Uvod u lora i lorawan: što je lora i kako to djeluje?

Komunikacija je jedan od najvažnijih dijelova bilo kojeg IoT projekta. Sposobnost stvari da komunicira s drugim "stvarima" (oblak uređaja / poslužitelj) ono je što "stvari" daje pravo da svom imenu pridruži "internet". Iako postoji mnoštvo komunikacijskih protokola, svakom od njih nedostaje jedno ili drugo što ih čini "ne baš pogodnima" za IoT aplikacije. Glavni problemi su potrošnja energije, domet / pokrivenost i propusnost.

Većina komunikacijskih radija poput Zigbeea, BLE-a, WiFi-a, među ostalima su kratkog dometa, a drugi poput 3G i LTE-a gladni su energije i ne može se zajamčiti raspon njihovih područja pokrivanja, posebno u zemljama u razvoju. Iako ti protokoli i načini komunikacije rade za određene projekte, to donosi opsežna ograničenja poput; poteškoće u primjeni IoT rješenja u područjima bez mobilne (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) pokrivenosti i bruto smanjenje trajanja baterije uređaja. Dakle, predviđajući budućnost IoT-a i povezivanje svih vrsta "stvari", smještenih na svim vrstama mjesta, postojala je potreba za komunikacijskim medijem po mjeri IoT-a koji podržava njegove zahtjeve posebno male snage, znatno dugog dometa, jeftin, siguran i lak za postavljanje. Ovdje dolazi LoRa.

LoRa (što znači Long Range) je patentirana tehnologija bežične komunikacije koja kombinira ultra nisku potrošnju energije s učinkovitim velikim dometom. Iako domet uvelike ovisi o okolišu i mogućim preprekama (LOS ili N-LOS), LoRa obično ima raspon između 13-15 km, što znači da jedan LoRa pristupnik može pružiti pokrivenost cijelom gradu, a s još nekoliko i cijelom zemlja. Tehnologiju je razvio Cycleo u Francuskoj, a došla je do izražaja kada je tvrtku Semtech stekao 2012. godine. Koristili smo LoRa module s Arduinom i s Raspberry Pi i radili su kako se očekivalo.

Značajke LoRa

LoRa radio sastoji se od nekoliko značajki koje mu pomažu u postizanju učinkovite snage dugog dometa i niske cijene. Neke od ovih značajki uključuju;

1. Tehnika modulacije
2. Frekvencija
3. Prilagodljive brzine podataka
4. Prilagodljivi nivoi snage

Modulacija

Lora radio uređaji koriste se tehnikom modulacije širokopojasnog spektra kako bi postigli značajno visok opseg komunikacije, zadržavajući pritom karakteristike male snage koje su slične radiotelevizijskim zaslonima na osnovi FSK modulacije. Iako je modulacija širokopojasnog spektra prisutna već neko vrijeme s aplikacijama u vojnim i svemirskim komunikacijama, LoRa predstavlja prvu, jeftinu komercijalnu primjenu tehnike modulacije.

Frekvencija

Iako je LoRa tehnologija agnostička frekvencija, komunikacija između LoRa radija događa se korištenjem nelicenciranih opsega radio-frekvencija pod-GHz koji su dostupni širom svijeta. Te se frekvencije razlikuju od regije do regije, a često se razlikuju i među zemljama. Na primjer, 868 MHz se obično koristi za LoRa komunikacije u Europi, dok se 915 MHz koristi u Sjevernoj Americi. Bez obzira na učestalost, LoRa se može koristiti bez većih promjena u tehnologiji.

Frekvencijski opsezi za LoRa u različitim zemljama

Korištenje nižih frekvencija od onih u komunikacijskim modulima poput WiFi-a temeljenog na 2,4 ili 5,8 GHz ISM opsezima omogućuje puno veće područje pokrivanja, posebno za NLOS situacije.

Važno je napomenuti da su dopuštenja još uvijek potrebna u nekim zemljama prije nego što se mogu koristiti nelicencirani opsezi.

Prilagodljiva brzina podataka

LoRa koristi kombinaciju promjenjive širine pojasa i faktora širenja (SF7-SF12) da prilagodi brzinu podataka u razmjeni s opsegom prijenosa. Veći faktor širenja omogućuje veći domet na štetu niže brzine prijenosa podataka i obrnuto. Kombinacija širine pojasa i faktora širenja može se odabrati prema uvjetima veze i razini podataka koji se prenose. Dakle, veći faktor širenja poboljšava performanse prijenosa i osjetljivost za danu širinu pojasa, ali također povećava vrijeme prijenosa kao rezultat nižih brzina prijenosa podataka. Oni mogu varirati od samo 18bps do 40Kbp

Prilagodljiva razina snage

Razina snage koju koriste radio stanice LoRa prilagodljiva je. Ovisi o čimbenicima poput brzine prijenosa podataka i uvjeta veze. Kada je potreban brzi prijenos, odabrana snaga se približava maksimumu i obrnuto. Dakle, trajanje baterije je maksimalizirano, a mrežni kapacitet se održava. Potrošnja energije također ovisi o klasi uređaja među nekoliko drugih čimbenika.

LoRaWAN

LoRaWAN je standard velikog kapaciteta, dugog dometa, otvorene mreže širokog područja male snage (LPWAN), dizajniran za LoRa IoT rješenja od strane LoRa Alliancea. Riječ je o dvosmjernom protokolu koji u potpunosti iskorištava sve značajke LoRa tehnologije za pružanje usluga, uključujući pouzdanu dostavu poruka, sigurnost do kraja, lokaciju i mogućnosti multicast-a. Standard osigurava interoperabilnost različitih LoRaWAN mreža širom svijeta.

Obično se dogodi miješanje kad ljudi pokušaju definirati LoRa i LoRaWAN, što je vjerojatno najbolje riješiti ispitivanjem OSI modela referentnog stoga.

Jednostavno rečeno, LoRaWAN na temelju OSI modela sloga odgovara protokolu Media Access za komunikacijsku mrežu, dok LoRa odgovara fizičkom sloju. Tako LoRaWAN definira komunikacijski protokol i arhitekturu sustava za mrežu, dok LoRa arhitektura omogućuje komunikaciju dugog dometa. Njih su se dvije spojile kako bi pružile funkcionalnost koja određuje vijek trajanja baterije čvora, kapacitet mreže, kvalitetu usluge, sigurnost i druge programe koje mreža opslužuje. Iako je LoRaWAN najpopularniji MAC sloj za LoRa, postoje i drugi zaštićeni slojevi koji su također izgrađeni na LoRa tehnologiji. Dobar je primjer Symphony link tvrtke Link Labs koji je posebno razvijen za industrijske primjene.

LoRaWAN mrežna arhitektura

Nasuprot topologiji mrežaste mreže koju je usvojila većina mreža, LoRaWAN koristi arhitekturu zvjezdaste mreže, pa umjesto da svaki krajnji uređaj bude u gotovo uvijek stanju, ponavljajući prijenos s drugih uređaja radi povećanja dometa, krajnji uređaji u mreži LoRaWAN komuniciraju izravno s pristupnicima i uključeni su samo kad trebaju komunicirati s pristupnikom, jer domet nije problem. To je faktor koji pridonosi značajkama slabe snage i velikom trajanju baterije dobivenim na završnim uređajima LoRa

LoRa mrežna arhitektura sastoji se od četiri glavna dijela;

1. Završni uređaji

2. Pristupnici

3. Mrežni poslužitelj

4. Poslužitelj aplikacija

1. Završni uređaji

To su senzori ili aktuatori na rubu mreže. Krajnji uređaji služe različitim aplikacijama i imaju različite zahtjeve. Kako bi optimizirao razne profile krajnjih aplikacija, LoRaWAN ™ koristi tri različite klase uređaja na koje se krajnji uređaji mogu konfigurirati. Predavanja sadrže kompromise između kašnjenja komunikacije donje veze i trajanja baterije uređaja.

Tri su glavna razreda;

1. Dvosmjerni krajnji uređaji (klasa A)

2. Dvosmjerni krajnji uređaji s predviđenim prorezima za prijem (klasa B)

3. Dvosmjerni krajnji uređaji s maksimalnim prihvatnim utorima (klasa C)

ja Krajnji uređaji klase A

To su uređaji koji zahtijevaju samo komunikaciju dolazne veze s poslužitelja r odmah nakon uzlazne veze. Na primjer, to su uređaji koji trebaju primiti potvrdu o isporuci poruke od poslužitelja nakon uzlazne veze. Za ovu klasu uređaja moraju pričekati dok se ne pošalje uplink na poslužitelj prije nego što se može primiti bilo koja downlink. Kao rezultat toga, komunikacija se održava na minimumu i oni tako imaju najmanje napajanje i najdulji vijek trajanja baterije. Dobar primjer uređaja klase A je pametni mjerač energije zasnovan na LoRa

ii. Krajnji uređaji klase B

Ovim uređajima dodijeljeni su dodatni prozori za odlaznu vezu u zakazanim intervalima, pored odlazne veze primljene prilikom slanja odlazne veze (klasa A + zakazana dodatna donja veza). Zakazana priroda ove silazne veze osigurava da je rad i dalje slabe energije, jer je komunikacija aktivna samo u zakazanim intervalima, ali dodatna snaga koja se troši tijekom planirane silazne veze povećava potrošnju energije veću od one kod uređaja klase A, jer takvi imaju nižu bateriju životni vijek u usporedbi s krajnjim uređajima klase A.

iii. Krajnji uređaji klase C

Ova klasa uređaja nema ograničenja na downlink. Oni su dizajnirani da budu gotovo uvijek otvoreni za komunikaciju s poslužitelja. Oni troše više energije od ostalih razreda i imaju najniži vijek trajanja baterije. Dobri primjeri uređaja klase C su krajnji uređaji koji se koriste u upravljanju voznim parkom ili stvarnom nadzoru prometa.

2. Pristupnici

Pristupnici (također poznati i kao koncentratori) su uređaji povezani na mrežni poslužitelj putem standardnih IP veza koji prenose poruke između pozadine središnjeg mrežnog poslužitelja i krajnjih uređaja koristeći jednokratni protokol bežične komunikacije. Dizajnirani su za podršku dvosmjerne komunikacije i opremljeni su multicast-om koji omogućava softveru slanje masovnih distribucijskih poruka poput bežičnih ažuriranja.

U središtu svakog LoRa pristupnika je višekanalni LoRa demodulator sposoban paralelno dekodirati sve inačice LoRa modulacije na nekoliko frekvencija.

Za velike mrežne operatore ključni čimbenici koji bi razlikovali trebali bi biti radijske performanse (osjetljivost, snaga slanja), veza čipa SX1301 na MCU pristupnika (USB na SPI ili SPI na SPI) i podrška i distribucija PPS signal čija dostupnost omogućuje preciznu vremensku sinkronizaciju za cijelu populaciju pristupnika u mreži

LoRa širi komunikaciju između krajnjih uređaja i pristupnika na više frekvencijskih kanala i brzine prijenosa podataka. Tehnologija širenog spektra koristi brzine prijenosa podataka u rasponu od 0,3 kbps do 50 kbps kako bi spriječila međusobnu interferenciju i stvara skup "virtualnih" kanala koji povećavaju kapacitet gatewaya.

Da bi se maksimalizirao vijek trajanja baterije krajnjih uređaja i ukupni mrežni kapacitet, mrežni poslužitelj LoRa upravlja brzinom podataka i RF izlazom za svaki krajnji uređaj pojedinačno putem sheme prilagodljive brzine prijenosa podataka (ADR).

3. Mrežni poslužitelj

Lora Network server je sučelje između aplikacijskog poslužitelja i pristupnika. Prenosi naredbe s aplikacijskog poslužitelja na pristupnik tijekom prenošenja podataka s pristupnika na aplikacijski poslužitelj. Izvršava funkcije, uključujući osiguravanje da nema dupliciranih paketa, planiranje potvrda i upravljanje brzinom podataka i RF izlazom za svaki krajnji uređaj pojedinačno, koristeći shemu prilagodljive brzine prijenosa podataka (ADR).

4. Poslužitelj aplikacija

Poslužitelj aplikacija određuje za što se koriste podaci s krajnjih uređaja. Ovdje se vjerojatno obavlja vizualizacija podataka itd.

LoRaWAN Sigurnost i privatnost

Važnost sigurnosti i privatnosti u bilo kojem IoT rješenju ne može se previše naglasiti. LoRaWAN protokol određuje šifriranje kako bi se osiguralo da su vaši podaci konkretno sigurni

* AES128 tipke po uređaju

* Trenutačna regeneracija / opoziv ključeva uređaja

* Šifriranje korisnog tereta po paketu za privatnost podataka

* Zaštita od ponovnih napada

* Zaštita od napada čovjek-u-sredini

LoRa koristi dva ključa; Ključevi mrežne sesije i sesije aplikacija pružaju podijeljenu šifriranu komunikaciju za upravljanje mrežom i komunikaciju aplikacija.

Ključ mrežne sesije, koji se dijeli između uređaja i mreže, odgovoran je za provjeru autentičnosti podataka krajnjeg čvora, dok je ključ sesije aplikacije, koji se dijeli između aplikacije i krajnjeg čvora, odgovoran za jamčenje privatnosti podataka uređaja.

Ključne značajke LoRAWAN-a

*> 160 dB proračun veze

* +20 dBm TX snage

* Izuzetan IIP3

* Poboljšanje selektivnosti od 10 dB u odnosu na FSK

* Tolerantan na rafalne smetnje u kanalu

* Najniža RX struja - 10mA

* Najniža struja spavanja

* Izuzetno brzo buđenje (spavanje do RX / TX)

Prednosti LoRa

Ispod su neke od prednosti povezanih s LoRa;

1. Veliki domet i pokrivenost: S dometom do 15 km LOS, njegov domet se ne može usporediti s onim bilo kojeg drugog komunikacijskog protokola.

2. Niska snaga: LoRa nudi radio s hiper niskom snagom što ih čini idealnim za uređaje za koje treba trajati 10 godina ili