Introducere în lora și lorawan: ce este lora și cum funcționează?

Comunicarea este una dintre cele mai importante părți ale oricărui proiect IoT. Capacitatea unui lucru de a comunica cu alte „lucruri” (un dispozitiv cloud / server) este ceea ce conferă „lucrului” dreptul de a atașa „internetul” la numele său. În timp ce există tone de protocoale de comunicație, fiecăruia dintre ei îi lipsește un lucru sau altul, ceea ce le-a făcut „să nu fie complet potrivite” pentru aplicațiile IoT. Problemele majore sunt consumul de energie, autonomia / acoperirea și lățimea de bandă.

Majoritatea radiourilor de comunicații precum Zigbee, BLE, WiFi, printre altele, sunt de rază scurtă de acțiune, iar altele precum, 3G și LTE, sunt înfometați de energie, iar durata de acoperire a zonelor lor nu poate fi garantată în special în țările în curs de dezvoltare. În timp ce aceste protocoale și moduri de comunicare funcționează pentru anumite proiecte, aduce o limitare extinsă, cum ar fi; dificultăți în implementarea soluțiilor IoT în zone fără acoperire celulară (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) și reducere brută a duratei de viață a bateriei dispozitivelor. Astfel, având în vedere viitorul IoT și conectarea la tot felul de „lucruri”, amplasate în tot felul de locuri, a fost nevoie de un mediu de comunicare personalizat pentru IoT care să susțină cerințele sale de putere specifică, cu o rază de acțiune semnificativ lungă., ieftin, sigur și ușor de implementat. Aici intervine LoRa.

LoRa (care înseamnă Long Range) este o tehnologie brevetată de comunicații fără fir care combină consumul de energie ultra-redus cu un interval lung eficient. În timp ce raza de acțiune depinde în mare măsură de mediul înconjurător și de posibilele obstacole (LOS sau N-LOS), LoRa are de obicei un interval cuprins între 13 și 15 km, ceea ce înseamnă că o singură poartă LoRa poate oferi acoperire pentru un oraș întreg și cu câteva alte, un întreg țară. Tehnologia a fost dezvoltată de Cycleo în Franța și a ieșit în evidență atunci când compania a fost achiziționată de Semtech în 2012. Am folosit module LoRa cu Arduino și cu Raspberry Pi și au funcționat conform așteptărilor.

Caracteristicile LoRa

Un radio LoRa cuprinde câteva caracteristici care îl ajută să obțină o putere eficientă pe termen lung și un cost redus. Unele dintre aceste caracteristici includ;

1. Tehnica de modulare
2. Frecvență
3. Rate de date adaptive
4. Nivele de putere adaptive

Modulare

Radiourile Lora folosesc tehnica de modulare a spectrului răspândit pentru a atinge un domeniu de comunicare semnificativ ridicat, menținând în același timp caracteristici de putere reduse, care sunt similare cu radiourile bazate pe stratul fizic de modulare FSK. În timp ce modularea spectrului de ciripire răspândită a existat de ceva vreme cu aplicații în comunicațiile militare și spațiale, LoRa prezintă prima aplicație comercială ieftină a tehnicii de modulare.

Frecvență

În timp ce tehnologia LoRa este agnostică de frecvență, comunicarea între radiourile LoRa are loc prin utilizarea benzilor de frecvență radio sub-GHz fără licență disponibile în întreaga lume. Aceste frecvențe variază de la o regiune la alta și adesea diferă de la o țară la alta. De exemplu, 868 MHz este utilizat în mod obișnuit pentru comunicațiile LoRa în Europa, în timp ce 915 MHz este utilizat în America de Nord. Indiferent de frecvență, LoRa poate fi utilizat fără variații majore în tehnologie.

Benzi de frecvență pentru LoRa în diferite țări

Folosirea frecvențelor mai mici decât cele ale modulelor de comunicații, cum ar fi WiFi bazat pe benzile ISM de 2,4 sau 5,8 GHz, permit o zonă de acoperire mult mai mare, în special pentru situațiile NLOS.

Este important să rețineți că permisiunile sunt încă necesare în unele țări înainte ca benzile fără licență să poată fi utilizate.

Rata de date adaptivă

LoRa utilizează o combinație de lățime de bandă variabilă și factori de răspândire (SF7-SF12) pentru a adapta rata de date într-un compromis cu intervalul de transmisie. Un factor de răspândire mai mare permite un interval mai mare în detrimentul unei rate de date mai mici și invers. Combinația de lățime de bandă și factorul de răspândire poate fi aleasă în funcție de condițiile de legătură și de nivelul de date de transmis. Astfel, un factor de răspândire mai mare îmbunătățește performanța și sensibilitatea transmisiei pentru o lățime de bandă dată, dar crește și timpul de transmisie ca urmare a unor rate de date mai mici. Acestea pot varia de la 18bps până la 40Kbp

Nivel de putere adaptiv

Nivelul de putere utilizat de radiourile LoRa este adaptiv. Depinde de factori precum rata de date și condițiile de legătură, printre altele. Atunci când este necesară o transmisie rapidă, puterea transmisă este împinsă mai aproape de maxim și invers. Astfel, durata de viață a bateriei este maximizată și capacitatea rețelei menținută. Consumul de energie depinde, de asemenea, de clasa de dispozitive, printre alți factori.

LoRaWAN

LoRaWAN este un standard de mare capacitate, cu rază lungă de acțiune, deschisă, cu rețea largă cu energie redusă (LPWAN), proiectat pentru LoRa Powered IoT Solutions de către LoRa Alliance. Este un protocol bidirecțional care profită din plin de toate caracteristicile tehnologiei LoRa pentru a furniza servicii, inclusiv livrarea de mesaje de încredere, securitate cap la cap, locație și capabilități multicast. Standardul asigură interoperabilitatea diferitelor rețele LoRaWAN la nivel mondial.

De obicei, există o confuzie atunci când oamenii încearcă să definească LoRa și LoRaWAN, ceea ce este probabil cel mai bine rezolvat examinând modelul stivei de referință OSI.

Pur și simplu, pe baza modelului stivei OSI, LoRaWAN corespunde protocolului Media Access pentru rețeaua de comunicații, în timp ce LoRa corespunde stratului fizic. Astfel, LoRaWAN definește protocolul de comunicație și arhitectura sistemului pentru rețea, în timp ce arhitectura LoRa permite legătura de comunicație pe distanțe lungi. Cei doi au fuzionat împreună pentru a oferi funcționalitatea care determină durata de viață a bateriei unui nod, capacitatea rețelei, calitatea serviciului, securitatea și alte aplicații deservite de rețea. În timp ce LoRaWAN este cel mai popular strat MAC pentru LoRa există și alte straturi proprietare, care sunt, de asemenea, construite pe tehnologia LoRa. Un bun exemplu este Symphony link de la Link Labs, care este special dezvoltat pentru aplicații industriale.

Arhitectura rețelei LoRaWAN

Opus topologiei rețelei mesh adoptate de majoritatea rețelelor, LoRaWAN folosește arhitectura de rețea stea, astfel încât, mai degrabă decât să aibă fiecare dispozitiv final într-o stare aproape întotdeauna, repetând transmisia de la alte dispozitive pentru a crește autonomia, dispozitivele finale din rețeaua LoRaWAN comunică direct cu gateway-urile și sunt activate doar atunci când trebuie să comunice cu gateway-ul, deoarece intervalul nu este o problemă. Acesta este un factor care contribuie la caracteristicile de consum redus și durata de viață ridicată a bateriei obținute pe dispozitivele finale LoRa

Arhitectura rețelei LoRa cuprinde patru părți majore;

1. Terminați dispozitivele

2. Gateway-uri

3. Server de rețea

4. Server de aplicații

1. Terminați dispozitivele

Acestea sunt senzori sau actuatori la marginea rețelei. Dispozitivele finale servesc aplicații diferite și au cerințe diferite. Pentru a optimiza o varietate de profiluri de aplicații finale, LoRaWAN ™ utilizează trei clase diferite de dispozitive pentru care dispozitivele finale pot fi configurate. Clasele prezintă compromisuri între latența comunicării downlink și durata de viață a bateriei dispozitivului.

Cele trei clase majore sunt;

1. Dispozitive finale bidirecționale (clasa A)

2. Dispozitive finale bidirecționale cu sloturi de recepție programate (Clasa B)

3. Dispozitive finale bidirecționale cu sloturi de recepție maxime (clasa C)

eu. Dispozitive finale de clasă A

Acestea sunt dispozitive care necesită comunicare de legătură descendentă de la serviciu r imediat după un Uplink. De exemplu, acestea sunt dispozitive care trebuie să primească confirmarea de livrare a mesajelor de la server după un link în sus. Pentru această clasă de dispozitive, trebuie să aștepte până când un Uplink este trimis la server înainte de a putea primi orice legătură descendentă. Drept urmare, comunicarea este menținută la minimum și astfel au cea mai mică putere de funcționare și cea mai mare durată de viață a bateriei. Un bun exemplu de dispozitive de clasa A este un contor de energie inteligent bazat pe LoRa

ii. Dispozitive finale de clasă B.

Aceste dispozitive sunt alocate ferestre de legătură descendentă suplimentare la intervale programate, în plus față de legătura descendentă primită atunci când este trimisă o legătură ascendentă (Clasa A + o legătură descendentă suplimentară programată). Natura programată a acestei legături descendente asigură că funcționarea este încă cu putere redusă, deoarece comunicarea este activă doar la intervale programate, dar puterea suplimentară consumată în timpul legăturii descendente programate crește consumul de energie dincolo de cel al dispozitivelor de clasă A, ca atare, au o baterie mai mică viață comparativ cu dispozitivele finale de clasă A.

iii. Dispozitive finale de clasă C

Aceste clase de dispozitive nu au o limitare a legăturii descendente. Acestea sunt concepute pentru a fi aproape întotdeauna deschise la comunicațiile de pe server. Acestea consumă mai multă energie decât celelalte clase și au cea mai mică durată de viață a bateriei. Exemple bune de dispozitive din clasa C sunt dispozitivele finale utilizate în gestionarea flotei sau în monitorizarea reală a traficului.

2. Gateway-uri

Gateway-urile (denumite și concentratoare) sunt dispozitive conectate la serverul de rețea prin conexiuni IP standard care transmit mesaje între backend-ul central al serverului de rețea și dispozitivele finale utilizând protocolul de comunicație fără fir single-hop. Acestea sunt concepute pentru a sprijini comunicarea bidirecțională și sunt echipate cu multicast care permite software-ului să trimită mesaje de distribuție în masă, cum ar fi actualizări over-the-air.

În centrul fiecărui gateway LoRa se află un demodulator LoRa multi-canal capabil să decodeze toate variantele de modulație LoRa pe mai multe frecvențe în paralel.

Pentru un operator de rețea pe scară largă, factorii cheie distinctivi ar trebui să fie performanța radio (sensibilitate, putere de trimitere), conexiunea cipului SX1301 la MCU gateway (USB la SPI sau SPI la SPI) și suportul și distribuția PPS semnal a cărui disponibilitate permite sincronizarea precisă a timpului pe întreaga populație de gateway dintr-o rețea

LoRa răspândește comunicația între dispozitivele finale și gateway-uri pe mai multe canale de frecvență și rate de date. Tehnologia cu spectru răspândit folosește rate de date cuprinse între 0,3 kbps și 50 kbps pentru a împiedica comunicarea să interfereze între ele și creează un set de canale „virtuale” care măresc capacitatea gateway-ului.

Pentru a maximiza atât durata de viață a bateriei dispozitivelor finale, cât și capacitatea totală a rețelei, serverul de rețea LoRa gestionează rata de date și ieșirea RF pentru fiecare dispozitiv final în mod individual printr-o schemă de viteză de date adaptivă (ADR).

3. Server de rețea

Serverul de rețea Lora este interfața dintre serverul de aplicații și gateway-urile. Transmite comenzi de la serverul de aplicații la gateway în timp ce transferă date de la gateway la serverul de aplicații. Acesta îndeplinește funcții, inclusiv asigurarea faptului că nu există pachete duplicate, programarea confirmărilor și gestionarea individuală a ratei de date și a ieșirii RF pentru fiecare dispozitiv final utilizând o schemă de viteză de date adaptivă (ADR).

4. Server de aplicații

Serverul de aplicații determină pentru ce sunt utilizate datele de pe dispozitivele finale. Vizualizarea datelor etc. se face probabil aici.

Securitate și confidențialitate LoRaWAN

Importanța securității și a confidențialității în orice soluție IoT nu poate fi subliniată prea mult. Protocolul LoRaWAN specifică criptarea pentru a vă asigura că datele dvs. sunt sigure, concret

* Taste AES128 per dispozitiv

* Regenerare / revocare instantanee a cheilor dispozitivului

* Criptare încărcare utilă per pachet pentru confidențialitatea datelor

* Protecție împotriva atacurilor de reluare

* Protecție împotriva atacurilor om-în-mijloc

LoRa utilizează două taste; Cheile de sesiune de rețea și sesiune de aplicație, ambele furnizând comunicații divizate și criptate pentru gestionarea rețelei și comunicarea aplicației.

Cheia de sesiune de rețea, partajată între dispozitiv și rețea, este responsabilă pentru autentificarea datelor nodului final, în timp ce cheia de sesiune a aplicației, partajată între aplicație și nodul final este responsabilă pentru garantarea confidențialității datelor dispozitivului.

Caracteristici cheie ale LoRAWAN

*> Buget de legătură de 160 dB

* Putere TX +20 dBm

* IIP3 excepțional

* Îmbunătățirea selectivității de 10 dB față de FSK

* Tolerant la interferențele de explozie în canal

* Cel mai mic curent RX - 10mA

* Cel mai mic curent de somn

* Trezire ultrarapidă (dormiți până la RX / TX)

Avantajele LoRa

Mai jos sunt câteva dintre avantajele asociate LoRa;

1. Acoperire și acoperire lungă: cu o rază de acțiune LOS de până la 15 km, autonomia sa nu poate fi comparată cu cea a oricărui alt protocol de comunicare.

2. Putere redusă: LoRa oferă aparate de radio cu putere redusă, ceea ce le face ideale pentru dispozitivele care durează 10 ani sau