Introduktion til lora og lorawan: hvad er lora og hvordan fungerer det?

Kommunikation er en af ​​de vigtigste dele af ethvert IoT-projekt. En tings evne til at kommunikere med andre "ting" (en enhedssky / server) er det, der giver "tingen" retten til at knytte "internettet" til sit navn. Mens der findes masser af kommunikationsprotokoller, mangler hver af dem den ene eller den anden ting, hvilket gjorde dem "ikke helt egnede" til IoT-applikationer. De største problemer er strømforbrug, rækkevidde / dækning og båndbredde.

De fleste kommunikationsradioer som Zigbee, BLE, WiFi er blandt andet af kort rækkevidde, og andre som 3G og LTE er strømhungrige, og spændvidden for deres dækningsområder kan ikke garanteres især i udviklingslande. Mens disse protokoller og kommunikationstilstande fungerer for visse projekter, bringer det en omfattende begrænsning som; vanskeligheder med at implementere IoT-løsninger i områder uden mobil (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) dækning og bruttoreduktion i enheders batterilevetid. Under hensyntagen til fremtiden for IoT og forbindelsen af ​​alle slags "ting", der er placeret på alle slags steder, var der behov for et kommunikationsmedium skræddersyet til IoT, der understøtter dets krav om specifikt lav effekt, betydeligt lang rækkevidde, billig, sikker og nem at implementere. Det er her LoRa kommer ind.

LoRa (som står for Long Range) er en patenteret trådløs kommunikationsteknologi, der kombinerer ultralavt strømforbrug med en effektiv lang rækkevidde. Mens rækkevidde i høj grad afhænger af miljøet og mulige forhindringer (LOS eller N-LOS), har LoRa typisk et interval mellem 13-15 km, hvilket betyder, at en enkelt LoRa-gateway kan dække en hel by og med et par mere, en helhed Land. Teknologien blev udviklet af Cycleo i Frankrig og kom til udtryk, da virksomheden blev erhvervet af Semtech i 2012. Vi brugte LoRa-moduler med Arduino og med Raspberry Pi, og de fungerede som forventet.

Funktioner i LoRa

En LoRa-radio består af nogle få funktioner, der hjælper den med at opnå effektiv effekt på lang rækkevidde og lave omkostninger. Nogle af disse funktioner inkluderer;

1. Modulationsteknik
2. Frekvens
3. Adaptive datahastigheder
4. Adaptive kraftniveauer

Modulation

Lora-radioer bruger chirp spread spectrum-moduleringsteknikken til at opnå et betydeligt højt kommunikationsområde, mens de bibeholder lave effektegenskaber, der ligner FSK-moduleringens fysiske lagbaserede radioer. Mens chirp spread spectrum-modulering har eksisteret i et stykke tid med applikationer inden for militær- og rumkommunikation, præsenterer LoRa den første, billige kommercielle anvendelse af moduleringsteknikken.

Frekvens

Mens LoRa-teknologien er frekvensagnostisk, sker kommunikation mellem LoRa-radioer via brug af ulicenserede sub-GHz radiofrekvensbånd, der er tilgængelige over hele verden. Disse frekvenser varierer fra region til region og varierer ofte også mellem lande. For eksempel bruges 868MHz ofte til LoRa-kommunikation i Europa, mens 915MHz bruges i Nordamerika. Uanset frekvens kan LoRa bruges uden nogen større variation i teknologien.

Frekvensbånd til LoRa i forskellige lande

Brug af lavere frekvenser end kommunikationsmodulernes som WiFi baseret på 2,4 eller 5,8 GHz ISM-bånd muliggør et meget større dækningsområde, især i NLOS-situationer.

Det er vigtigt at bemærke, at der stadig kræves tilladelser i nogle lande, før de ikke-licenserede bånd kan bruges.

Adaptiv datahastighed

LoRa bruger en kombination af variabel båndbredde og spredningsfaktorer (SF7-SF12) til at tilpasse datahastigheden i en afvejning med transmissionens rækkevidde. Højere spredningsfaktor tillader længere rækkevidde på bekostning af lavere datahastighed og omvendt. Kombinationen af ​​båndbredde og spredningsfaktor kan vælges i henhold til linkbetingelserne og niveauet af data, der skal transmitteres. Således forbedrer en højere spredningsfaktor transmissionens ydeevne og følsomhed for en given båndbredde, men det øger også transmissionstiden som et resultat af lavere datahastigheder. Disse kan variere fra så få som 18bps op til 40Kbp

Adaptivt effektniveau

Effektniveauet, der bruges af LoRa-radioer, er adaptivt. Det afhænger blandt andet af faktorer som datahastighed og linkbetingelser. Når der kræves en hurtig transmission, skubbes den transmitterede effekt tættere på det maksimale og omvendt. Således maksimeres batteriets levetid, og netværkskapaciteten opretholdes. Strømforbrug afhænger også af enhedsklassen blandt flere andre faktorer.

LoRaWAN

LoRaWAN er en høj kapacitet, lang rækkevidde, åben, LPWAN-standard (Low Power Wide Area Network) designet til LoRa Powered IoT-løsninger fra LoRa Alliance. Det er en tovejs protokol, der udnytter alle funktionerne i LoRa-teknologien fuldt ud til at levere tjenester inklusive pålidelig meddelelseslevering, ende til slut-sikkerhed, placering og multicast-funktioner. Standarden sikrer interoperabilitet mellem de forskellige LoRaWAN-netværk over hele verden.

Der er normalt en blanding, når folk forsøger at definere LoRa og LoRaWAN, som sandsynligvis bedst løses ved at undersøge OSI-referencestakmodellen.

Kort sagt, baseret på OSI- stakmodellen svarer LoRaWAN til Media Access-protokollen for kommunikationsnetværket, mens LoRa svarer til det fysiske lag. LoRaWAN definerer således kommunikationsprotokollen og systemarkitekturen til netværket, mens LoRa-arkitekturen muliggør kommunikationskoblingen over lang rækkevidde. De to flettede sammen for at give den funktionalitet, der bestemmer batteriets levetid for en node, netværkskapaciteten, servicekvaliteten, sikkerheden og andre applikationer, der betjenes af netværket. Mens LoRaWAN er det mest populære MAC-lag til LoRa, findes der andre proprietære lag, som også er bygget på LoRa-teknologien. Et godt eksempel er Symphony link fra Link Labs, som er specielt udviklet til industrielle applikationer.

LoRaWAN-netværksarkitekturen

Modsat den mesh-netværkstopologi, der er vedtaget af de fleste netværk, bruger LoRaWAN stjernenetværksarkitekturen, snarere end at have hver ende-enhed i en næsten altid tændt tilstand, hvilket gentager transmission fra andre enheder for at øge rækkevidden, slut-enheder i LoRaWAN-netværket kommunikere direkte med gateways og er kun tændt, når de har brug for at kommunikere med gatewayen, da rækkevidde ikke er et problem. Dette er en medvirkende faktor til funktionerne med lav strøm og høj batterilevetid opnået i LoRa-slutenhederne

LoRa-netværksarkitekturen består af fire hoveddele;

1. Slut enheder

2. Gateways

3. Netværksserver

4. Applikationsserver

1. Slut enheder

Disse er sensorer eller aktuatorer ved netværkskanten. Enheder betjener forskellige applikationer og har forskellige krav. For at optimere en række slutapplikationsprofiler bruger LoRaWAN ™ tre forskellige enhedsklasser, som slutenheder kan konfigureres til. Klasserne har afvejninger mellem downlink-kommunikationslatens og enhedens batterilevetid.

De tre store klasser er;

1. Tovejs-endeapparater (klasse A)

2. Tovejs-endeapparater med planlagte modtagepladser (klasse B)

3. Tovejs-endeapparater med maksimale modtagepladser (klasse C)

jeg. Klasse A slutenheder

Dette er enheder, der kun kræver downlink-kommunikation fra serveren straks efter en Uplink. For eksempel er de enheder, der skal modtage bekræftelsesleveringsbekræftelse fra serveren efter en uplink. For denne enhedsklasse skal de vente, indtil en Uplink sendes til serveren, inden der modtages et downlink. Som et resultat heraf holdes kommunikationen på et minimum, og de har således den laveste strømdrift og den højeste batterilevetid. Et godt eksempel på klasse A-enheder er en LoRa-baseret Smart Energy Meter

ii. Klasse B-slutenheder

Disse enheder tildeles ekstra downlink-vinduer med planlagte intervaller ud over det downlink, der modtages, når en uplink sendes (klasse A + et planlagt ekstra downlink). Den planlagte karakter af dette downlink sikrer, at driften stadig er lav, da kommunikation kun er aktiv med planlagte intervaller, men den ekstra strøm, der forbruges under det planlagte downlink, øger strømforbruget ud over klasse A-enhederne, som sådan har de et lavere batteri levetid sammenlignet med klasse A-slutanordninger.

iii. Klasse C-slutenheder

Denne klasse af enheder har ikke en begrænsning på downlink. De er designet til næsten altid at være åbne for kommunikation fra serveren. De bruger mere strøm end de andre klasser og har den laveste batterilevetid. Gode ​​eksempler på klasse C-enheder er slutanordninger, der bruges i flådestyring eller reel trafikovervågning.

2. Gateways

Gateways (også kaldet koncentratorer) er enheder, der er forbundet til netværksserveren via standard IP-forbindelser, der videresender meddelelser mellem den centrale netværksserverbackend og slutenheder ved hjælp af single-hop trådløs kommunikationsprotokol. De er designet til at understøtte tovejskommunikation og er udstyret med multicast, der gør det muligt for softwaren at sende massedistributionsmeddelelser som over-the-air opdateringer.

Kernen i enhver LoRa-gateway er en LoRa-demodulator med flere kanaler, der er i stand til at afkode alle LoRa-moduleringsvarianter på flere frekvenser parallelt.

For en storstilet netværksoperatør skal de vigtigste kendetegnende faktorer være radioens ydeevne (følsomhed, sendekraft), forbindelsen af ​​SX1301-chip til gateway MCU (USB til SPI eller SPI til SPI) og understøttelse og distribution af PPS signal, hvis tilgængelighed muliggør præcis tidssynkronisering over hele gatewaypopulationen i et netværk

LoRa spreder kommunikation mellem slutenheder og gateways på tværs af flere frekvenskanaler og datahastigheder. Spread spectrum-teknologien bruger datahastigheder fra 0,3 kbps til 50 kbps for at forhindre kommunikation i at forstyrre hinanden og skaber et sæt "virtuelle" kanaler, der øger gatewayens kapacitet.

For at maksimere både slutenhedernes batterilevetid og den samlede netværkskapacitet administrerer LoRa-netværksserveren datahastigheden og RF-output for hver slutenhed individuelt gennem en ADR-ordning (adaptive data rate).

3. Netværksserver

Lora netværksserver er grænsefladen mellem applikationsserveren og gateways. Det videresender kommandoer fra applikationsserveren til gatewayen, mens data overføres fra gateways til applikationsserveren. Det udfører funktioner, herunder at sikre, at der ikke er duplikatpakker, planlægning af kvitteringer og styring af datahastigheden og RF-output for hver slutenhed individuelt ved hjælp af et adaptivt datahastighedsskema (ADR).

4. Applikationsserver

Applikationsserveren bestemmer, hvad dataene fra slutenhederne bruges til. Datavisualisering osv. Udføres sandsynligvis her.

LoRaWAN Sikkerhed og fortrolighed

Betydningen af ​​sikkerhed og privatliv i enhver IoT-løsning kan ikke overdrives. LoRaWAN-protokollen specificerer kryptering for at sikre, at dine data er sikre, konkret

* AES128-nøgler pr. Enhed

* Øjeblikkelig regenerering / tilbagekaldelse af enhedsnøgler

* Kryptering af nyttelast pr. Pakke for databeskyttelse

* Beskyttelse mod gentagelsesangreb

* Beskyttelse mod mand-i-midten-angreb

LoRa bruger to taster; Netværkssession og applikationssessionstaster, som begge giver delt, krypteret kommunikation til netværksadministration og applikationskommunikation.

Netværkssessionsnøglen, der er delt mellem enheden og netværket, er ansvarlig for godkendelse af slutnodedataene, mens applikationssessionsnøglen, der deles mellem applikationen og slutnoden, er ansvarlig for at garantere privatlivets fred for enhedsdataene.

Nøglefunktioner i LoRAWAN

*> 160 dB link budget

* +20 dBm TX-strøm

* Enestående IIP3

* 10dB selektivitetsforbedring i forhold til FSK

* Tolerant over for interferens i burst-kanaler

* Laveste RX-strøm - 10mA

* Laveste søvnstrøm

* Ultrafast vækning (sove til RX / TX)

Fordele ved LoRa

Nedenfor er nogle af fordelene forbundet med LoRa;

1. Lang rækkevidde og dækning: Med op til 15 km LOS rækkevidde kan dens rækkevidde ikke sammenlignes med andre kommunikationsprotokoller.

2. Lav effekt: LoRa tilbyder radioer med lavt strømforbrug, hvilket gør dem ideelle til enheder, der kræves, skal vare i 10 år eller