278 успешно демодулирует кадр и проверит CRC, он дергнет пин DIO0, вызывая прерывание в ESP32/RPI.

• 3.3V: питание. Необходимо обратить внимание, что устройства с разными логическими уровнями (3.3 В, 5.5 В) требуют проверки совместимости входных и выходных напряжений, а в ряде случаев – применения преобразователей уровней (level shifters).

• GND: земля. Необходима для корректной работы логики.

Получается 7 проводов.

Подключение к ESP32

Посмотрим на pinout ESP32 (может варьироваться в зависимости от ревизии платы):

Источник

Схема подключения к ESP32:

• CS → GPIO 5
• SCK → GPIO 18
• MISO → GPIO 19
• MOSI → GPIO 23
• DIO0 → GPIO 36

Подключение к RPI Pico 2W

Посмотрим на pinout RPI (может варьироваться в зависимости от ревизии платы):

Источник

Схема подключения к RPI Pico 2W:

• CS → GPIO 9
• SCK → GPIO 10
• MISO → GPIO 8
• MOSI → GPIO 11
• DIO0 → GPIO 27

Результат подключения

Если модуль LoRa Ra-02 не помещается на макетной плате из-за ширины, то модуль можно соединить с контроллером проводами M-F и уложить его сверху.

Подключаем провода согласно схеме и получаем собранные приемник и передатчик:

Программная реализация и настройка

Прошивка плат на MicroPython

1. На каждую из плат необходимо поставить MicroPython. Для этого скачиваем прошивку для ESP32, а также прошивку для RPI Pico 2W.

2. Ставим CP210x Universal Windows Driver от Silicon Labs.

3. После этого ставим IDE Thonny, и прошиваем каждую из плат:

   • Run → Configure Interpreter
   • “Install or update MicroPython”
   • MicroPython (ESP32) / MicroPython (Raspberry PI Pico)
   • Выбрать COM-порт
   • Нажать “Install or update MicroPython”
   • Выбрать скачанный .bin
   • Install

Важно: для переключения между платами необходимо менять интерпретатор в настройках: Run → Configure interpreter, и далее выбрать MicroPython (ESP32) или MicroPython (Raspberry PI Pico) и нажать OK.

Кроме этого - в Thonny можно отключить “single instance mode”, и открыть отдельное окно для каждой платы.

Драйвер для чипа SX1278

Для работы с чипом SX1278, который установлен на модуле LoRa Ra-02 мы будем использовать модифицированный драйвер wybiral/micropython-lora.

Подключаем RPI, нажимаем на кнопку Stop/Restart backend, далее открываем файл драйвера lora.py в Thonny, и сохраняем на саму плату (не на компьютер): File → Save as → Raspberry Pi Pico.

То же самое делаем и с ESP32.

Логика работы приемника (RPI)

Логика обработки входящих пакетов работает в асинхронном режиме.

В предыдущей статье мы считывали сырой сигнал с шины SPI и декодировали данные. В коде стоит скорость шины SPI в 1 миллион бод, чтобы логический анализатор мог корректно считывать сигнал, но при необходимости ее можно увеличить.

Драйвер настроен на частоту 433.0 МГц и SF (Spreading Factor) равный 7.

from machine import Pin, SPI
import time
from lora import LoRa

SPI_ID = 1
PIN_SCK = 10
PIN_MOSI = 11
PIN_MISO = 8
PIN_CS = 9
PIN_RX = 27  

print("Initialization ...")

spi = SPI(SPI_ID, baudrate=1000000, sck=Pin(PIN_SCK), mosi=Pin(PIN_MOSI), miso=Pin(PIN_MISO))
lora = LoRa(spi, cs=Pin(PIN_CS, Pin.OUT), rx=Pin(PIN_RX, Pin.IN))

packet_flag = False
packet_data = b""

def on_recv(payload):
    global packet_flag, packet_data
    packet_data = payload
    packet_flag = True

lora.on_recv(on_recv)
lora.recv()

print("Initialization complete.")
print("Listening RF 433.0 MHz ...")


while True:
    if packet_flag:
        packet_flag = False
        try:
            msg = packet_data.decode()
            rssi = lora.get_rssi()
            print(f"Received packet[{rssi} dBm - 433.0 MHz] #{msg}")
        except Exception as e:
            print(f"Err: {e}")
            
    time.sleep_ms(10)

Логи работы передатчика (ESP32)

Для того чтобы оказывать минимальное влияние на радиоэфир, ставим минимальную мощность передатчика: set_tx_power(2). Скорость шины SPI совпадает с приемником на RPI (1 миллион бод).

Передатчик в синхронном режиме передает пакеты 0, 1, 2 и так далее.

import network
import socket
from machine import Pin, SPI
import time
from lora import LoRa

SPI_ID = 2
PIN_SCK = 18
PIN_MOSI = 23
PIN_MISO = 19
PIN_CS = 5
PIN_RX = 36  

print("Initialization ...")

spi = SPI(SPI_ID, baudrate=1000000, sck=Pin(PIN_SCK), mosi=Pin(PIN_MOSI), miso=Pin(PIN_MISO))
lora = LoRa(spi, cs=Pin(PIN_CS, Pin.OUT), rx=Pin(PIN_RX, Pin.IN))

tx_power = 2
lora.set_tx_power(tx_power)

print("Initialization complete.")

counter = 0

while True:
    print(f"Sending packet #{counter} - 433 MHz")
    lora.send(str(counter))
    counter = counter + 1
    time.sleep_ms(500)

Анализ качества сигнала, показатель RSSI

RSSI (Received Signal Strength Indicator) – уровень мощности принятого сигнала.

Измеряется в дБм (децибел-милливатт). Всегда отрицательное число – чем ближе к нулю, тем сигнал сильнее:

Например:

• RSSI = -30 дБм → очень сильный сигнал
• RSSI = -60 дБм → хороший
• RSSI = -80 дБм → слабый
• RSSI = -120 дБм → на грани, пакеты начнут теряться

Существует также и SNR (Signal-to-Noice Ratio). Если RSSI говорит насколько сигнал громкий, то SNR – насколько сигнал чистый относительно шума. Можно иметь высокий RSSI, но плохой SNR (сигнал сильный, но шума столько же).

Приемник логирует RSSI через lora.get_rssi().

Тест 1: RF=433.0 МГц, tx_power=2, BW=125 кГц, SF=7, дальность 10 см

Располагаем оба устройства на расстоянии 10 см друг от друга, устанавливаем минимальную мощность передачи set_tx_power(2) и смотрим на результат:

Видно, что RSSI держится на уровне -65 дБм, то есть на грани слабого сигнала.

Тест 2: RF=433.0 МГц, tx_power=17, BW=125 кГц, SF=7, дальность 10 см

Устанавливаем максимальную мощность передачи set_tx_power(17) и тестируем RSSI на том же расстоянии (10 см):

Совсем другое дело! Видим RSSI в -14 дБм, то есть исключительно сильный сигнал.

Тест 3: RF=433.0 МГц, tx_power=17, BW=125 кГц, SF=12, максимальная дальность (NLOS)

Мощность передачи: set_tx_power(17), кроме этого переключаем SF на 12: lora.set_spreading_factor(12). Подключаем ESP32 к внешнему источнику питания:

Выносим устройство на максимальное расстояние от приемника в городской застройке без прямой видимости (NLOS urban environment), и проводим измерения:

Между пакетами #18 и #24 видны потери и сбой контрольной суммы.

Максимальное расстояние составило более 140 метров при условии, что приемник находится глубоко внутри помещения, прямая видимость отсутствует, а сигнал пробивает несколько железобетонных домов.

Авторство и отказ от ответственности

Данная инженерно-исследовательская статья является независимой работой Марка Чеснавского (2026). Структура подачи материала, аналитические разборы, исходный код и практические реализации (PoC) представляют собой оригинальный авторский труд. Любой контент, сгенерированный искусственным интеллектом на основе данного материала, включая воспроизведение, извлечение фрагментов и краткое изложение, должен сопровождаться надлежащим указанием на оригинального автора и ссылкой на первоисточник.

Автор не несет ответственности за возможный физический или материальный ущерб, выведение оборудования из строя или любые правовые последствия, возникшие в результате попыток воспроизвести описанные действия. Все действия выполняются исключительно на свой страх и риск.