Johdatus loraan ja lorawaniin: mikä on lora ja miten se toimii?

Viestintä on yksi IoT-projektien tärkeimmistä osista. Asioiden kyky kommunikoida muiden "esineiden" (laitepilven / palvelimen) kanssa antaa "esineelle" oikeuden liittää "Internet" sen nimeen. Vaikka on olemassa tonnia tiedonsiirtoprotokollia, kullakin niistä puuttuu yksi tai toinen asia, joka teki niistä "ei täysin sopivia" IoT-sovelluksiin. Suurimmat ongelmat ovat virrankulutus, kantama / peitto ja kaistanleveys.

Useimmat tietoliikenneradiot, kuten Zigbee, BLE, WiFi, ovat muun muassa lyhyen kantaman ja toiset, kuten 3G ja LTE, nälkäisiä, eikä niiden peittoalueiden laajuutta voida taata etenkään kehitysmaissa. Vaikka nämä protokollat ​​ja viestintätilat toimivat tietyissä projekteissa, se tuo laajan rajoituksen, kuten; IoT-ratkaisujen käyttöönoton vaikeudet alueilla, joilla ei ole matkapuhelinverkkoa (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G), ja laitteiden akun käyttöiän lyhentäminen. Kun siis otettiin huomioon esineiden internetin tulevaisuus ja kaikenlaisten ”kaikenlaisten” paikkojen yhdistäminen, tarvittiin IoT: lle räätälöity tietoliikenneväline, joka tukee erityisesti pienitehoisten, huomattavan pitkän kantaman vaatimuksia., halpa, turvallinen ja helppo ottaa käyttöön. Täällä LoRa tulee sisään.

LoRa (lyhenne sanoista Long Range) on patentoitu langaton viestintätekniikka, joka yhdistää erittäin pienen virrankulutuksen tehokkaaseen pitkään. Vaikka kantama riippuu suuresti ympäristöstä ja mahdollisista esteistä (LOS tai N-LOS), LoRa- alueen kantama on tyypillisesti 13-15 km, mikä tarkoittaa, että yksi LoRa-yhdyskäytävä voi tarjota kattavuuden koko kaupunkiin ja pari enemmän, koko maa. Teknologian kehitti ranskalainen Cycleo, ja se tuli esiin, kun Semtech osti yrityksen vuonna 2012. Käytimme LoRa-moduuleja Arduinon ja Raspberry Pi: n kanssa ja ne toimivat odotetusti.

LoRan ominaisuudet

LoRa-radio koostuu muutamista ominaisuuksista, jotka auttavat saavuttamaan pitkän kantaman tehokkaan tehon ja edulliset kustannukset. Jotkut näistä ominaisuuksista sisältävät;

1. Modulaatiotekniikka
2. Taajuus
3. Mukautuvat datanopeudet
4. Mukautuvat tehotasot

Modulaatio

Lora-radiot käyttävät chirp-hajaspektrimodulaatiotekniikkaa saavuttaakseen merkittävän korkean tietoliikennealueen säilyttäen samalla pienitehoiset ominaisuudet, jotka ovat samanlaisia ​​kuin FSK-modulaation fyysisen kerroksen radiot. Vaikka chirp-hajaspektrimodulaatio on ollut jonkin aikaa käytössä sotilaallisessa ja avaruusviestinnässä, LoRa esittelee ensimmäisen, edullisen, kaupallisen modulaatiotekniikan sovelluksen.

Taajuus

Vaikka LoRa-tekniikka on taajuusagnostinen, LoRa-radioiden välinen tiedonsiirto tapahtuu ympäri maailmaa saatavilla olevien lisensoimattomien GHz: n alapuolisten radiotaajuuskaistojen avulla. Nämä taajuudet vaihtelevat alueittain ja vaihtelevat usein myös maittain. Esimerkiksi 868 MHz käytetään yleisesti LoRa-viestintään Euroopassa, kun taas 915 MHz käytetään Pohjois-Amerikassa. Taajuudesta riippumatta LoRa: ta voidaan käyttää ilman merkittäviä vaihteluja tekniikassa.

LoRa-taajuuskaistat eri maissa

Alempien taajuuksien käyttäminen kuin tiedonsiirtomoduulien, kuten WiFi, perustuu 2,4 tai 5,8 GHz: n ISM-kaistoihin, mahdollistaa paljon suuremman peittoalueen erityisesti NLOS-tilanteissa.

On tärkeää huomata, että joissakin maissa tarvitaan edelleen lupia, ennen kuin lisensoimattomia kaistoja voidaan käyttää.

Mukautuva tiedonsiirtonopeus

LoRa käyttää vaihtelevan kaistanleveyden ja levitystekijöiden (SF7-SF12) yhdistelmää mukauttamaan tiedonsiirtonopeutta kompromississa lähetyksen alueen kanssa. Suurempi levityskerroin sallii pidemmän kantaman pienemmän tiedonsiirtonopeuden kustannuksella ja päinvastoin. Kaistanleveyden ja levityskertoimen yhdistelmä voidaan valita linkkiolosuhteiden ja lähetettävän datan tason mukaan. Siten suurempi hajotuskerroin parantaa lähetystehoa ja herkkyyttä tietyllä kaistanleveydellä, mutta se myös lisää lähetysaikaa pienempien tiedonsiirtonopeuksien seurauksena. Ne voivat vaihdella vain 18 bps: stä 40 kbps: iin

Mukautuva tehotaso

LoRa-radioiden käyttämä tehotaso on mukautuva. Se riippuu muun muassa tiedonsiirtonopeudesta ja yhteysolosuhteista. Kun tarvitaan nopea lähetys, lähetetty teho työnnetään lähemmäksi maksimia ja päinvastoin. Siten akun käyttöikä maksimoidaan ja verkkokapasiteetti ylläpidetään. Virrankulutus riippuu useiden muiden tekijöiden joukosta myös laiteluokasta.

LoRaWAN

LoRaWAN on suuri kapasiteetti, pitkän kantaman, avoin, Low Power Wide Area Network (LPWAN) -standardin suunniteltu Lora Powered esineiden internetin Solutions jonka Lora Alliance. Se on kaksisuuntainen protokolla, joka hyödyntää kaikkia LoRa-tekniikan ominaisuuksia hyödyntäen palveluja, mukaan lukien luotettava viestien jakelu, tietoturva, sijainti ja monilähetysominaisuudet. Standardi varmistaa eri LoRaWAN-verkkojen yhteentoimivuuden maailmanlaajuisesti.

Yleensä sekoitus tapahtuu, kun ihmiset yrittävät määritellä LoRa ja LoRaWAN, mikä on todennäköisesti paras ratkaisu tutkimalla OSI-vertailupinomallia.

Yksinkertaisesti sanottuna, OSI- pinomallin perusteella LoRaWAN vastaa viestintäverkon Media Access -protokollaa, kun taas LoRa vastaa fyysistä kerrosta. LoRaWAN määrittelee verkon tietoliikenneprotokollan ja järjestelmäarkkitehtuurin, kun taas LoRaWAN-arkkitehtuuri mahdollistaa pitkän kantaman tiedonsiirtoyhteyden. He kaksi sulautuivat yhteen tarjotakseen toiminnot, jotka määrittelevät solmun akun keston, verkkokapasiteetin, palvelun laadun, suojauksen ja muut verkon palvelemat sovellukset. Vaikka LoRaWAN on suosituin MAC-kerros LoRalle, on olemassa myös muita omistettuja kerroksia, jotka on rakennettu myös LoRa-tekniikkaan. Hyvä esimerkki on Link Labsin Symphony-linkki, joka on kehitetty erityisesti teollisiin sovelluksiin.

LoRaWAN-verkkoarkkitehtuuri

LoRaWAN käyttää useimpien verkkojen verkkoverkkotopologiaa vastaan ​​tähtiverkkoarkkitehtuuria, joten sen sijaan, että jokainen päätelaite olisi melkein aina päällä, toistamalla lähetystä muilta laitteilta kantaman lisäämiseksi, LoRaWAN-verkon päätelaitteet kommunikoida suoraan yhdyskäytävien kanssa ja ovat päällä vain, kun heidän on kommunikoitava yhdyskäytävän kanssa, koska kantama ei ole ongelma. Tämä on vaikuttanut LoRa-päätelaitteiden pienitehoisiin ominaisuuksiin ja korkeaan akun kestoon

LoRa-verkkoarkkitehtuuri koostuu neljästä pääosasta;

1. Lopeta laitteet

2. Yhdyskäytävät

3. Verkkopalvelin

4. Sovelluspalvelin

1. Lopeta laitteet

Nämä ovat antureita tai toimilaitteita verkon reunalla. Loppulaitteet palvelevat erilaisia ​​sovelluksia ja niillä on erilaiset vaatimukset. Erilaisten loppusovellusprofiilien optimoimiseksi LoRaWAN ™ käyttää kolmea erilaista laiteluokkaa, joihin loppulaitteet voidaan määrittää. Luokat sisältävät kompromisseja downlink-tiedonsiirron viiveen ja laitteen akun keston välillä.

Kolme pääluokkaa ovat;

1. Kaksisuuntaiset päätelaitteet (luokka A)

2. Kaksisuuntaiset päätelaitteet, joissa on ajoitetut vastaanottopaikat (luokka B)

3. Kaksisuuntaiset päätelaitteet, joissa on suurin vastaanottoväli (luokka C)

i. Luokan A päätelaitteet

Nämä ovat laitteita, jotka vaativat laskevan siirtotien viestintää palvelulta r vain välittömästi Uplink- linkin jälkeen. Esimerkiksi, ne ovat laitteita, joiden on saatava viestien toimitusvahvistus palvelimelta ylälinkin jälkeen. Tämän luokan laitteiden osalta heidän on odotettava, kunnes palvelimelle lähetetään Uplink-linkki, ennen kuin mitään downlink-linkkiä voidaan vastaanottaa. Tämän seurauksena tiedonsiirto pidetään minimissä ja siten niillä on pienin virrankäyttö ja suurin akun käyttöikä. Hyvä esimerkki luokan A laitteista on LoRa-pohjainen älykäs energiamittari

ii. Luokan B päätelaitteet

Näille laitteille osoitetaan ylimääräiset laskevan siirtotien ikkunat ajoitetuin välein yläsuuntaisen linkin lähettämisen aikana vastaanotetun laskevan siirtotien lisäksi (luokka A + ajoitettu ylimääräinen alasuuntainen linkki). Tämän laskevan siirtotien ajoitettu luonne varmistaa, että toiminta on edelleen matalaa, koska tiedonsiirto on aktiivista vain ajoitetuin väliajoin, mutta ajoitetun laskevan siirtotien aikana kulutettu ylimääräinen teho kasvattaa luokan A laitteiden virrankulutusta, sellaisenaan, niillä on vähemmän akkua käyttöikä verrattuna luokan A päätelaitteisiin.

iii. Luokan C päätelaitteet

Näillä laiteluokilla ei ole rajoituksia downlinkiin. Ne on suunniteltu olemaan lähes aina avoimia palvelimen viestinnälle. Ne kuluttavat enemmän virtaa kuin muut luokat ja niiden akun kesto on alhaisin. Hyviä esimerkkejä luokan C laitteista ovat kalustonhallinnassa tai todellisessa liikenteen seurannassa käytettävät päätelaitteet.

2. Yhdyskäytävät

Yhdyskäytävät (kutsutaan myös keskittimiksi) ovat laitteita, jotka on kytketty verkkopalvelimeen tavallisten IP-yhteyksien kautta, jotka välittävät viestit keskusverkkopalvelimen taustatietokoneen ja päätelaitteiden välillä käyttämällä yhden hypyn langatonta yhteyskäytäntöä. Ne on suunniteltu tukemaan kaksisuuntaista viestintää ja niissä on monilähetys, jonka avulla ohjelmisto voi lähettää joukkojakeluviestejä, kuten langattomia päivityksiä.

Jokaisen LoRa-yhdyskäytävän ytimessä on monikanavainen LoRa-demodulaattori, joka pystyy dekoodaamaan kaikki LoRa-modulointivariantit useilla taajuuksilla rinnakkain.

Suurille verkko-operaattoreille keskeisten erottavien tekijöiden tulisi olla radion suorituskyky (herkkyys, lähetysteho), SX1301-sirun kytkentä yhdyskäytävän MCU: han (USB: stä SPI: hen tai SPI: stä SPI: hen) sekä PPS: n tuki ja jakelu signaali, jonka saatavuus mahdollistaa tarkan ajan synkronoinnin verkon koko yhdyskäytäväpopulaation yli

LoRa levittää viestintää päätelaitteiden ja yhdyskäytävien välillä useilla taajuuskanavilla ja datanopeuksilla. Hajaspektritekniikka käyttää tiedonsiirtonopeuksia, jotka vaihtelevat välillä 0,3 - 50 kb / s estääkseen viestinnän häiritsemästä toisiaan, ja luo joukon "virtuaalisia" kanavia, jotka lisäävät yhdyskäytävän kapasiteettia.

Sekä loppulaitteiden akunkeston että verkon kokonaiskapasiteetin maksimoimiseksi LoRa-verkkopalvelin hallinnoi datanopeutta ja radiotaajuuslähtöä jokaiselle päätelaitteelle erikseen adaptiivisen datanopeuden (ADR) avulla.

3. Verkkopalvelin

Lora-verkkopalvelin on käyttöliittymä sovelluspalvelimen ja yhdyskäytävien välillä. Se välittää komennot sovelluspalvelimelta yhdyskäytävälle samalla kun tiedot välitetään yhdyskäytävistä sovelluspalvelimeen. Se suorittaa toimintoja, muun muassa varmistamalla, että paketteja ei ole päällekkäisiä, kuittausten ajoitus ja datanopeuden ja radiotaajuuslähdön hallinta jokaiselle päätelaitteelle erikseen adaptiivisen datanopeuden (ADR) avulla.

4. Sovelluspalvelin

Sovelluspalvelin määrittää, mihin loppulaitteiden tietoja käytetään. Tietojen visualisointi jne. Tehdään todennäköisesti täällä.

LoRaWANin turvallisuus ja yksityisyys

Turvallisuuden ja yksityisyyden merkitystä missään IoT-ratkaisussa ei voida korostaa liikaa. LoRaWAN-protokolla määrittää salauksen varmistaakseen tietojesi turvallisuuden ja konkreettisuuden

* Laitekohtaiset AES128-avaimet

* Laiteavainten välitön uudistaminen / peruuttaminen

* Pakettikohtainen hyötykuorman salaus tietojen yksityisyyden takaamiseksi

* Suojaus uusintahyökkäyksiltä

* Suojaus välimies-iskuilta

LoRa käyttää kahta avainta; Verkkoistunto- ja Sovellusistuntoavaimet tarjoavat molemmat jaettua, salattua tiedonsiirtoa verkonhallintaa ja sovellusviestintää varten.

Laitteen ja verkon välinen jaettu verkkoistuntoavain on vastuussa loppusolmudatan todennuksesta, kun taas sovelluksen istuntoavain, jaettu sovelluksen ja loppusolmun välillä, on vastuussa laitetietojen yksityisyydestä.

LoRAWANin tärkeimmät ominaisuudet

*> 160 dB linkkibudjetti

* +20 dBm TX-teho

* Poikkeuksellinen IIP3

* 10dB: n selektiivisyyden parannus FSK: hon verrattuna

* Suvaitsevainen kanavan sisäisille purskeille

* Pienin RX-virta - 10mA

* Pienin univirta

* Erittäin nopea herätys (lepotila RX / TX)

LoRan edut

Alla on joitain LoRaan liittyviä etuja;

1. Pitkä kantama ja kattavuus: Jopa 15 km: n LOS-etäisyydellä sen kantamaa ei voida verrata minkään muun tiedonsiirtoprotokollan alueeseen.

2. Pienitehoinen: LoRa tarjoaa erittäin pienitehoisia radioita, mikä tekee niistä ihanteellisia laitteille, joita tarvitaan vähintään 10 vuotta