Wprowadzenie do Lora i Lorawan: co to jest Lora i jak działa?

Komunikacja jest jedną z najważniejszych części każdego projektu IoT. Zdolność rzeczy do komunikowania się z innymi „rzeczami” (chmurą / serwerem urządzenia) jest tym, co daje „rzeczowi” prawo do dołączenia „internetu” do swojej nazwy. Chociaż istnieje mnóstwo protokołów komunikacyjnych, w każdym z nich brakuje jednej lub drugiej rzeczy, co czyni je „nie do końca odpowiednimi” dla aplikacji IoT. Główne problemy to zużycie energii, zasięg / zasięg i przepustowość.

Większość radiotelefonów komunikacyjnych, takich jak między innymi Zigbee, BLE, WiFi, ma krótki zasięg, a inne, takie jak 3G i LTE, są bardzo energochłonne i nie można zagwarantować zasięgu ich zasięgu, zwłaszcza w krajach rozwijających się. Chociaż te protokoły i tryby komunikacji działają w niektórych projektach, wiąże się to ze znacznymi ograniczeniami, takimi jak; trudności we wdrażaniu rozwiązań IoT na obszarach bez zasięgu komórkowego (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) i znaczne skrócenie żywotności baterii urządzeń. W związku z tym, przewidując przyszłość IoT i łączenie wszelkiego rodzaju „rzeczy”, zlokalizowanych w różnych miejscach, zaistniała potrzeba stworzenia medium komunikacyjnego dostosowanego do IoT, które spełnia jego wymagania w zakresie szczególnie niskiego poboru mocy, znacznie dużego zasięgu., tani, bezpieczny i łatwy do wdrożenia. Tutaj pojawia się LoRa.

LoRa (co oznacza Long Range) to opatentowana technologia komunikacji bezprzewodowej, która łączy ultra niskie zużycie energii z efektywnym dużym zasięgiem. Chociaż zasięg w dużym stopniu zależy od środowiska i możliwych przeszkód (LOS lub N-LOS), LoRa zwykle ma zasięg od 13 do 15 km, co oznacza, że ​​pojedyncza bramka LoRa może zapewnić zasięg dla całego miasta, a przy kilku innych - całej kraj. Technologia została opracowana przez Cycleo we Francji i wysunęła się na pierwszy plan, gdy firma została przejęta przez Semtech w 2012 roku. Użyliśmy modułów LoRa z Arduino i Raspberry Pi i działały zgodnie z oczekiwaniami.

Funkcje LoRa

Radio LoRa zawiera kilka funkcji, które pomagają mu osiągnąć efektywną moc dalekiego zasięgu i niski koszt. Niektóre z tych funkcji obejmują;

1. Technika modulacji
2. Częstotliwość
3. Adaptacyjne szybkości transmisji danych
4. Adaptacyjne poziomy mocy

Modulacja

Radia Lora wykorzystują technikę modulacji widma rozproszonego chirp, aby osiągnąć znacznie duży zasięg komunikacji przy zachowaniu charakterystyk małej mocy, które są podobne do radiotelefonów opartych na warstwie fizycznej modulacji FSK. Chociaż modulacja widma rozproszonego chirp jest już od jakiegoś czasu stosowana w komunikacji wojskowej i kosmicznej, LoRa przedstawia pierwsze, niedrogie komercyjne zastosowanie tej techniki modulacji.

Częstotliwość

Chociaż technologia LoRa jest niezależna od częstotliwości, komunikacja między radiotelefonami LoRa odbywa się za pośrednictwem nielicencjonowanych pasm częstotliwości radiowych poniżej GHz, które są dostępne na całym świecie. Częstotliwości te różnią się w zależności od regionu, a często także w różnych krajach. Na przykład 868 MHz jest powszechnie używane w komunikacji LoRa w Europie, podczas gdy 915 MHz jest używane w Ameryce Północnej. Niezależnie od częstotliwości, LoRa może być używany bez większych zmian technologicznych.

Pasma częstotliwości dla LoRa w różnych krajach

Używanie niższych częstotliwości niż w przypadku modułów komunikacyjnych, takich jak WiFi w oparciu o pasma ISM 2,4 lub 5,8 GHz, zapewnia znacznie większy obszar pokrycia, szczególnie w sytuacjach NLOS.

Należy zauważyć, że w niektórych krajach nadal wymagane są pozwolenia, zanim będzie można korzystać z nielicencjonowanych pasm.

Adaptacyjna szybkość transmisji danych

LoRa wykorzystuje kombinację zmiennej szerokości pasma i współczynników rozproszenia (SF7-SF12) w celu dostosowania szybkości transmisji danych w kompromisie z zasięgiem transmisji. Wyższy współczynnik rozpraszania pozwala na większy zasięg kosztem mniejszej szybkości transmisji danych i odwrotnie. Kombinację szerokości pasma i współczynnika rozproszenia można wybrać w zależności od warunków łącza i poziomu przesyłanych danych. Zatem wyższy współczynnik rozproszenia poprawia wydajność transmisji i czułość dla danej szerokości pasma, ale także zwiększa czas transmisji w wyniku niższych szybkości transmisji danych. Mogą się one wahać od zaledwie 18 do 40 kb / s

Adaptacyjny poziom mocy

Poziom mocy używany przez radia LoRa jest adaptacyjny. Zależy to między innymi od takich czynników, jak szybkość transmisji danych i warunki łącza. Gdy wymagana jest szybka transmisja, nadawana moc jest zbliżana do maksimum i odwrotnie. W ten sposób żywotność baterii jest maksymalizowana, a pojemność sieci utrzymana. Zużycie energii zależy również od klasy urządzeń, pośród kilku innych czynników.

LoRaWAN

LoRaWAN to otwarty standard sieci rozległej (LPWAN) o dużej przepustowości, dalekiego zasięgu, zaprojektowany dla LoRa Powered IoT Solutions przez LoRa Alliance. Jest to protokół dwukierunkowy, który w pełni wykorzystuje wszystkie funkcje technologii LoRa, aby świadczyć usługi, w tym niezawodne dostarczanie wiadomości, kompleksowe zabezpieczenia, lokalizację i możliwości multiemisji. Standard zapewnia współdziałanie różnych sieci LoRaWAN na całym świecie.

Kiedy ludzie próbują zdefiniować LoRa i LoRaWAN, zwykle dochodzi do nieporozumień, które prawdopodobnie najlepiej rozwiązać, badając model stosu odniesienia OSI.

Mówiąc najprościej, w oparciu o model stosu OSI, LoRaWAN odpowiada protokołowi Media Access dla sieci komunikacyjnej, podczas gdy LoRa odpowiada warstwie fizycznej. W ten sposób LoRaWAN definiuje protokół komunikacyjny i architekturę systemu dla sieci, podczas gdy architektura LoRa umożliwia łącze komunikacyjne dalekiego zasięgu. Oba z nich połączyły się, aby zapewnić funkcjonalność, która określa żywotność baterii węzła, pojemność sieci, jakość usług, bezpieczeństwo i inne aplikacje obsługiwane przez sieć. Chociaż LoRaWAN jest najpopularniejszą warstwą MAC dla LoRa, istnieją inne zastrzeżone warstwy, które są również zbudowane w technologii LoRa. Dobrym przykładem jest łącze Symphony firmy Link Labs, które zostało specjalnie opracowane do zastosowań przemysłowych.

Architektura sieci LoRaWAN

W przeciwieństwie do topologii sieci kratowej przyjętej przez większość sieci, LoRaWAN wykorzystuje architekturę sieci gwiaździstej, więc zamiast ustawiać każde urządzenie końcowe w prawie zawsze włączonym, powtarzając transmisję z innych urządzeń w celu zwiększenia zasięgu, urządzenia końcowe w sieci LoRaWAN komunikują się bezpośrednio z bramkami i są włączone tylko wtedy, gdy muszą komunikować się z bramą, ponieważ zasięg nie stanowi problemu. Jest to czynnik przyczyniający się do cech niskiego poboru mocy i wysokiej żywotności baterii uzyskanej w urządzeniach końcowych LoRa

Architektura sieci LoRa składa się z czterech głównych części;

1. Urządzenia końcowe

2. Bramy

3. Serwer sieciowy

4. Serwer aplikacji

1. Urządzenia końcowe

Są to czujniki lub aktuatory na brzegu sieci. Urządzenia końcowe służą różnym aplikacjom i mają różne wymagania. Aby zoptymalizować różnorodne profile aplikacji końcowych, LoRaWAN ™ wykorzystuje trzy różne klasy urządzeń, do których można skonfigurować urządzenia końcowe. Klasy obejmują kompromisy między opóźnieniem komunikacji w dół a żywotnością baterii urządzenia.

Trzy główne klasy to;

1. Dwukierunkowe urządzenia końcowe (klasa A)

2. Dwukierunkowe urządzenia końcowe z zaplanowanymi gniazdami odbioru (klasa B)

3. Dwukierunkowe urządzenia końcowe z maksymalnymi szczelinami odbiorczymi (klasa C)

ja. Urządzenia końcowe klasy A.

Są to urządzenia, które wymagają jedynie komunikacji w dół od serwera bezpośrednio po łączu w górę. Na przykład są to urządzenia, które muszą otrzymać potwierdzenie dostarczenia wiadomości z serwera po połączeniu w górę. W przypadku tej klasy urządzeń muszą czekać, aż łącze w górę zostanie wysłane do serwera, zanim będzie można odebrać łącze w dół. W rezultacie komunikacja jest utrzymywana na minimalnym poziomie, a tym samym mają najmniejszą moc działania i największą żywotność baterii. Dobrym przykładem urządzeń klasy A jest inteligentny licznik energii oparty na technologii LoRa

ii. Urządzenia końcowe klasy B.

Urządzeniom tym przydzielane są dodatkowe okna łącza w dół w zaplanowanych odstępach czasu oprócz łącza w dół odebranego, gdy wysyłane jest łącze w górę (klasa A + zaplanowane dodatkowe łącze w dół). Zaplanowany charakter tego łącza w dół zapewnia, że ​​działanie jest nadal niskie, ponieważ komunikacja jest aktywna tylko w zaplanowanych odstępach czasu, ale dodatkowa moc zużywana podczas zaplanowanego łącza w dół zwiększa zużycie energii poza pobór mocy urządzeń klasy A, jako takie mają niższą baterię żywotność w porównaniu z urządzeniami końcowymi klasy A.

iii. Urządzenia końcowe klasy C.

Ta klasa urządzeń nie ma ograniczeń dotyczących łącza w dół. Zostały zaprojektowane tak, aby prawie zawsze były otwarte na komunikację z serwera. Zużywają więcej energii niż inne klasy i mają najniższą żywotność baterii. Dobrym przykładem urządzeń klasy C są urządzenia końcowe wykorzystywane w zarządzaniu flotą czy monitorowaniu ruchu rzeczywistego.

2. Bramy

Bramy (nazywane również koncentratorami) to urządzenia podłączone do serwera sieciowego za pośrednictwem standardowych połączeń IP, które przekazują komunikaty między zapleczem centralnego serwera sieciowego a urządzeniami końcowymi przy użyciu protokołu komunikacji bezprzewodowej z pojedynczym przeskokiem. Zostały zaprojektowane do obsługi komunikacji dwukierunkowej i są wyposażone w multiemisję umożliwiającą oprogramowaniu wysyłanie wiadomości masowej dystrybucji, takich jak aktualizacje bezprzewodowe.

Sercem każdej bramki LoRa jest wielokanałowy demodulator LoRa zdolny do dekodowania wszystkich wariantów modulacji LoRa na kilku częstotliwościach równolegle.

W przypadku dużego operatora sieci kluczowymi czynnikami wyróżniającymi powinny być wydajność radiowa (czułość, moc wysyłania), połączenie układu SX1301 z MCU bramki (USB do SPI lub SPI do SPI) oraz obsługa i dystrybucja PPS sygnał, którego dostępność pozwala na precyzyjną synchronizację czasu w całej populacji bramek w sieci

LoRa rozprowadza komunikację między urządzeniami końcowymi i bramami na wiele kanałów częstotliwości i szybkości transmisji danych. Technologia widma rozproszonego wykorzystuje szybkości transmisji od 0,3 kb / s do 50 kb / s, aby zapobiec wzajemnym zakłóceniom komunikacji i tworzy zestaw „wirtualnych” kanałów, które zwiększają przepustowość bramki.

Aby zmaksymalizować zarówno żywotność baterii urządzeń końcowych, jak i ogólną pojemność sieci, serwer sieciowy LoRa zarządza szybkością transmisji danych i wyjściem RF dla każdego urządzenia końcowego indywidualnie za pomocą schematu adaptacyjnej szybkości transmisji (ADR).

3. Serwer sieciowy

Serwer sieciowy Lora jest interfejsem między serwerem aplikacji a bramami. Przekazuje polecenia z serwera aplikacji do bramy podczas przesyłania danych z bram do serwera aplikacji. Wykonuje funkcje, w tym zapewnienie, że nie ma zduplikowanych pakietów, planowanie potwierdzeń i zarządzanie szybkością transmisji danych i wyjściem RF dla każdego urządzenia końcowego z osobna przy użyciu schematu adaptacyjnej szybkości transmisji (ADR).

4. Serwer aplikacji

Serwer aplikacji określa, do czego wykorzystywane są dane z urządzeń końcowych. Wizualizacja danych itp. Jest prawdopodobnie wykonywana tutaj.

Bezpieczeństwo i prywatność LoRaWAN

Nie można przecenić znaczenia bezpieczeństwa i prywatności w każdym rozwiązaniu IoT. Protokół LoRaWAN określa szyfrowanie, aby zapewnić konkretne bezpieczeństwo danych

* Klucze AES128 na urządzenie

* Natychmiastowa regeneracja / unieważnienie kluczy urządzeń

* Szyfrowanie ładunku dla każdego pakietu zapewniające prywatność danych

* Ochrona przed atakami powtórek

* Ochrona przed atakami typu man-in-the-middle

LoRa używa dwóch kluczy; Klucze sesji sieciowej i sesji aplikacji zapewniają podzieloną, szyfrowaną komunikację na potrzeby zarządzania siecią i komunikacji aplikacji.

Klucz sesji sieciowej, współdzielony między urządzeniem a siecią, jest odpowiedzialny za uwierzytelnianie danych węzła końcowego, podczas gdy klucz sesji aplikacji, współdzielony między aplikacją a węzłem końcowym, jest odpowiedzialny za zagwarantowanie prywatności danych urządzenia.

Kluczowe cechy LoRAWAN

* Budżet łącza> 160 dB

* Moc TX +20 dBm

* Wyjątkowy IIP3

* Poprawa selektywności o 10dB w porównaniu z FSK

* Tolerancja na zakłócenia impulsowe w kanale

* Najniższy prąd RX - 10mA

* Najniższy prąd snu

* Ultraszybkie budzenie (uśpienie do RX / TX)

Zalety LoRa

Poniżej przedstawiamy niektóre zalety związane z LoRa;

1. Duży zasięg i zasięg: przy zasięgu LOS do 15 km, jego zasięg nie może być porównywany z żadnym innym protokołem komunikacyjnym.

2. Niska moc: LoRa oferuje radia o bardzo niskim poborze mocy, co czyni je idealnymi do urządzeń, które mają działać przez 10 lat lub