Bevezetés a lora és a lorawan-ba: mi a lora és hogyan működik?

A kommunikáció az IoT projektek egyik legfontosabb része. Az, hogy egy dolog képes kommunikálni más „dolgokkal” (eszközfelhő / szerver), megadja a „dolognak” a jogot, hogy az „internetet” csatolja a nevéhez. Bár rengeteg kommunikációs protokoll létezik, mindegyikből hiányzik egy vagy másik dolog, ami miatt „nem teljesen alkalmasak” az IoT-alkalmazásokra. A fő problémák az energiafogyasztás, a hatótávolság / lefedettség és a sávszélesség.

A legtöbb kommunikációs rádió, mint például a Zigbee, a BLE, a WiFi, rövid hatótávolságú, mások, mint a 3G és az LTE, éhesek, és lefedettségük kiterjedése nem garantálható, különösen a fejlődő országokban. Míg ezek a protokollok és kommunikációs módok bizonyos projekteknél működnek, kiterjedt korlátozásokat hoznak, mint például; nehézségek az IoT-megoldások mobil (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) lefedettség nélküli területein történő bevezetésével és az eszközök akkumulátor-élettartamának jelentős csökkenésével. Így elképzelve az IoT jövőjét és mindenféle „mindenféle” dolog összekapcsolását, minden helyen megtalálható, szükség volt az IoT-re szabott kommunikációs közegre, amely támogatja az alacsony fogyasztású, jelentősen nagy hatótávolságú követelményeket, olcsó, biztonságos és könnyen telepíthető. Itt jön be LoRa.

A LoRa (ami a nagy hatótávolságot jelenti) egy szabadalmaztatott vezeték nélküli kommunikációs technológia, amely egyesíti az ultra-alacsony energiafogyasztást a hatékony nagy hatótávolsággal. Míg tartomány nagymértékben függ a környezettől és a lehetséges akadályok (LOS vagy N-LOS), Lora tipikusan közötti tartományban 13- 15Km, ami azt jelenti, egyetlen Lora átjáró nyújthat fedezetet egy egész várost, és egy pár, egy egész ország. A technológiát a francia Cycleo fejlesztette ki, és akkor került előtérbe, amikor a vállalatot a Semtech felvásárolta 2012-ben. LoRa modulokat használtunk az Arduinóval és a Raspberry Pi-vel, és a várakozásoknak megfelelően működtek.

A LoRa jellemzői

A LoRa rádió néhány olyan funkcióból áll, amelyek elősegítik a hosszú távú hatékony teljesítmény és az alacsony költség elérését. Ezen funkciók egy része a következőket tartalmazza:

1. Modulációs technika
2. Frekvencia
3. Adaptív adatárak
4. Adaptív teljesítményszintek

Moduláció

A Lora rádiók a chirp elterjedt spektrum modulációs technikát alkalmazzák, hogy jelentősen magas kommunikációs tartományt érjenek el, miközben fenntartják az FSK modulációs fizikai réteg alapú rádiókhoz hasonló alacsony teljesítményjellemzőket. Míg a chirp elterjedt spektrum moduláció egy ideje létezik katonai és űrkommunikációs alkalmazásokkal, a LoRa bemutatja a modulációs technika első, olcsó kereskedelmi alkalmazását.

Frekvencia

Míg a LoRa technológia frekvencia-agnosztikus, a LoRa rádiók közötti kommunikáció a világon elérhető, engedély nélküli al-GHz-es rádiófrekvenciasávok használatával történik. Ezek a gyakoriságok régiónként változnak, és gyakran országonként is eltérnek. Például a 868 MHz-et általában használják a LoRa kommunikációhoz Európában, míg a 915 MHz-et Észak-Amerikában. A LoRa a frekvenciától függetlenül a technológia jelentős változása nélkül alkalmazható.

A LoRa frekvenciasávjai a különböző országokban

Az alacsonyabb frekvenciák használata, mint a kommunikációs moduloké, mint például a WiFi a 2,4 vagy 5,8 GHz-es ISM sávokon alapul, sokkal nagyobb lefedettségi területet tesz lehetővé, különösen NLOS-helyzetekben.

Fontos megjegyezni, hogy egyes országokban még engedélyekre van szükség, mielőtt az engedély nélküli sávokat felhasználhatják.

Adaptív adatsebesség

A LoRa változó sávszélesség és szórási tényezők (SF7-SF12) kombinációját alkalmazza az adatsebesség kompromisszumban történő beállításához az átviteli tartományhoz. A magasabb szórási tényező hosszabb hatótávolságot tesz lehetővé az alacsonyabb adatsebesség rovására, és fordítva. A sávszélesség és a szórási tényező kombinációja választható a kapcsolati viszonyok és a továbbítandó adatok szintje szerint. Így a nagyobb szórási tényező javítja az átviteli teljesítményt és az érzékenységet egy adott sávszélességnél, de az alacsonyabb adatsebesség eredményeként megnöveli az átviteli időt is. Ezek akár 18 bps-től 40 kbit-ig terjedhetnek

Adaptív teljesítményszint

A LoRa rádiók által használt teljesítményszint adaptív. Ez olyan tényezőktől függ, mint az adatátviteli sebesség és a kapcsolat feltételei. Ha gyors átvitelre van szükség, akkor az átvitt teljesítmény közelebb kerül a maximumhoz és fordítva. Így az akkumulátor élettartama maximalizálódik és a hálózati kapacitás megmarad. Az energiafogyasztás számos egyéb tényező mellett az eszközök osztályától is függ.

LoRaWAN

A LoRaWAN egy nagy kapacitású, nagy hatótávolságú, nyitott, alacsony fogyasztású, nagy kiterjedésű hálózati (LPWAN) szabvány, amelyet a LoRa Szövetség LoRa által működtetett IoT megoldásokhoz tervezett. Ez egy kétirányú protokoll, amely teljes mértékben kihasználja a LoRa technológia összes szolgáltatását, hogy szolgáltatásokat nyújtson, ideértve a megbízható üzenetküldést, a végpontok közötti biztonságot, a helymeghatározást és a multicast képességeket. A szabvány világszerte biztosítja a különböző LoRaWAN hálózatok interoperabilitását.

Általában keveredés történik, amikor az emberek megpróbálják meghatározni a LoRa-t és a LoRaWAN-t, ami valószínűleg az OSI referencia verem modelljének vizsgálatával oldható meg legjobban.

Egyszerűen fogalmazva, az OSI verem modell alapján a LoRaWAN megfelel a kommunikációs hálózat Media Access protokolljának, míg a LoRa a fizikai rétegnek. Így a LoRaWAN meghatározza a hálózat kommunikációs protokollját és rendszerarchitektúráját, míg a LoRa architektúra lehetővé teszi a nagy hatótávolságú kommunikációs kapcsolatot. Kettőjük összeolvadva biztosította a csomópont akkumulátorának élettartamát, a hálózati kapacitást, a szolgáltatás minőségét, a biztonságot és a hálózat által kiszolgált egyéb alkalmazásokat meghatározó funkcionalitást. Míg a LoRaWAN a LoRa legnépszerűbb MAC rétege, léteznek más, a LoRa technológiára épülő saját rétegek is. Jó példa erre a Link Labs Symphony linkje, amelyet kifejezetten ipari alkalmazásokhoz fejlesztettek ki.

A LoRaWAN hálózati architektúra

A legtöbb hálózat által elfoglalt hálós topológiával szemben a LoRaWAN a csillag hálózati architektúrát használja, így ahelyett, hogy mindegyik végberendezés szinte mindig állapotban lenne, megismételve a más eszközökről történő továbbítást a hatótávolság növelése érdekében, a LoRaWAN hálózat végberendezései közvetlenül kommunikálnak az átjárókkal, és csak akkor vannak bekapcsolva, amikor kommunikálniuk kell az átjáróval, mivel a hatótávolság nem jelent problémát. Ez hozzájárul a LoRa végberendezések alacsony energiaigényű funkcióinak és magas akkumulátor-élettartamához

A LoRa hálózati architektúra négy fő részből áll;

1. Készülékek befejezése

2. Átjárók

3. Hálózati szerver

4. Alkalmazáskiszolgáló

1. Készülékek befejezése

Ezek érzékelők vagy működtetők a hálózat szélén. A végberendezések különböző alkalmazásokat szolgálnak fel, és eltérő követelményekkel rendelkeznek. A különböző végfelhasználói profilok optimalizálása érdekében a LoRaWAN ™ három különböző eszközosztályt alkalmaz, amelyekhez a végeszközök konfigurálhatók. Az osztályok kompromisszumokat tartalmaznak a downlink kommunikáció késleltetése és a készülék akkumulátorának élettartama között.

A három fő osztály;

1. Kétirányú végberendezések (A. osztály)

2. Kétirányú végberendezések ütemezett vételi résszel (B osztály)

3. Kétirányú végkészülékek maximális vételi résszel (C osztály)

én. A osztályú végberendezések

Olyan eszközökről van szó, amelyek csak egy Uplink után közvetlenül igényelnek downlink kommunikációt az r szerverről. Például olyan eszközökről van szó, amelyeknek egy felfelé irányuló kapcsolat után meg kell kapniuk az üzenet kézbesítésének megerősítését a szervertől. Ennél az eszközosztálynál meg kell várniuk egy Uplink elküldését a szerverre, mielőtt bármilyen lefelé mutató linket megkapnának. Ennek eredményeként a kommunikáció a lehető legkisebb szinten marad, így a legkevesebb energiafogyasztással és a legnagyobb akkumulátor-élettartammal rendelkeznek. Az A osztályú készülékekre jó példa a LoRa alapú intelligens energiamérő

ii. B osztályú végberendezések

Ezeknek az eszközöknek ütemezett időközönként extra lefelé irányuló ablakokat osztanak ki a felfelé irányuló link küldésekor kapott downlink mellett (A osztály + ütemezett extra downlink). Ennek a lefelé irányuló kapcsolatnak az ütemezett jellege biztosítja, hogy a művelet továbbra is alacsony energiafogyasztású legyen, mivel a kommunikáció csak ütemezett időközönként aktív, de az ütemezett lefelé irányuló összeköttetés során elfogyasztott plusz energia meghaladja az A osztályú eszközök energiafogyasztását, mint ilyenek, alacsonyabb akkumulátorral rendelkeznek életet az A osztályú végberendezésekhez képest.

iii. C osztályú végberendezések

Ezeknek az eszközöknek az osztálya nem korlátozza a lefelé irányuló kapcsolatot. Úgy tervezték, hogy szinte mindig nyitottak legyenek a szerver kommunikációjára. Több energiát fogyasztanak, mint a többi osztály, és az akkumulátoruk élettartama a legalacsonyabb. Jó példa a C osztályú eszközökre a flottakezelésben vagy a valós forgalomfigyelésben használt végberendezések.

2. Átjárók

Az átjárók (más néven koncentrátorok) olyan eszközök, amelyek szabványos IP kapcsolatokon keresztül csatlakoznak a hálózati szerverhez, és amelyek továbbítják az üzeneteket a központi hálózati szerver háttérszolgáltatója és a végberendezések között, egy ugrás nélküli vezeték nélküli kommunikációs protokoll használatával. Úgy tervezték, hogy támogassák a kétirányú kommunikációt, és multicast-nal vannak felszerelve, amely lehetővé teszi a szoftver számára, hogy tömeges terjesztési üzeneteket küldjön, mint például éteren keresztüli frissítéseket.

Minden LoRa átjáró középpontjában egy többcsatornás LoRa demodulátor áll, amely párhuzamosan képes dekódolni az összes LoRa modulációs variánst több frekvencián.

Nagyüzemi hálózatüzemeltetőnél a legfontosabb megkülönböztető tényezőknek a rádióteljesítménynek (érzékenység, küldési teljesítmény), az SX1301 chipnek az átjáró MCU-hoz való csatlakozásához (USB-hoz SPI-hez vagy SPI-től SPI-hez), valamint a PPS támogatásához és terjesztéséhez kell irányulnia. jel, amelynek elérhetősége lehetővé teszi a pontos időszinkronizálást a hálózat teljes átjáró populációján

A LoRa több frekvenciacsatornán és adatsebességen terjeszti a kommunikációt a végberendezések és az átjárók között. Az elterjedt spektrumú technológia 0,3 kbps és 50 kbps közötti adatátviteli sebességet használ, hogy megakadályozza a kommunikáció interferenciáját egymással, és létrehoz egy "virtuális" csatornákat, amelyek növelik az átjáró kapacitását.

A végkészülékek akkumulátor-élettartamának és a teljes hálózati kapacitás maximalizálása érdekében a LoRa hálózati szerver adaptív adatátviteli (ADR) sémánként kezeli az egyes végeszközök adatsebességét és RF kimenetét.

3. Hálózati szerver

A Lora hálózati kiszolgáló az alkalmazáskiszolgáló és az átjárók közötti interfész. Parancsokat továbbít az alkalmazáskiszolgálóról az átjáróra, miközben adatokat továbbít az átjárókról az alkalmazáskiszolgálóra. Olyan funkciókat lát el, amelyek biztosítják a duplikált csomagok hiányát, a nyugtázások ütemezését, valamint az adatátviteli sebesség és az RF kimenet kezelését minden végberendezéshez külön-külön adaptív adatsebesség (ADR) séma segítségével.

4. Alkalmazáskiszolgáló

Az alkalmazásszerver meghatározza, hogy mire használják a végberendezések adatait. Az adatok vizualizálása stb. Valószínűleg itt történik.

LoRaWAN Biztonság és adatvédelem

A biztonság és a magánélet fontosságát az IoT egyik megoldásában sem lehet túl hangsúlyozni. A LoRaWAN protokoll titkosítást határoz meg annak biztosítása érdekében, hogy az adatok biztonságosak és konkrétak legyenek

* Eszközönként AES128 kulcsok

* Az eszközkulcsok azonnali regenerálása / visszavonása

* Csomagonkénti hasznos titkosítás az adatvédelem érdekében

* Védelem a visszajátszási támadások ellen

* Védelem a közepén lévő támadások ellen

A LoRa két kulcsot használ; A Hálózati munkamenet és az Alkalmazás munkamenet kulcsok mindkettő osztott, titkosított kommunikációt biztosít a hálózatkezeléshez és az alkalmazáskommunikációhoz.

Az eszköz és a hálózat között megosztott hálózati munkamenet-kulcs felelős a végső csomópont-adatok hitelesítéséért, míg az alkalmazás és a vég-csomópont között megosztott alkalmazás-munkamenet-kulcs az eszköz adatainak magánéletének garantálásáért.

A LoRAWAN főbb jellemzői

*> 160 dB link költségkeret

* +20 dBm TX teljesítmény

* Kivételes IIP3

* 10dB szelektivitás javulás az FSK-hoz képest

* Toleráns a csatornán belüli burst interferenciával szemben

* A legalacsonyabb RX áram - 10mA

* A legalacsonyabb alvási áram

* Rendkívül gyors ébresztés (alvás RX / TX módra)

A LoRa előnyei

Az alábbiakban bemutatjuk a LoRa-hoz kapcsolódó előnyöket;

1. Nagy hatótávolság és lefedettség: Akár 15 km-es LOS hatótávolsággal sem lehet összehasonlítani más kommunikációs protokollok hatósugarával.

2. Alacsony fogyasztású: A LoRa hiper alacsony fogyasztású rádiókat kínál, amelyek ideálisak azokhoz az eszközökhöz, amelyek szükségesek legalább 10 évig