Úvod do lora a lorawan: co je lora a jak to funguje?

Komunikace je jednou z nejdůležitějších částí každého projektu IoT. Schopnost věci komunikovat s jinými „věcmi“ (cloud zařízení / server zařízení) je to, co dává „věci“ právo připojit „internet“ ke svému názvu. I když existuje spousta komunikačních protokolů, každému z nich chybí jedna nebo druhá věc, což je činí „ne zcela vhodnými“ pro aplikace IoT. Mezi hlavní problémy patří spotřeba energie, dosah / pokrytí a šířka pásma.

Většina komunikačních rádií, jako je Zigbee, BLE, WiFi, má mimo jiné krátký dosah a další, jako je 3G a LTE, trpí nedostatkem energie a rozsah jejich oblastí pokrytí nelze zaručit, zejména v rozvojových zemích. I když tyto protokoly a komunikační režimy fungují pro určité projekty, přináší rozsáhlé omezení jako; potíže s nasazováním řešení IoT v oblastech bez pokrytí celulárním (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) a hrubým snížením výdrže baterie zařízení. Předvídání budoucnosti IoT a propojení všech druhů „věcí“, umístěných na všech druzích míst, tedy vyžadovalo komunikační médium šité na míru IoT, které podporuje jeho požadavky na specificky nízkou spotřebu, výrazně dlouhý dosah, levné, bezpečné a snadno nasaditelné. To je místo, kde přichází LoRa.

LoRa (zkratka Long Range) je patentovaná bezdrátová komunikační technologie, která kombinuje ultra nízkou spotřebu energie s efektivním dlouhým dosahem. Zatímco dosah vysoce závisí na prostředí a možných překážkách (LOS nebo N-LOS), LoRa má obvykle dosah mezi 13 - 15 km, což znamená, že jediná brána LoRa může poskytovat pokrytí pro celé město as několika dalšími celými země. Tato technologie byla vyvinuta společností Cycleo ve Francii a dostala se do popředí, když ji společnost získala v roce 2012 Semtech. Použili jsme moduly LoRa s Arduino a Raspberry Pi a fungovaly podle očekávání.

Vlastnosti LoRa

Rádio LoRa se skládá z několika funkcí, které mu pomáhají dosáhnout efektivního výkonu na dlouhé vzdálenosti a nízkých nákladů. Některé z těchto funkcí zahrnují;

1. Modulační technika
2. Frekvence
3. Adaptivní datové rychlosti
4. Adaptivní úrovně výkonu

Modulace

Rádia Lora využívají techniku ​​modulace chirp rozptýleného spektra k dosažení výrazně vysokého komunikačního rozsahu při zachování nízkoenergetických charakteristik, které jsou podobné rádiím založeným na fyzické vrstvě modulace FSK. Zatímco chirp modulace spektra spektra je již nějakou dobu v aplikacích ve vojenské a vesmírné komunikaci, LoRa představuje první nízkonákladovou komerční aplikaci modulační techniky.

Frekvence

Zatímco technologie LoRa je frekvenčně agnostická, ke komunikaci mezi rádii LoRa dochází pomocí nelicencovaných sub-GHz vysokofrekvenčních pásem, která jsou k dispozici po celém světě. Tyto frekvence se liší region od regionu a často se také liší mezi zeměmi. Například 868MHz se běžně používá pro komunikaci LoRa v Evropě, zatímco 915MHz se používá v Severní Americe. Bez ohledu na frekvenci lze LoRa použít bez větších variací v technologii.

Frekvenční pásma pro LoRa v různých zemích

Použití nižších frekvencí než u komunikačních modulů, jako je WiFi, založené na pásmech 2,4 nebo 5,8 GHz ISM, umožňuje mnohem větší oblast pokrytí, zejména pro situace NLOS.

Je důležité si uvědomit, že v některých zemích jsou před použitím nelicencovaných pásem stále vyžadována oprávnění.

Adaptivní rychlost dat

LoRa používá kombinaci proměnné šířky pásma a faktorů šíření (SF7-SF12) k přizpůsobení datové rychlosti v kompromisu s rozsahem přenosu. Vyšší faktor šíření umožňuje delší dosah na úkor nižší rychlosti přenosu dat a naopak. Kombinace šířky pásma a faktoru šíření lze zvolit podle podmínek spojení a úrovně přenášených dat. Vyšší faktor šíření tedy zlepšuje přenosový výkon a citlivost pro danou šířku pásma, ale také zvyšuje přenosový čas v důsledku nižších datových rychlostí. Ty se mohou lišit od pouhých 18 bps až po 40 kb / s

Adaptivní úroveň výkonu

Úroveň výkonu používaná rádii LoRa je adaptivní. Závisí to mimo jiné na faktorech, jako je rychlost přenosu dat a podmínky spojení. Je-li vyžadován rychlý přenos, přenášený výkon se posune blíže k maximu a naopak. Tím je maximalizována životnost baterie a zachována kapacita sítě. Spotřeba energie závisí také na třídě zařízení mezi několika dalšími faktory.

LoRaWAN

LoRaWAN je vysokokapacitní, Long Range, otevřený, Low Power Wide Area Network (LPWAN) standard určený pro Lora Běží na internetu věcí řešení ze strany Lora aliance. Jedná se o obousměrný protokol, který plně využívá všech funkcí technologie LoRa k poskytování služeb včetně spolehlivého doručování zpráv, zabezpečení typu end-to-end, umístění a vícesměrového vysílání. Standard zajišťuje interoperabilitu různých sítí LoRaWAN po celém světě.

Když se lidé pokusí definovat LoRa a LoRaWAN, obvykle dochází k záměně, což se pravděpodobně nejlépe vyřeší zkoumáním modelu referenčního zásobníku OSI.

Jednoduše řečeno, na základě modelu zásobníku OSI odpovídá LoRaWAN protokolu Media Access pro komunikační síť, zatímco LoRa odpovídá fyzické vrstvě. LoRaWAN tedy definuje komunikační protokol a architekturu systému pro síť, zatímco architektura LoRa umožňuje komunikační spojení na velké vzdálenosti. Dva z nich se spojili, aby poskytli funkčnost, která určuje životnost baterie uzlu, kapacitu sítě, kvalitu služby, zabezpečení a další aplikace obsluhované sítí. Zatímco LoRaWAN je nejoblíbenější MAC vrstva pro LoRa, existují i ​​jiné proprietární vrstvy, které jsou také postaveny na technologii LoRa. Dobrým příkladem je odkaz Symphony od společnosti Link Labs, který je speciálně vyvinut pro průmyslové aplikace.

Síťová architektura LoRaWAN

Na rozdíl od topologie síťové sítě přijaté většinou sítí používá LoRaWAN hvězdnou síťovou architekturu, takže místo toho, aby každé koncové zařízení bylo téměř vždy zapnuté, opakující se přenos z jiných zařízení ke zvýšení dosahu, koncová zařízení v síti LoRaWAN komunikovat přímo s bránami a jsou zapnuty, pouze když potřebují komunikovat s bránou, protože dosah není problém. To je faktor přispívající k nízkoenergetickým funkcím a vysoké výdrži baterie u koncových zařízení LoRa

Síťová architektura LoRa se skládá ze čtyř hlavních částí;

1. Koncová zařízení

2. Brány

3. Síťový server

4. Aplikační server

1. Koncová zařízení

Jedná se o senzory nebo akční členy na okraji sítě. Koncová zařízení slouží různým aplikacím a mají různé požadavky. Za účelem optimalizace různých profilů koncových aplikací využívá LoRaWAN ™ tři různé třídy zařízení, do kterých lze koncová zařízení konfigurovat. Třídy obsahují kompromisy mezi latencí komunikace downlink a výdrží baterie zařízení.

Tři hlavní třídy jsou;

1. Obousměrná koncová zařízení (třída A)

2. Obousměrná koncová zařízení s plánovanými přijímacími sloty (třída B)

3. Obousměrná koncová zařízení s maximálními sloty pro příjem (třída C)

i. Koncová zařízení třídy A

Jedná se o zařízení, která vyžadují pouze downlink komunikaci ze služby r bezprostředně po Uplink. Jedná se například o zařízení, která potřebují po odeslání přijmout potvrzení o doručení zprávy ze serveru. U této třídy zařízení musí před přijetím jakéhokoli downlinku počkat, až se na server odešle Uplink. Výsledkem je, že komunikace je udržována na minimu, a proto mají nejnižší spotřebu energie a nejvyšší životnost baterie. Dobrým příkladem zařízení třídy A je inteligentní měřič energie založený na LoRa

ii. Koncová zařízení třídy B

Těmto zařízením jsou přidělena další okna downlinku v plánovaných intervalech navíc k downlinku přijatému při odeslání uplinku (třída A + naplánovaný další downlink). Plánovaná povaha tohoto downlinku zajišťuje, že provoz je stále nízký výkon, protože komunikace je aktivní pouze v naplánovaných intervalech, ale extra energie spotřebovaná během plánovaného downlinku zvyšuje spotřebu energie nad rámec zařízení třídy A, protože mají nižší baterii životnost ve srovnání s koncovými zařízeními třídy A.

iii. Koncová zařízení třídy C

Tyto třídy zařízení nemají omezení na downlink. Jsou navrženy tak, aby byly téměř vždy otevřené komunikaci ze serveru. Spotřebovávají více energie než ostatní třídy a mají nejnižší životnost baterie. Dobrým příkladem zařízení třídy C jsou koncová zařízení používaná při správě vozového parku nebo monitorování reálného provozu.

2. Brány

Brány (označované také jako koncentrátory) jsou zařízení připojená k síťovému serveru prostřednictvím standardních připojení IP, která přenášejí zprávy mezi back-endem centrálního síťového serveru a koncovými zařízeními pomocí bezdrátového komunikačního protokolu s jedním skokem. Jsou navrženy tak, aby podporovaly obousměrnou komunikaci, a jsou vybaveny vícesměrovým vysíláním, které umožňuje softwaru odesílat zprávy o hromadné distribuci, jako jsou bezdrátové aktualizace.

Srdcem každé brány LoRa je vícekanálový demodulátor LoRa schopný dekódovat všechny varianty modulace LoRa na několika frekvencích paralelně.

Pro velkého provozovatele sítě by klíčovými rozlišovacími faktory měly být výkon rádia (citlivost, vysílací výkon), připojení čipu SX1301 k bráně MCU (USB na SPI nebo SPI na SPI) a podpora a distribuce PPS signál, jehož dostupnost umožňuje přesnou synchronizaci času přes celou populaci brány v síti

LoRa šíří komunikaci mezi koncovými zařízeními a branami přes více frekvenčních kanálů a rychlosti přenosu dat. Technologie rozprostřeného spektra využívá přenosové rychlosti v rozsahu od 0,3 kbps do 50 kbps, aby zabránila vzájemnému rušení komunikace a vytváří sadu „virtuálních“ kanálů, které zvyšují kapacitu brány.

Aby se maximalizovala jak výdrž baterie koncových zařízení, tak celková kapacita sítě, spravuje síťový server LoRa datovou rychlost a RF výstup pro každé koncové zařízení individuálně prostřednictvím schématu adaptivní datové rychlosti (ADR).

3. Síťový server

Síťový server Lora je rozhraní mezi aplikačním serverem a bránami. Přenáší příkazy z aplikačního serveru na bránu, zatímco přenáší data z bran na aplikační server. Provádí funkce včetně zajištění neexistence duplicitních paketů, plánování potvrzení a správy datové rychlosti a RF výstupu pro každé koncové zařízení individuálně pomocí schématu adaptivní datové rychlosti (ADR).

4. Aplikační server

Aplikační server určuje, k čemu se data z koncových zařízení používají. Zde se pravděpodobně provádí vizualizace dat atd.

LoRaWAN Zabezpečení a ochrana osobních údajů

Nelze přeceňovat význam bezpečnosti a soukromí v jakémkoli řešení IoT. Protokol LoRaWAN specifikuje šifrování, aby bylo zajištěno, že jsou vaše data bezpečná, konkrétně

* Klávesy AES128 na zařízení

* Okamžitá regenerace / odvolání klíčů zařízení

* Šifrování užitečného zatížení na balíček pro ochranu dat

* Ochrana proti opakovaným útokům

* Ochrana před útoky typu man-in-the-middle

LoRa používá dva klíče; Síťové relace a klíče aplikačních relací, které oba poskytují dělenou šifrovanou komunikaci pro správu sítě a komunikaci aplikací.

Klíč síťové relace sdílený mezi zařízením a sítí je odpovědný za ověřování dat koncového uzlu, zatímco klíč relace aplikace sdílený mezi aplikací a koncovým uzlem je odpovědný za zaručení ochrany dat zařízení.

Klíčové vlastnosti LoRAWANu

*> 160 dB link link

* +20 dBm TX výkon

* Výjimečný IIP3

* Zvýšení selektivity o 10 dB oproti FSK

* Toleruje rušení v kanálu roztržením

* Nejnižší RX proud - 10mA

* Nejnižší spánkový proud

* Ultrarychlé probuzení (režim spánku na RX / TX)

Výhody LoRa

Níže jsou uvedeny některé výhody spojené s LoRa;

1. Dlouhý dosah a pokrytí: S dosahem až 15 km LOS nelze jeho dosah srovnávat s dosahem žádného jiného komunikačního protokolu.

2. Nízká spotřeba : LoRa nabízí rádia s velmi nízkou spotřebou, díky čemuž jsou ideální pro zařízení, u nichž je vyžadována životnost 10 let nebo