Ievads lora un lorawan: kas ir lora un kā tā darbojas?

Komunikācija ir viena no vissvarīgākajām jebkura IoT projekta daļām. Lietas spēja sazināties ar citām “lietām” (ierīces mākoni / serveri) ir tas, kas dod “lietai” tiesības piesaistīt “internetam” tās nosaukumu. Lai gan pastāv daudz sakaru protokolu, katram no tiem trūkst vienas vai otras lietas, kas tos padarīja “ne visai piemērotus” IoT lietojumprogrammām. Galvenās problēmas ir enerģijas patēriņš, diapazons / pārklājums un joslas platums.

Lielākā daļa sakaru radio, piemēram, Zigbee, BLE, WiFi, cita starpā, ir maza darbības rādiusa, bet citi, piemēram, 3G un LTE, ir enerģijas izsalkuši, un to pārklājuma zonu diapazonu nevar garantēt, jo īpaši jaunattīstības valstīs. Lai gan šie protokoli un saziņas režīmi darbojas noteiktos projektos, tas rada plašu ierobežojumu, piemēram; grūtības IoT risinājumu ieviešanā apgabalos bez mobilā (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) pārklājuma un ierīču akumulatora darbības laika bruto samazināšanās. Tādējādi, domājot par IoT nākotni un visu veidu “lietu” savienošanu, kas atrodas visdažādākajās vietās, bija nepieciešams IoT pielāgots sakaru līdzeklis, kas atbalstītu tā prasības ar īpaši mazu jaudu, ievērojami lielu attālumu, lēti, droši un viegli izvietojami. Šeit ienāk LoRa.

LoRa (kas nozīmē Long Range) ir patentēta bezvadu sakaru tehnoloģija, kas apvieno īpaši zemu enerģijas patēriņu ar efektīvu tālsatiksmes diapazonu. Lai gan darbības rādiuss ir ļoti atkarīgs no vides un iespējamiem šķēršļiem (LOS vai N-LOS), LoRa diapazons parasti ir no 13 līdz 15 km, kas nozīmē, ka viens LoRa vārteja var nodrošināt pārklājumu visai pilsētai un ar vēl pāris, kopumā. valstī. Šo tehnoloģiju izstrādāja Cycleo Francijā, un tā parādījās, kad uzņēmumu 2012. gadā iegādājās Semtech. Mēs izmantojām LoRa moduļus ar Arduino un ar Raspberry Pi, un tie strādāja, kā paredzēts.

LoRa iezīmes

LoRa radio sastāv no dažām funkcijām, kas palīdz sasniegt efektīvu jaudu un zemas izmaksas tālsatiksmes diapazonā. Dažas no šīm funkcijām ietver:

1. Modulācijas tehnika
2. Biežums
3. Adaptīvās datu likmes
4. Adaptīvie jaudas līmeņi

Modulācija

Lora radioaparāti izmanto chirp izkliedētā spektra modulācijas paņēmienu, lai sasniegtu ievērojami augstu komunikācijas diapazonu, vienlaikus saglabājot mazjaudas raksturlielumus, kas ir līdzīgi FSK modulācijas fiziskā slāņa radioaparātiem. Kaut arī čivinātā spektra modulācija jau kādu laiku ir bijusi piemērota militārajās un kosmosa komunikācijās, LoRa piedāvā pirmo, zemo cenu modulācijas tehnikas komerciālu pielietojumu.

Biežums

Lai gan LoRa tehnoloģija ir frekvenču agnostika, komunikācija starp LoRa radio notiek, izmantojot nelicencētas radiofrekvenču joslas zem GHz, kas ir pieejamas visā pasaulē. Šīs frekvences dažādos reģionos atšķiras un bieži atšķiras arī dažādās valstīs. Piemēram, 868MHz parasti izmanto LoRa sakariem Eiropā, bet 915MHz - Ziemeļamerikā. Neatkarīgi no biežuma, LoRa var izmantot bez būtiskām tehnoloģiju izmaiņām.

LoRa frekvenču joslas dažādās valstīs

Zemāku frekvenču izmantošana nekā sakaru moduļiem, piemēram, WiFi, kas balstīta uz 2,4 vai 5,8 GHz ISM joslām, nodrošina daudz lielāku pārklājuma zonu, īpaši NLOS situācijās.

Ir svarīgi atzīmēt, ka pirms nelicencētu joslu izmantošanas dažās valstīs joprojām ir nepieciešamas atļaujas.

Adaptīvais datu pārraides ātrums

LoRa izmanto mainīga joslas platuma un izkliedes faktoru kombināciju (SF7-SF12), lai datu pārraides ātrumu pielāgotu kompromisā ar pārraides diapazonu. Lielāks izkliedes koeficients pieļauj lielāku diapazonu uz mazāka datu pārraides ātruma rēķina un otrādi. Joslas platuma un izplatīšanās koeficienta kombināciju var izvēlēties atbilstoši saites apstākļiem un pārsūtāmo datu līmenim. Tādējādi lielāks izkliedes koeficients uzlabo pārraides veiktspēju un jutīgumu noteiktā joslas platumā, bet tas arī palielina pārraides laiku zemāku datu pārraides ātrumu rezultātā. Tie var atšķirties no tikai 18 bps līdz 40 Kbp

Pielāgojams jaudas līmenis

LoRa radio izmantojamais jaudas līmenis ir adaptīvs. Tas ir atkarīgs no tādiem faktoriem kā datu pārraides ātrums un savienojuma apstākļi. Ja nepieciešama ātra pārraide, pārraidītā jauda tiek piespiesta tuvāk maksimumam un otrādi. Tādējādi tiek maksimāli palielināts akumulatora darbības laiks un saglabāta tīkla jauda. Elektroenerģijas patēriņš starp vairākiem citiem faktoriem ir atkarīgs arī no ierīču klases.

LoRaWAN

LoRaWAN ir augstas ietilpības, liela attāluma, atvērts, mazjaudas platjoslas tīkla (LPWAN) standarts, ko LoRa alianse ir izstrādājusi LoRa Powered IoT Solutions. Tas ir divvirzienu protokols, kas pilnībā izmanto visas LoRa tehnoloģijas iespējas, lai sniegtu pakalpojumus, tostarp uzticamu ziņojumu piegādi, gala drošību, atrašanās vietas noteikšanu un multiraides iespējas. Standarts nodrošina dažādu LoRaWAN tīklu savietojamību visā pasaulē.

Parasti tiek sajaukts, kad cilvēki mēģina definēt LoRa un LoRaWAN, ko, iespējams, vislabāk var atrisināt, pārbaudot OSI atsauces kaudzes modeli.

Vienkārši sakot, pamatojoties uz OSI kaudzes modeli, LoRaWAN atbilst komunikācijas tīkla Media Access protokolam, bet LoRa - fiziskajam slānim. Tādējādi LoRaWAN definē tīkla sakaru protokolu un sistēmas arhitektūru, savukārt LoRa arhitektūra nodrošina tālsatiksmes savienojumu. Viņi abi apvienojās, lai nodrošinātu funkcionalitāti, kas nosaka mezgla akumulatora darbības laiku, tīkla jaudu, pakalpojumu kvalitāti, drošību un citas tīkla apkalpotās lietojumprogrammas. Lai gan LoRaWAN ir vispopulārākais MAC slānis LoRa, pastāv citi patentēti slāņi, kas arī ir veidoti uz LoRa tehnoloģijas. Labs piemērs ir Link Labs Symphony link, kas ir īpaši izstrādāts rūpnieciskām vajadzībām.

LoRaWAN tīkla arhitektūra

Pretstatā tīkla tīkla topoloģijai, ko pieņem lielākā daļa tīklu, LoRaWAN izmanto zvaigžņu tīkla arhitektūru, tādējādi katra gala ierīce gandrīz vienmēr ir ieslēgta, atkārtojot pārraidi no citām ierīcēm, lai palielinātu diapazonu, gala ierīces LoRaWAN tīklā sazināties tieši ar vārtejām un ir ieslēgti tikai tad, kad viņiem ir nepieciešams sazināties ar vārteju, jo diapazons nav problēma. Tas veicina LoRa gala ierīcēs iegūtās zemas jaudas funkcijas un ilgu akumulatora darbības laiku

LoRa tīkla arhitektūra sastāv no četrām galvenajām daļām;

1. Beigu ierīces

2. Vārti

3. Tīkla serveris

4. Lietojumprogrammu serveris

1. Beigu ierīces

Tie ir sensori vai izpildmehānismi tīkla malā. Gala ierīces kalpo dažādām lietojumprogrammām, un tām ir atšķirīgas prasības. Lai optimizētu dažādus gala lietojumprogrammu profilus, LoRaWAN ™ izmanto trīs dažādas ierīču klases, kurām var konfigurēt gala ierīces. Nodarbībās ir kompromisi starp lejupsaites sakaru latentumu un ierīces akumulatora darbības laiku.

Trīs galvenās klases ir;

1. Divvirzienu gala ierīces (A klase)

2. Divvirzienu gala ierīces ar ieplānotām uztveršanas vietām (B klase)

3. Divvirzienu gala ierīces ar maksimālu uztveršanas slotu (C klase)

i. A klases gala ierīces

Tās ir ierīces, kurām no servera r ir nepieciešama lejupsaites komunikācija tikai tūlīt pēc augšupielādes. Piemēram, tās ir ierīces, kurām pēc augšējās saites ir jāsaņem no servera ziņojumu piegādes apstiprinājums. Šai ierīču klasei viņiem jāgaida, līdz augšupielāde tiek nosūtīta uz serveri, pirms var saņemt lejupsaiti. Tā rezultātā sakari tiek uzturēti pēc iespējas mazāk, un tādējādi tiem ir vismazākā enerģijas patēriņš un vislielākais akumulatora darbības laiks. Labs A klases ierīču piemērs ir LoRa viedais enerģijas skaitītājs

ii. B klases gala ierīces

Šīm ierīcēm tiek piešķirti papildu lejupsaites logi pēc noteiktiem laika intervāliem papildus lejupsaitei, kas saņemta, nosūtot augšupsaiti (A klase + ieplānota papildu lejupsaite). Šīs lejupsaites plānotais raksturs nodrošina, ka darbība joprojām ir zema enerģijas patēriņa dēļ, jo komunikācija ir aktīva tikai pēc noteiktiem laika intervāliem, bet plānotās lejupsaites laikā patērētā papildu enerģija palielina enerģijas patēriņu, pārsniedzot A klases ierīču enerģijas patēriņu, tāpēc tām ir zemāks akumulatora enerģijas patēriņš. dzīves ilgums, salīdzinot ar A klases gala ierīcēm.

iii. C klases gala ierīces

Šīs klases ierīcēm nav ierobežojumu attiecībā uz lejupsaiti. Tie ir veidoti tā, lai gandrīz vienmēr būtu atvērti saziņai no servera. Viņi patērē vairāk enerģijas nekā citas klases, un tiem ir vismazākais akumulatora darbības laiks. Labi C klases ierīču piemēri ir gala ierīces, ko izmanto autoparka pārvaldībā vai reālā satiksmes uzraudzībā.

2. Vārti

Vārtejas (sauktas arī par koncentratoriem) ir ierīces, kas savienotas ar tīkla serveri, izmantojot standarta IP savienojumus, kas pārraida ziņojumus starp centrālā tīkla servera aizmuguri un gala ierīcēm, izmantojot viena apiņa bezvadu sakaru protokolu. Tie ir paredzēti, lai atbalstītu divvirzienu komunikāciju, un ir aprīkoti ar multiziņu, kas ļauj programmatūrai nosūtīt masveida izplatīšanas ziņojumus, piemēram, atjauninājumus pa gaisu.

Katra LoRa vārtejas centrā ir daudzkanālu LoRa demodulators, kas spēj dekodēt visus LoRa modulācijas variantus vairākās frekvencēs paralēli.

Liela mēroga tīkla operatoram galvenajiem atšķirības faktoriem jābūt radio veiktspējai (jutīgums, sūtīšanas jauda), mikroshēmas SX1301 savienojumam ar vārtejas MCU (USB uz SPI vai SPI uz SPI) un PPS atbalstam un izplatīšanai. signāls, kura pieejamība ļauj precīzi sinhronizēt laiku visā vārtejas populācijā tīklā

LoRa izplata sakarus starp gala ierīcēm un vārtejām vairākos frekvenču kanālos un datu pārraides ātrumos. Izkliedētā spektra tehnoloģija izmanto datu pārraides ātrumu no 0,3 kbps līdz 50 kbps, lai sakari netraucētu viens otram, un izveido "virtuālo" kanālu kopumu, kas palielina vārtejas jaudu.

Lai maksimāli palielinātu gan gala ierīču akumulatora darbības laiku, gan kopējo tīkla jaudu, LoRa tīkla serveris pārvalda katras gala ierīces datu pārraides ātrumu un RF izvadi atsevišķi, izmantojot adaptīvo datu pārraides ātrumu (ADR).

3. Tīkla serveris

Lora tīkla serveris ir saskarne starp lietojumprogrammu serveri un vārtejām. Tas pārsūta komandas no lietojumprogrammu servera uz vārteju, vienlaikus pārvedot datus no vārtejām uz lietojumprogrammu serveri. Tas veic funkcijas, tostarp nodrošina, ka nav dublētu pakešu, ieplāno apstiprinājumus un pārvalda datu pārraides ātrumu un RF izvadi katrai gala ierīcei atsevišķi, izmantojot adaptīvās datu pārraides (ADR) shēmu.

4. Lietojumprogrammu serveris

Lietojumprogrammu serveris nosaka, kam tiek izmantoti dati no gala ierīcēm. Šeit, iespējams, tiek veikta datu vizualizācija utt.

LoRaWAN drošība un privātums

Drošības un privātuma nozīmi visos IoT risinājumos nevar pārāk uzsvērt. LoRaWAN protokols nosaka šifrēšanu, lai pārliecinātos, ka jūsu dati ir droši un konkrēti

* Atsevišķas ierīces AES128 taustiņi

* Tūlītēja ierīces atslēgu atjaunošana / atsaukšana

* Paketes lietderīgās slodzes šifrēšana datu privātumam

* Aizsardzība pret atkārtotiem uzbrukumiem

* Aizsardzība pret uzbrukumiem cilvēkam

LoRa izmanto divas atslēgas; Tīkla sesijas un lietojumprogrammu sesijas atslēgas abas nodrošina sadalītu, šifrētu komunikāciju tīkla pārvaldībai un lietojumprogrammu saziņai.

Tīkla sesijas atslēga, ko koplieto ierīce un tīkls, ir atbildīga par gala mezgla datu autentificēšanu, savukārt lietojumprogrammas sesijas atslēga, kas koplietota starp lietojumprogrammu un beigu mezglu, ir atbildīga par ierīces datu privātuma garantēšanu.

LoRAWAN galvenās iezīmes

*> 160 dB saites budžets

* +20 dBm TX jauda

* Izņēmuma IIP3

* 10dB selektivitātes uzlabošanās salīdzinājumā ar FSK

* Tolerants pret kanāla sprādziena traucējumiem

* Zemākā RX strāva - 10mA

* Zemākā miega strāva

* Īpaši ātra pamodināšana (miega režīms uz RX / TX)

LoRa priekšrocības

Zemāk ir minētas dažas priekšrocības, kas saistītas ar LoRa;

1. Liela darbības rādiuss un pārklājums: ar LOS diapazonu līdz 15 km, tā diapazonu nevar salīdzināt ar jebkura cita sakaru protokola diapazonu.

2. Zema jauda: LoRa piedāvā hiper zema enerģijas patēriņa radioaparātus, kas padara tos ideāli piemērotus ierīcēm, kas nepieciešamas vismaz 10 gadus