Úvod do lora a lorawan: čo je lora a ako funguje?

Komunikácia je jednou z najdôležitejších častí každého projektu IoT. Schopnosť veci komunikovať s inými „vecami“ (cloud zariadenia / server zariadenia) je to, čo dáva „veci“ právo pripojiť k názvu „internet“. Aj keď existuje veľa komunikačných protokolov, každému z nich chýba jedna alebo druhá vec, čo ich robí „nie úplne vhodnými“ pre aplikácie internetu vecí. Hlavnými problémami sú spotreba energie, dosah / pokrytie a šírka pásma.

Väčšina komunikačných rádií, ako sú Zigbee, BLE, WiFi, má okrem iného dosah krátkeho dosahu a iné, napríklad 3G a LTE, trpia nedostatkom energie a nie je možné zaručiť ich pokrytie, najmä v rozvojových krajinách. Aj keď tieto protokoly a režimy komunikácie fungujú pre určité projekty, prináša rozsiahle obmedzenie ako; ťažkosti s nasadením riešení IoT v oblastiach bez pokrytia celulárnym (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) a hrubým znížením výdrže batérie zariadení. Takže z hľadiska budúcnosti IoT a spojenia všetkých druhov „vecí“, ktoré sa nachádzajú na všetkých druhoch miest, vznikla potreba komunikačného média šitého na mieru pre IoT, ktoré podporuje jeho požiadavky na špecificky nízky výkon a výrazne dlhý dosah, lacné, bezpečné a ľahko nasaditeľné. To je miesto, kde prichádza LoRa.

LoRa (čo je skratka pre Long Range) je patentovaná technológia bezdrôtovej komunikácie, ktorá kombinuje ultra nízku spotrebu energie s efektívnym veľkým dosahom. Zatiaľ čo dosah veľmi závisí od prostredia a možných prekážok (LOS alebo N-LOS), LoRa má typicky dosah medzi 13 - 15 km, čo znamená, že jediná brána LoRa môže poskytovať pokrytie pre celé mesto a s niekoľkými ďalšími, celým krajina. Táto technológia bola vyvinutá spoločnosťou Cycleo vo Francúzsku a dostala sa do popredia, keď ju spoločnosť získala v roku 2012 spoločnosťou Semtech. Použili sme moduly LoRa s Arduino a Raspberry Pi a fungovali podľa očakávaní.

Vlastnosti LoRa

Rádio LoRa sa skladá z niekoľkých funkcií, ktoré mu pomáhajú dosiahnuť efektívny výkon na diaľku a nízke náklady. Niektoré z týchto funkcií zahŕňajú;

1. Modulačná technika
2. Frekvencia
3. Adaptívne dátové rýchlosti
4. Adaptívne úrovne výkonu

Modulácia

Rádiá Lora používajú techniku ​​modulácie chirp rozptýleného spektra na dosiahnutie výrazne vysokého komunikačného rozsahu pri zachovaní charakteristík nízkeho výkonu, ktoré sú podobné rádiom založeným na fyzickej vrstve s moduláciou FSK. Zatiaľ čo chirp modulácia šíreného spektra existuje už nejaký čas s aplikáciami vo vojenskej a vesmírnej komunikácii, LoRa predstavuje prvé, lacné komerčné použitie modulačnej techniky.

Frekvencia

Zatiaľ čo technológia LoRa je frekvenčne agnostická, komunikácia medzi rádiom LoRa sa deje prostredníctvom využívania nelicencovaných vysokofrekvenčných pásiem pod GHz, ktoré sú dostupné po celom svete. Tieto frekvencie sa líšia od regiónu k regiónu a často sa líšia aj medzi krajinami. Napríklad 868MHz sa bežne používa na komunikáciu LoRa v Európe, zatiaľ čo 915MHz sa používa v Severnej Amerike. Bez ohľadu na frekvenciu je možné LoRa použiť bez akýchkoľvek významných variácií v technológii.

Frekvenčné pásma pre LoRa v rôznych krajinách

Použitie nižších frekvencií ako u komunikačných modulov, ako je WiFi, založené na pásmach 2,4 alebo 5,8 GHz ISM, umožňuje oveľa väčšiu oblasť pokrytia, najmä v situáciách NLOS.

Je dôležité si uvedomiť, že v niektorých krajinách sú pred použitím nelicencovaných pásiem stále potrebné povolenia.

Adaptívna rýchlosť dát

LoRa používa kombináciu variabilnej šírky pásma a faktorov šírenia (SF7-SF12) na prispôsobenie dátovej rýchlosti v kompromise s rozsahom prenosu. Vyšší faktor rozloženia umožňuje väčší dosah na úkor nižšej dátovej rýchlosti a naopak. Kombináciu šírky pásma a faktora šírenia je možné zvoliť podľa podmienok spojenia a úrovne prenášaných údajov. Vyšší faktor šírenia teda zlepšuje výkon a citlivosť prenosu pre danú šírku pásma, ale tiež zvyšuje čas prenosu v dôsledku nižších dátových rýchlostí. Môžu sa líšiť od 18 b / s do 40 kb / s

Adaptívna úroveň výkonu

Úroveň výkonu používaná rádiami LoRa je adaptívna. Závisí to okrem iného od faktorov, ako je dátový tok a podmienky spojenia. Ak je potrebný rýchly prenos, prenesený výkon sa posunie bližšie k maximu a naopak. Takto je maximalizovaná výdrž batérie a zachovaná kapacita siete. Spotreba energie závisí tiež od triedy zariadení a od niekoľkých ďalších faktorov.

LoRaWAN

LoRaWAN je vysokokapacitný, otvorený, nízkoenergetický štandard širokopásmovej siete (LPWAN) s veľkým dosahom, ktorý pre Alianciu LoRa navrhla pre riešenia IoT napájané na LoRa. Jedná sa o obojsmerný protokol, ktorý využíva všetky výhody technológie LoRa na poskytovanie služieb vrátane spoľahlivého doručovania správ, zabezpečenia typu end-to-end, lokalizácie a multicast. Tento štandard zaisťuje interoperabilitu rôznych sietí LoRaWAN po celom svete.

Keď sa ľudia pokúsia definovať LoRa a LoRaWAN, zvyčajne dôjde k zámene, ktorá sa pravdepodobne najlepšie vyrieši preskúmaním modelu referenčných zásobníkov OSI.

Zjednodušene povedané, na základe modelu OSI stack LoRaWAN zodpovedá protokolu Media Access pre komunikačnú sieť, zatiaľ čo LoRa zodpovedá fyzickej vrstve. LoRaWAN teda definuje komunikačný protokol a architektúru systému pre sieť, zatiaľ čo architektúra LoRa umožňuje diaľkové komunikačné spojenie. Dva z nich sa spojili, aby poskytli funkcionalitu, ktorá určuje životnosť batérie uzla, kapacitu siete, kvalitu služieb, zabezpečenie a ďalšie aplikácie obsluhované sieťou. Zatiaľ čo LoRaWAN je najobľúbenejšou vrstvou MAC pre LoRa, existujú aj ďalšie proprietárne vrstvy, ktoré sú tiež postavené na technológii LoRa. Dobrým príkladom je odkaz Symphony od spoločnosti Link Labs, ktorý je špeciálne vyvinutý pre priemyselné aplikácie.

Sieťová architektúra LoRaWAN

Na rozdiel od topológie sieťovej siete prijatej väčšinou sietí používa LoRaWAN hviezdnu sieťovú architektúru, takže namiesto toho, aby bolo každé koncové zariadenie takmer vždy zapnuté, opakujúce sa prenosy z iných zariadení na zvýšenie dosahu, koncové zariadenia v sieti LoRaWAN komunikujú priamo s bránami a sú zapnuté iba vtedy, keď potrebujú komunikovať s bránou, pretože dosah nie je problémom. Toto prispieva k nízkym výkonom a vysokej výdrži batérie, ktoré sa dosahujú v koncových zariadeniach LoRa

Sieťová architektúra LoRa sa skladá zo štyroch hlavných častí;

1. Koncové zariadenia

2. Brány

3. Sieťový server

4. Aplikačný server

1. Koncové zariadenia

Jedná sa o snímače alebo akčné členy na okraji siete. Koncové zariadenia slúžia rôznym aplikáciám a majú odlišné požiadavky. Za účelom optimalizácie rôznych profilov koncových aplikácií využíva LoRaWAN ™ tri rôzne triedy zariadení, do ktorých je možné konfigurovať koncové zariadenia. Triedy obsahujú kompromisy medzi latenciou komunikácie smerom nadol a výdržou batérie zariadenia.

Tri hlavné triedy sú;

1. Obousmerné koncové zariadenia (trieda A)

2. Obojsmerné koncové zariadenia s plánovanými prijímacími slotmi (trieda B)

3. Obojsmerné koncové zariadenia s maximálnymi prijímacími slotmi (trieda C)

i. Koncové zariadenia triedy A

Jedná sa o zariadenia, ktoré vyžadujú iba downlink komunikáciu zo služby r bezprostredne po Uplink. Napríklad ide o zariadenia, ktoré po odchode musia dostať zo servera potvrdenie o doručení správy. Pre túto triedu zariadení musia počkať, kým sa na server neodošle Uplink, kým bude možné prijať akýkoľvek downlink. Vďaka tomu je komunikácia udržiavaná na minime a majú tak prevádzku s najnižším výkonom a najvyššou výdržou batérie. Dobrým príkladom zariadení triedy A je inteligentný merač energie LoRa

ii. Koncové zariadenia triedy B

Týmto zariadeniam sú v plánovaných intervaloch pridelené ďalšie okná zostupného smerovania, navyše k zostupnému smerovaniu prijatému pri odoslaní uplinku (trieda A + plánovaný zvláštny zostupný smer). Plánovaná povaha tohto downlinku zaisťuje, že prevádzka má stále nízku spotrebu energie, pretože komunikácia je aktívna iba v naplánovaných intervaloch, ale extra výkon spotrebovaný počas plánovaného downlinku zvyšuje spotrebu energie nad spotrebu zariadení triedy A, pretože majú nižšiu batériu životnosť v porovnaní s koncovými zariadeniami triedy A.

iii. Koncové zariadenia triedy C

Táto trieda zariadení nemá obmedzenia na downlink. Sú navrhnuté tak, aby boli takmer vždy otvorené komunikácii zo servera. Spotrebujú viac energie ako ostatné triedy a majú najnižšiu výdrž batérie. Dobrým príkladom zariadení triedy C sú koncové zariadenia používané pri správe vozového parku alebo monitorovaní skutočnej premávky.

2. Brány

Brány (tiež označované ako koncentrátory) sú zariadenia pripojené k sieťovému serveru prostredníctvom štandardných pripojení IP, ktoré prenášajú správy medzi serverom centrálnej siete a koncovými zariadeniami pomocou bezdrôtového komunikačného protokolu s jedným skokom. Sú navrhnuté tak, aby podporovali obojsmernú komunikáciu, a sú vybavené multicastom, ktorý umožňuje softvéru odosielať správy o hromadnej distribúcii, ako sú bezdrôtové aktualizácie.

Srdcom každej brány LoRa je viackanálový demodulátor LoRa schopný dekódovať všetky varianty modulácie LoRa na niekoľkých frekvenciách paralelne.

Pre veľkého operátora siete by kľúčovými rozlišujúcimi faktormi mali byť výkon rádia (citlivosť, vysielacia sila), pripojenie čipu SX1301 k bráne MCU (USB na SPI alebo SPI na SPI) a podpora a distribúcia PPS signál, ktorého dostupnosť umožňuje presnú synchronizáciu času v celej populácii brán v sieti

LoRa šíri komunikáciu medzi koncovými zariadeniami a bránami cez viacero frekvenčných kanálov a dátové rýchlosti. Technológia rozprestretého spektra využíva dátové rýchlosti v rozmedzí od 0,3 kbps do 50 kbps, aby zabránila vzájomnej interferencii komunikácií, a vytvára skupinu „virtuálnych“ kanálov, ktoré zvyšujú kapacitu brány.

Aby sa maximalizovala výdrž batérie koncových zariadení a celková kapacita siete, sieťový server LoRa spravuje dátovú rýchlosť a RF výstup pre každé koncové zariadenie individuálne prostredníctvom schémy adaptívnej dátovej rýchlosti (ADR).

3. Sieťový server

Sieťový server Lora je rozhranie medzi aplikačným serverom a bránami. Prenáša príkazy z aplikačného servera na bránu, zatiaľ čo prenáša údaje z brán na aplikačný server. Vykonáva funkcie vrátane zaistenia neexistencie duplicitných paketov, plánovania potvrdenia a správy dátovej rýchlosti a RF výstupu pre každé koncové zariadenie individuálne pomocou schémy adaptívnej dátovej rýchlosti (ADR).

4. Aplikačný server

Aplikačný server určuje, na čo sa používajú dáta z koncových zariadení. Tu sa pravdepodobne vykonáva vizualizácia údajov atď.

LoRaWAN bezpečnosť a ochrana osobných údajov

Dôležitosť bezpečnosti a súkromia v žiadnom riešení internetu vecí nemožno príliš zdôrazňovať. Protokol LoRaWAN špecifikuje šifrovanie, aby sa zaručilo, že vaše dáta sú konkrétne zabezpečené

* Kľúče AES128 na zariadenie

* Okamžitá regenerácia / zrušenie kľúčov zariadenia

* Šifrovanie užitočného zaťaženia na paket pre ochranu osobných údajov

* Ochrana proti opakovaným útokom

* Ochrana pred útokmi typu man-in-the-middle

LoRa používa dva kľúče; Kľúče relácie siete a aplikácie slúžia na rozdelenú šifrovanú komunikáciu pre správu siete a komunikáciu aplikácií.

Kľúč sieťovej relácie zdieľaný medzi zariadením a sieťou je zodpovedný za autentifikáciu údajov koncového uzla, zatiaľ čo kľúč relácie aplikácie zdieľaný medzi aplikáciou a koncovým uzlom je zodpovedný za zaručenie súkromia údajov zariadenia.

Kľúčové vlastnosti LoRAWANu

*> Rozpočet odkazu 160 dB

* Napájanie +20 dBm TX

* Výnimočné IIP3

* Zlepšenie selektivity o 10 dB oproti FSK

* Tolerantné voči rušeniu v rámci kanálu

* Najnižší prúd RX - 10 mA

* Najnižší spánkový prúd

* Ultrarýchle prebudenie (spánok pri RX / TX)

Výhody LoRa

Ďalej uvádzame niektoré z výhod spojených s LoRa;

1. Dlhý dosah a pokrytie: S dosahom až 15 km LOS sa jeho dosah nedá porovnať s akýmkoľvek iným komunikačným protokolom.

2. Nízka spotreba: LoRa ponúka rádiá s veľmi nízkou spotrebou, vďaka čomu sú ideálne pre zariadenia, ktorých životnosť je 10 alebo viac rokov