Введение в lora и lorawan: что такое lora и как оно работает?

Коммуникация - одна из важнейших частей любого проекта Интернета вещей. Способность вещи общаться с другими «вещами» (облаком устройства / сервером) - вот что дает «вещи» право прикреплять «Интернет» к своему имени. Хотя существует множество протоколов связи, каждому из них не хватает того или другого, что делало их «не полностью подходящими» для приложений IoT. Основными проблемами являются энергопотребление, диапазон / покрытие и пропускная способность.

Большинство коммуникационных радиостанций, таких как Zigbee, BLE, WiFi и другие, имеют малый радиус действия, а другие, такие как 3G и LTE, потребляют много электроэнергии, и охват их зоны покрытия не может быть гарантирован, особенно в развивающихся странах. Хотя эти протоколы и режимы связи работают для определенных проектов, они накладывают значительные ограничения, например: трудности с развертыванием решений IoT в зонах без покрытия сотовой связи (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) и резкое сокращение времени автономной работы устройств. Таким образом, предвидя будущее IoT и соединение всех видов «вещей», расположенных в самых разных местах, возникла потребность в средстве связи, специально разработанном для IoT, которое поддерживает его требования особенно низкой мощности, значительно большего радиуса действия., дешевый, безопасный и простой в развертывании. Вот тут и появляется LoRa.

LoRa (что означает Long Range) - это запатентованная технология беспроводной связи, которая сочетает в себе сверхнизкое энергопотребление с эффективным большим радиусом действия. В то время как дальность действия сильно зависит от окружающей среды и возможных препятствий (LOS или N-LOS), LoRa обычно имеет диапазон от 13 до 15 км, что означает, что один шлюз LoRa может обеспечить покрытие для всего города, а с парой больше - всего страна. Технология была разработана Cycleo во Франции и стала известна, когда компания была приобретена Semtech в 2012 году. Мы использовали модули LoRa с Arduino и Raspberry Pi, и они работали, как ожидалось.

Особенности LoRa

Радиостанция LoRa имеет несколько функций, которые помогают достичь эффективной мощности на большом расстоянии и низкой стоимости. Некоторые из этих функций включают;

1. Техника модуляции
2. Частота
3. Адаптивная скорость передачи данных
4. Адаптивные уровни мощности

Модуляция

Радиостанции Lora используют технику модуляции с расширенным спектром щебета для достижения значительно большей дальности связи при сохранении характеристик низкой мощности, которые аналогичны радиостанциям на основе физического уровня модуляции FSK. В то время как модуляция с расширенным спектром ЛЧМ-сигнала используется уже некоторое время в военных и космических системах связи, LoRa представляет собой первое экономичное коммерческое применение метода модуляции.

Частота

В то время как технология LoRa не зависит от частоты, связь между радиостанциями LoRa осуществляется за счет использования нелицензированных диапазонов радиочастот ниже ГГц, доступных по всему миру. Эти частоты варьируются от региона к региону и часто также различаются между странами. Например, частота 868 МГц обычно используется для связи LoRa в Европе, а частота 915 МГц - в Северной Америке. Независимо от частоты, LoRa можно использовать без каких-либо серьезных изменений в технологии.

Полосы частот для LoRa в разных странах

Использование более низких частот, чем у модулей связи, таких как WiFi, на основе диапазонов ISM 2,4 или 5,8 ГГц, обеспечивает гораздо большую зону покрытия, особенно в ситуациях NLOS.

Важно отметить, что в некоторых странах для использования нелицензионных диапазонов все еще требуются разрешения.

Адаптивная скорость передачи данных

LoRa использует комбинацию переменной полосы пропускания и коэффициентов расширения (SF7-SF12) для адаптации скорости передачи данных в зависимости от диапазона передачи. Более высокий коэффициент расширения позволяет увеличить дальность за счет более низкой скорости передачи данных, и наоборот. Комбинация полосы пропускания и коэффициента расширения может быть выбрана в соответствии с условиями канала и уровнем передаваемых данных. Таким образом, более высокий коэффициент расширения улучшает характеристики передачи и чувствительность для данной полосы пропускания, но также увеличивает время передачи в результате более низких скоростей передачи данных. Они могут варьироваться от 18 до 40 Кбит / с.

Уровень адаптивной мощности

Уровень мощности, используемый радиостанциями LoRa, является адаптивным. Это зависит, в частности, от таких факторов, как скорость передачи данных и условия соединения. Когда требуется быстрая передача, передаваемая мощность приближается к максимальной и наоборот. Таким образом увеличивается срок службы батареи и сохраняется емкость сети. Потребляемая мощность также зависит от класса устройств среди ряда других факторов.

LoRaWAN

LoRaWAN большой емкости, Long Range, открытый, Low Power Wide Area Network (LPWAN) стандарт, разработанный для Lora Powered ВГД Solutions со стороны Lora Альянса. Это двунаправленный протокол, который в полной мере использует все возможности технологии LoRa для предоставления услуг, включая надежную доставку сообщений, сквозную безопасность, определение местоположения и возможности многоадресной рассылки. Стандарт обеспечивает взаимодействие различных сетей LoRaWAN по всему миру.

Когда люди пытаются определить LoRa и LoRaWAN, обычно возникает путаница, что, вероятно, лучше всего разрешить путем изучения модели эталонного стека OSI.

Проще говоря, на основе модели стека OSI LoRaWAN соответствует протоколу доступа к среде передачи для сети связи, а LoRa соответствует физическому уровню. Таким образом, LoRaWAN определяет протокол связи и системную архитектуру для сети, а архитектура LoRa обеспечивает связь на большом расстоянии. Оба они объединились, чтобы обеспечить функциональность, которая определяет время автономной работы узла, емкость сети, качество обслуживания, безопасность и другие приложения, обслуживаемые сетью. В то время как LoRaWAN является наиболее популярным MAC-уровнем для LoRa, существуют другие проприетарные уровни, которые также построены на технологии LoRa. Хорошим примером является ссылка Symphony от Link Labs, специально разработанная для промышленных приложений.

Сетевая архитектура LoRaWAN

В отличие от топологии ячеистой сети, принятой в большинстве сетей, LoRaWAN использует архитектуру звездообразной сети, поэтому вместо того, чтобы каждое конечное устройство почти всегда было включено, повторяя передачу от других устройств для увеличения диапазона, конечные устройства в сети LoRaWAN обмениваются данными напрямую со шлюзами и включаются только тогда, когда им нужно обмениваться данными со шлюзом, поскольку диапазон не является проблемой. Это является одним из факторов, способствующих снижению энергопотребления и длительному времени автономной работы конечных устройств LoRa.

Сетевая архитектура LoRa состоит из четырех основных частей;

1. Конечные устройства

2. Шлюзы

3. Сетевой сервер

4. Сервер приложений

1. Конечные устройства

Это датчики или исполнительные механизмы на границе сети. Конечные устройства обслуживают разные приложения и имеют разные требования. Чтобы оптимизировать различные профили конечных приложений, LoRaWAN ™ использует три различных класса устройств, для которых конечные устройства могут быть настроены как. Классы обеспечивают компромисс между задержкой передачи данных по нисходящей линии связи и временем автономной работы устройства.

Три основных класса:

1. Двунаправленные оконечные устройства (класс A)

2. Двунаправленные конечные устройства с запланированными слотами приема (класс B)

3. Двунаправленные конечные устройства с максимальным количеством слотов приема (класс C)

я. Конечные устройства класса А

Это устройства, которым требуется только связь по нисходящей линии связи от сервера сразу после восходящей линии связи. Например, это устройства, которым необходимо получать подтверждение доставки сообщения от сервера после восходящего канала. Для этого класса устройств они должны дождаться отправки восходящего канала на сервер, прежде чем любой нисходящий канал сможет быть получен. В результате связь сохраняется на минимальном уровне, и, таким образом, они имеют самую низкую мощность и максимальное время автономной работы. Хорошим примером устройств класса А является интеллектуальный счетчик энергии на основе LoRa.

II. Конечные устройства класса B

Этим устройствам назначаются дополнительные окна нисходящей линии связи через запланированные интервалы в дополнение к нисходящей линии связи, полученной при отправке восходящей линии связи (класс A + запланированная дополнительная линия вниз). Запланированный характер этой нисходящей линии связи гарантирует, что работа по-прежнему имеет низкое энергопотребление, поскольку связь активна только в запланированные интервалы, но дополнительная мощность, потребляемая во время запланированной нисходящей линии связи, увеличивает потребление энергии по сравнению с устройствами класса A, как таковые, у них более низкая батарея срок службы по сравнению с оконечными устройствами класса А.

iii. Конечные устройства класса C

У устройств этого класса нет ограничений по нисходящей линии связи. Они разработаны таким образом, чтобы почти всегда быть открытыми для связи с сервера. Они потребляют больше энергии, чем другие классы, и имеют наименьшее время автономной работы. Хорошими примерами устройств класса C являются конечные устройства, используемые для управления парком транспортных средств или мониторинга реального трафика.

2. Шлюзы

Шлюзы (также называемые концентраторами) - это устройства, подключенные к сетевому серверу через стандартные IP-соединения, которые ретранслируют сообщения между центральным сервером сети и конечными устройствами, используя протокол беспроводной связи с одним прыжком. Они предназначены для поддержки двунаправленной связи и оснащены многоадресной рассылкой, позволяющей программному обеспечению отправлять сообщения массового распространения, такие как обновления по беспроводной сети.

В основе каждого шлюза LoRa лежит многоканальный демодулятор LoRa, способный декодировать все варианты модуляции LoRa на нескольких частотах параллельно.

Для крупномасштабного сетевого оператора ключевыми отличительными факторами должны быть характеристики радиосвязи (чувствительность, мощность передачи), подключение микросхемы SX1301 к MCU шлюза (USB к SPI или SPI к SPI), а также поддержка и распространение PPS сигнал, доступность которого обеспечивает точную синхронизацию времени для всего набора шлюзов в сети

LoRa распространяет связь между конечными устройствами и шлюзами по нескольким частотным каналам и скоростям передачи данных. Технология расширенного спектра использует скорости передачи данных в диапазоне от 0,3 до 50 кбит / с для предотвращения помех друг другу и создает набор «виртуальных» каналов, увеличивающих пропускную способность шлюза.

Чтобы максимально увеличить время автономной работы конечных устройств и общую емкость сети, сетевой сервер LoRa управляет скоростью передачи данных и РЧ-выходом для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR).

3. Сетевой сервер

Сетевой сервер Lora - это интерфейс между сервером приложений и шлюзами. Он передает команды с сервера приложений на шлюз при передаче данных от шлюзов на сервер приложений. Он выполняет функции, включая обеспечение отсутствия повторяющихся пакетов, планирование подтверждений и управление скоростью передачи данных и выходом RF для каждого конечного устройства индивидуально с использованием схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR).

4. Сервер приложений

Сервер приложений определяет, для чего используются данные с конечных устройств. Возможно, здесь выполняется визуализация данных и т. Д.

LoRaWAN Безопасность и конфиденциальность

Невозможно переоценить важность безопасности и конфиденциальности в любом решении IoT. Протокол LoRaWAN определяет шифрование для обеспечения безопасности ваших данных, в частности

* Ключи AES128 для каждого устройства

* Мгновенная регенерация / отзыв ключей устройства

* Пакетное шифрование полезной нагрузки для конфиденциальности данных

* Защита от атак повторного воспроизведения

* Защита от атак типа "злоумышленник посередине"

LoRa использует два ключа; Ключи сеанса сети и сеанса приложения обеспечивают разделенную зашифрованную связь для управления сетью и связи приложений.

Сетевой сеансовый ключ, совместно используемый устройством и сетью, отвечает за аутентификацию данных конечного узла, а сеансовый ключ приложения, совместно используемый приложением и конечным узлом, отвечает за обеспечение конфиденциальности данных устройства.

Ключевые особенности LoRAWAN

* Бюджет канала связи> 160 дБ

* +20 дБм мощность передачи

* Исключительный IIP3

* Улучшение селективности на 10 дБ по сравнению с FSK

* Устойчив к внутриканальным всплескам помех

* Самый низкий ток RX - 10 мА

* Самый низкий ток сна

* Сверхбыстрое пробуждение (сон на RX / TX)

Преимущества LoRa

Ниже приведены некоторые из преимуществ, связанных с LoRa;

1. Большой радиус действия и зона покрытия. Имея дальность видимости до 15 км, его дальность не может сравниться с диапазоном любого другого протокола связи.

2. Низкое энергопотребление: LoRa предлагает радиомодули со сверхнизким энергопотреблением, что делает их идеальными для устройств, срок службы которых составляет 10 или более лет.