Introduksjon til lora og lorawan: hva er lora og hvordan fungerer det?

Kommunikasjon er en av de viktigste delene av ethvert IoT-prosjekt. Evnen til en ting å kommunisere med andre "ting" (en enhetssky / server) er det som gir "tingen" retten til å knytte "internett" til navnet. Mens det finnes tonnevis av kommunikasjonsprotokoller, mangler hver av dem en eller annen ting som gjorde dem "ikke helt passende" for IoT-applikasjoner. De største problemene er strømforbruk, rekkevidde / dekning og båndbredde.

De fleste kommunikasjonsradioer som Zigbee, BLE, WiFi blant annet er av kort rekkevidde, og andre som 3G og LTE er strømkrevende, og omfanget av dekningsområdene kan ikke garanteres spesielt i utviklingsland. Mens disse protokollene og kommunikasjonsmodusene fungerer for visse prosjekter, gir det en omfattende begrensning som; vanskeligheter med å distribuere IoT-løsninger i områder uten mobildekning (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) og brutto reduksjon i enhetens batterilevetid. Således, med tanke på fremtiden til IoT og tilkoblingen av alle slags "ting", lokalisert på alle slags steder, var det behov for et kommunikasjonsmedium skreddersydd for IoT som støtter kravene til spesielt lav effekt, betydelig lang rekkevidde, billig, sikker og enkel å distribuere. Det er her LoRa kommer inn.

LoRa (som står for Long Range) er en patentert trådløs kommunikasjonsteknologi som kombinerer ultralavt strømforbruk med en effektiv lang rekkevidde. Mens rekkevidden avhenger av miljøet og mulige hindringer (LOS eller N-LOS), har LoRa vanligvis et område mellom 13 - 15 km, noe som betyr at en enkelt LoRa-gateway kan gi dekning for en hel by, og med et par til, en helhet land. Teknologien ble utviklet av Cycleo i Frankrike og kom frem da selskapet ble kjøpt opp av Semtech i 2012. Vi brukte LoRa-moduler med Arduino og med Raspberry Pi, og de fungerte som forventet.

Funksjoner av LoRa

En LoRa-radio består av noen få funksjoner som hjelper den med å oppnå effektiv effekt på lang rekkevidde og lave kostnader. Noen av disse funksjonene inkluderer;

1. Modulasjonsteknikk
2. Frekvens
3. Adaptive datahastigheter
4. Adaptive Power Levels

Modulering

Lora-radioer bruker chirp spread spectrum-moduleringsteknikken for å oppnå et betydelig høyt kommunikasjonsområde mens de opprettholder egenskaper med lav effekt som ligner på FSK-moduleringens fysiske lagbaserte radioer. Mens chirp spread spectrum-modulering har eksistert en stund med applikasjoner innen militær- og romkommunikasjon, presenterer LoRa den første kommersielle anvendelsen av moduleringsteknikken til en lav pris.

Frekvens

Mens LoRa-teknologien er frekvensagnostisk, skjer kommunikasjon mellom LoRa-radioer ved bruk av ulisensierte sub-GHz radiofrekvensbånd som er tilgjengelige over hele verden. Disse frekvensene varierer fra region til region og varierer ofte også mellom land. For eksempel brukes 868MHz ofte for LoRa-kommunikasjon i Europa, mens 915MHz brukes i Nord-Amerika. Uavhengig av frekvens kan LoRa brukes uten noen større variasjon i teknologien.

Frekvensbånd for LoRa i forskjellige land

Bruk av lavere frekvenser enn de for kommunikasjonsmodulene som WiFi basert på 2,4 eller 5,8 GHz ISM-bånd muliggjør et mye større dekningsområde, spesielt for NLOS-situasjoner.

Det er viktig å merke seg at det fremdeles kreves tillatelse i noen land før de ikke-lisensierte båndene kan brukes.

Adaptiv datahastighet

LoRa bruker en kombinasjon av variabel båndbredde og spredningsfaktorer (SF7-SF12) for å tilpasse datahastigheten i en avveining med overføringsområdet. Høyere spredningsfaktor gir lengre rekkevidde på bekostning av lavere datahastighet, og omvendt. Kombinasjonen av båndbredde og spredningsfaktor kan velges i henhold til koblingsforholdene og nivået på data som skal overføres. Dermed forbedrer en høyere spredningsfaktor overføringsytelsen og følsomheten for en gitt båndbredde, men det øker også overføringstiden som et resultat av lavere datahastigheter. Disse kan variere fra så få som 18bps opp til 40Kbp

Adaptivt kraftnivå

Effektnivået som brukes av LoRa-radioer er adaptivt. Det er avhengig av faktorer som blant annet datahastighet og koblingsforhold. Når det kreves rask overføring, skyves den overførte kraften nærmere maksimum og omvendt. Dermed maksimeres batterilevetiden og nettverkskapasiteten opprettholdes. Strømforbruket avhenger også av enhetsklassen blant flere andre faktorer.

LoRaWAN

LoRaWAN er en høy kapasitet, lang rekkevidde, åpen, laveffekt bredt nettverk (LPWAN) standard designet for LoRa Powered IoT-løsninger av LoRa Alliance. Det er en toveis protokoll som utnytter alle funksjonene i LoRa-teknologien fullt ut for å levere tjenester, inkludert pålitelig levering av meldinger, sikkerhet til slutt, plassering og multicast-funksjoner. Standarden sikrer interoperabilitet mellom de forskjellige LoRaWAN-nettene over hele verden.

Det er vanligvis en blanding når folk prøver å definere LoRa og LoRaWAN, som sannsynligvis er best løst ved å undersøke OSI referansestakkmodellen.

Enkelt sagt, basert på OSI stack Model, tilsvarer LoRaWAN Media Access-protokollen for kommunikasjonsnettverket mens LoRa tilsvarer det fysiske laget. Dermed definerer LoRaWAN kommunikasjonsprotokollen og systemarkitekturen for nettverket, mens LoRa-arkitekturen muliggjør kommunikasjonskoblingen over lang rekkevidde. De to slo seg sammen for å gi funksjonaliteten som bestemmer batterilevetiden til en node, nettverkskapasiteten, tjenestekvaliteten, sikkerheten og andre applikasjoner som serveres av nettverket. Mens LoRaWAN er det mest populære MAC-laget for LoRa, finnes det andre proprietære lag som også er bygget på LoRa-teknologien. Et godt eksempel er Symphony link fra Link Labs som er spesielt utviklet for industrielle applikasjoner.

LoRaWAN-nettverksarkitekturen

I motsetning til nettverkstopologien som er vedtatt av de fleste nettverk, bruker LoRaWAN stjernenettverksarkitekturen, og i stedet for å ha hver endenhet i en nesten alltid på-tilstand, og gjentar overføring fra andre enheter for å øke rekkevidden, sluttapparater i LoRaWAN-nettverket kommunisere direkte med gateways og er bare på når de trenger å kommunisere med gatewayen siden rekkevidde ikke er et problem. Dette er en medvirkende faktor til funksjonene med lav strøm og høy batterilevetid oppnådd i LoRa-enhetene

LoRa Network Architecture består av fire hoveddeler;

1. Slutt enheter

2. Gatewayer

3. Nettverksserver

4. Søknadsserver

1. Slutt enheter

Dette er sensorer eller aktuatorer ved nettverkskanten. Enheter tjener forskjellige applikasjoner og har forskjellige krav. For å optimalisere en rekke sluttapplikasjonsprofiler, bruker LoRaWAN ™ tre forskjellige enhetsklasser som sluttapparater kan konfigureres til. Klassene har kompromisser mellom nedlink-kommunikasjonstiden og batterilevetiden til enheten.

De tre hovedklassene er;

1. Toveis sluttenheter (klasse A)

2. Toveis sluttapparater med planlagte mottaksspor (klasse B)

3. Toveis endeapparater med maksimale mottaksspor (klasse C)

Jeg. Klasse A sluttapparater

Dette er enheter som bare krever nedlink-kommunikasjon fra tjenesten r umiddelbart etter en Uplink. For eksempel er det enheter som må motta bekreftelse av leveringsmelding fra serveren etter en opplinking. For denne klassen av enheter må de vente til en Uplink blir sendt til serveren før noen nedlink kan mottas. Som et resultat av dette holdes kommunikasjonen på et minimum, og de har dermed den laveste strømdriften og den høyeste batterilevetiden. Et godt eksempel på klasse A-enheter er en LoRa-basert Smart Energy Meter

ii. Klasse B sluttenheter

Disse enhetene tildeles ekstra nedlinkvinduer med planlagte intervaller i tillegg til nedlink som mottas når en opplink sendes (klasse A + en planlagt ekstra nedlink). Den planlagte naturen til denne nedlinken sørger for at driften fortsatt er lav, siden kommunikasjon bare er aktiv med planlagte intervaller, men den ekstra strømmen som forbrukes under den planlagte nedlinken øker strømforbruket utover det til klasse A-enhetene, som sådan har de et lavere batteri levetid sammenlignet med sluttapparater i klasse A.

iii. Klasse C sluttenheter

Denne klassen av enheter har ikke en begrensning på nedlink. De er designet for å være nesten alltid åpne for kommunikasjon fra serveren. De bruker mer strøm enn de andre klassene og har lavest batterilevetid. Gode ​​eksempler på klasse C-enheter er sluttapparater som brukes i flåtestyring eller reell trafikkovervåking.

2. Gatewayer

Gateways (også referert til som konsentratorer) er enheter som er koblet til nettverksserveren via standard IP-tilkoblinger som videresender meldinger mellom den sentrale nettverksserveren og endenheter ved hjelp av single-hop trådløs kommunikasjonsprotokoll. De er designet for å støtte toveiskommunikasjon og er utstyrt med multicast som gjør det mulig for programvaren å sende massedistribusjonsmeldinger som over-the-air oppdateringer.

I hjertet av hver LoRa-gateway er en flerkanals LoRa-demodulator som kan dekode alle LoRa-modulasjonsvarianter på flere frekvenser parallelt.

For en storstilt nettverksoperatør bør nøkkelforskjellene være radioytelsen (følsomhet, sendekraft), tilkoblingen av SX1301-brikken til gatewayen MCU (USB til SPI eller SPI til SPI) og støtte og distribusjon av PPS signal hvis tilgjengelighet muliggjør presis tidssynkronisering over hele gatewaypopulasjonen i et nettverk

LoRa sprer kommunikasjon mellom sluttapparater og gateways på tvers av flere frekvenskanaler og datahastigheter. Spredt spekterteknologi bruker datahastigheter fra 0,3 kbps til 50 kbps for å forhindre at kommunikasjon forstyrrer hverandre og skaper et sett med "virtuelle" kanaler som øker kapasiteten til gatewayen.

For å maksimere både batterilevetiden til sluttenhetene og den totale nettverkskapasiteten, administrerer LoRa-nettverksserveren datahastigheten og RF-utgangen for hver sluttenhet individuelt gjennom et adaptivt datahastighetssystem (ADR).

3. Nettverksserver

Lora Network server er grensesnittet mellom Application Server og Gateways. Den overfører kommandoer fra applikasjonsserveren til gatewayen mens data overføres fra gatewayene til applikasjonsserveren. Den utfører funksjoner, inkludert å sikre at det ikke er dupliserte pakker, planlegge bekreftelser og administrere datahastigheten og RF-utgangen for hver sluttenhet individuelt ved hjelp av en adaptiv datahastighetsordning (ADR).

4. Søknadsserver

Applikasjonsserveren bestemmer hva dataene fra sluttapparatene brukes til. Datavisualisering etc blir sannsynligvis gjort her.

LoRaWAN Sikkerhet og personvern

Betydningen av sikkerhet og personvern i enhver IoT-løsning kan ikke vektlegges for mye. LoRaWAN-protokollen spesifiserer kryptering for å sikre at dataene dine er sikre, konkret

* AES128-taster per enhet

* Øyeblikkelig regenerering / tilbakekalling av enhetsnøkler

* Nyttelastkryptering per pakke for personvern

* Beskyttelse mot repriseangrep

* Beskyttelse mot mann-i-midten-angrep

LoRa bruker to taster; Network Session og Application Session-nøkler som begge gir delt, kryptert kommunikasjon for nettverksadministrasjon og applikasjonskommunikasjon.

Nettverksøktnøkkelen, delt mellom enheten og nettverket, er ansvarlig for autentisering av sluttnodedataene mens applikasjonsøktnøkkelen, delt mellom applikasjonen og sluttnoden, er ansvarlig for å garantere personvernet til enhetsdataene.

Nøkkelfunksjoner i LoRAWAN

*> 160 dB koblingsbudsjett

* +20 dBm TX-strøm

* Eksepsjonell IIP3

* 10 dB selektivitetsforbedring i forhold til FSK

* Tolerant for inngrep i kanalen

* Laveste RX-strøm - 10mA

* Laveste søvnstrøm

* Rask oppvåkning (sove til RX / TX)

Fordeler med LoRa

Nedenfor er noen av fordelene knyttet til LoRa;

1. Lang rekkevidde og dekning: Med opptil 15 km LOS rekkevidde kan rekkevidden ikke sammenlignes med den for noen annen kommunikasjonsprotokoll.

2. Lav effekt: LoRa tilbyr radioer med lavt strømforbruk, noe som gjør dem ideelle for enheter som kreves i 10 år eller