Lora ir lorawan įvadas: kas yra lora ir kaip ji veikia?

Bendravimas yra viena iš svarbiausių bet kurio IoT projekto dalių. Daikto sugebėjimas bendrauti su kitais „daiktais“ (įrenginio debesimi / serveriu) suteikia „daiktui“ teisę prijungti „internetą“ prie jo pavadinimo. Nors egzistuoja daugybė ryšių protokolų, kiekvienam iš jų trūksta vieno ar kito dalyko, dėl kurio jie „nėra visiškai tinkami“ IoT programoms. Pagrindinės problemos yra energijos suvartojimas, diapazonas / aprėptis ir pralaidumas.

Daugelis ryšių radijo imtuvų, pvz., „Zigbee“, „BLE“, „WiFi“, yra mažo nuotolio, o kiti, pvz., „3G“ ir „LTE“, alkani, todėl jų aprėpties zonų plotas negali būti garantuotas, ypač besivystančiose šalyse. Nors šie protokolai ir komunikacijos režimai veikia tam tikruose projektuose, tai kelia daug apribojimų, pavyzdžiui; sunkumai diegiant IoT sprendimus vietovėse, kuriose nėra korinio ryšio (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) aprėptis, ir bendras prietaisų akumuliatoriaus veikimo trukmės sumažėjimas. Taigi, numatant daiktų interneto ateitį ir visokiausių „daiktų“, esančių visose vietose, sujungimą, reikėjo specialiai internetui pritaikytos ryšių terpės, kuri palaiko specialiai mažos galios, žymiai didelio nuotolio reikalavimus, pigus, saugus ir lengvai pritaikomas. Čia atsiranda LoRa.

„LoRa“ (tai reiškia „ Long Range“) yra patentuota belaidžio ryšio technologija, kuri sujungia ypač mažą energijos suvartojimą su efektyviu tolimu nuotoliu. Nors diapazonas labai priklauso nuo aplinkos ir galimų kliūčių (LOS arba N-LOS), „ LoRa “ diapazonas paprastai yra nuo 13 iki 15 km, o tai reiškia, kad vieni „ LoRa“ vartai gali aprėpti visą miestą, o dar su dar pora - visuma. Šalis. Šią technologiją sukūrė „Cycleo“ Prancūzijoje ir ji pasirodė, kai įmonę 2012 m. Įsigijo „Semtech“. „ LoRa“ modulius naudojome su „Arduino“ ir „ Raspberry Pi“ ir jie dirbo taip, kaip tikėtasi.

LoRa ypatybės

„LoRa“ radiją sudaro kelios funkcijos, padedančios pasiekti efektyvų nuotolį ir mažą nuotolį. Kai kurios iš šių savybių yra:

1. Moduliavimo technika
2. Dažnis
3. Adaptyvios duomenų normos
4. Adaptyvūs galios lygiai

Moduliacija

„Lora“ radijo imtuvuose naudojama chirp išplito spektro moduliacijos technika, kad būtų pasiektas žymiai didelis ryšio diapazonas, išlaikant mažos galios charakteristikas, kurios yra panašios į FSK moduliacijos fizinio sluoksnio radijo imtuvus. Nors chirp išplito spektro moduliacija jau kurį laiką buvo naudojama karinėse ir kosminėse komunikacijose, LoRa pateikia pirmąjį pigų komercinį moduliacijos technikos pritaikymą.

Dažnis

Nors „LoRa“ technologija yra dažnio agnostika, ryšys tarp „LoRa“ radijo imtuvų vyksta naudojant nelicencijuotas sub-GHz radijo dažnių juostas, kurios yra prieinamos visame pasaulyje. Šie dažniai skiriasi priklausomai nuo regiono ir dažnai skiriasi skirtingose ​​šalyse. Pavyzdžiui, 868MHz dažniausiai naudojamas „LoRa“ ryšiams Europoje, o 915MHz - Šiaurės Amerikoje. Nepriklausomai nuo dažnio, LoRa gali būti naudojamas be didelių technologinių pokyčių.

„LoRa“ dažnio juostos skirtingose ​​šalyse

Naudojant žemesnius dažnius nei tie komunikacijos moduliai, kaip „WiFi“, pagrįstas 2,4 arba 5,8 GHz ISM juostomis, galima žymiai didesnį aprėpties plotą, ypač esant NLOS situacijoms.

Svarbu pažymėti, kad kai kuriose šalyse vis dar reikalingi leidimai, kad būtų galima naudoti nelicencijuotas juostas.

Adaptyvus duomenų perdavimo greitis

„LoRa“ naudoja kintamo dažnių juostos pločio ir sklaidos veiksnių derinį (SF7-SF12), kad duomenų perdavimo sparta būtų suderinta su perdavimo diapazonu. Didesnis sklaidos koeficientas leidžia ilgesnį diapazoną mažesnio duomenų perdavimo spartos sąskaita ir atvirkščiai. Pralaidumo ir sklaidos faktoriaus derinį galima pasirinkti atsižvelgiant į ryšio sąlygas ir perduodamų duomenų lygį. Taigi didesnis sklaidos faktorius pagerina perdavimo našumą ir jautrumą tam tikram pralaidumui, tačiau taip pat padidina perdavimo laiką dėl mažesnio duomenų perdavimo greičio. Jie gali skirtis nuo vos 18 kbps iki 40 kbps

Adaptyvus galios lygis

„LoRa“ radijo imtuvų galios lygis yra prisitaikantis. Tai priklauso nuo tokių veiksnių kaip duomenų perdavimo sparta ir ryšio sąlygos. Kai reikalingas greitas perdavimas, perduodama galia priartinama prie maksimalaus ir atvirkščiai. Taigi akumuliatoriaus tarnavimo laikas yra maksimalus ir palaikoma tinklo talpa. Elektros energijos suvartojimas taip pat priklauso nuo prietaisų klasės tarp kelių kitų veiksnių.

LoRaWAN

„LoRaWAN“ yra didelės talpos, didelio nuotolio, atviras, mažos galios plačiajuosčio tinklo (LPWAN) standartas, sukurtas „ LoRa“ aljanso „ LoRa Powered IoT Solutions “. Tai yra dvikryptis protokolas, kuris visapusiškai naudojasi visomis „LoRa“ technologijos savybėmis teikdamas paslaugas, įskaitant patikimą pranešimų pristatymą, saugumą iki galo, vietos nustatymą ir daugiaadresio perdavimo galimybes. Standartas užtikrina įvairių „LoRaWAN“ tinklų sąveiką visame pasaulyje.

Paprastai yra mišinys, kai žmonės bando apibrėžti LoRa ir LoRaWAN, kuriuos tikriausiai geriausiai išspręsti tiriant OSI etaloninio kamino modelį.

Paprasčiau tariant, remiantis OSI kamino modeliu, LoRaWAN atitinka komunikacijos tinklo „ Media Access“ protokolą, o „ LoRa“ - fizinį sluoksnį. Taigi LoRaWAN apibrėžia tinklo ryšio protokolą ir sistemos architektūrą, o LoRa architektūra įgalina tolimojo ryšio ryšį. Jie abu susijungė, kad suteiktų funkciją, kuri lemia mazgo akumuliatoriaus tarnavimo laiką, tinklo talpą, paslaugų kokybę, saugumą ir kitas tinklo aptarnaujamas programas. Nors „LoRaWAN“ yra populiariausias „LoRa“ MAC sluoksnis, egzistuoja ir kiti patentuoti sluoksniai, kurie taip pat yra sukurti naudojant „LoRa“ technologiją. Geras pavyzdys yra „Link Labs“ „Symphony link“, specialiai sukurta pramoninėms reikmėms.

„LoRaWAN“ tinklo architektūra

Priešingai daugumos tinklų priimtai tinklo tinklo topologijai, „LoRaWAN“ naudoja žvaigždžių tinklo architektūrą, taigi, užuot kiekvienam galutiniam įrenginiui beveik visada veikiant būsenai, pakartodamas perdavimą iš kitų įrenginių, kad padidintų diapazoną, „LoRaWAN“ tinkle esantys galiniai įrenginiai. bendrauja tiesiogiai su šliuzais ir yra įjungti tik tada, kai jiems reikia bendrauti su šliuzais, nes diapazonas nėra problema. Tai prisideda prie „LoRa“ galinių prietaisų mažos galios funkcijų ir ilgos baterijos naudojimo

„LoRa“ tinklo architektūrą sudaro keturios pagrindinės dalys;

1. Pabaigos įrenginiai

2. Vartai

3. Tinklo serveris

4. Programų serveris

1. Pabaigos įrenginiai

Tai jutikliai arba pavaros tinklo krašte. Galiniai prietaisai tarnauja skirtingoms programoms ir turi skirtingus reikalavimus. Siekdamas optimizuoti įvairius galutinių programų profilius, „LoRaWAN ™“ naudoja tris skirtingas įrenginių klases, kurioms gali būti sukonfigūruoti galiniai įrenginiai. Klasėse yra kompromisai tarp „downlink“ ryšio delsos ir įrenginio baterijos veikimo laiko.

Trys pagrindinės klasės yra:

1. Dvikryptiai galiniai įtaisai (A klasė)

2. Dvikryptiai galiniai įtaisai su numatytomis priėmimo angomis (B klasė)

3. Dvikryptiai galiniai įtaisai su maksimaliais priėmimo angomis (C klasė)

i. A klasės galiniai įrenginiai

Tai yra įrenginiai, kuriems reikalingas žemyninio ryšio ryšys tik iš „ r“ iš karto po „Uplink“. Pavyzdžiui, tai yra įrenginiai, kuriems reikia gauti pranešimų pristatymo patvirtinimą iš serverio po pakėlimo nuorodos. Šios klasės prietaisams jie turi palaukti, kol į serverį bus išsiųsta „Uplink“ nuoroda, kad būtų galima gauti bet kurią žemyn nukreiptą nuorodą. Dėl to ryšys yra minimalus, todėl jie veikia mažiausiomis energijos sąnaudomis ir ilgiausiu akumuliatoriaus tarnavimo laiku. Geras A klasės prietaisų pavyzdys yra LoRa pagrįstas išmanusis energijos matuoklis

ii. B klasės galiniai įtaisai

Šiems įrenginiams yra numatyti papildomi „downlink“ langai suplanuotais intervalais, be to, kad jis yra gaunamas siunčiant aukštynkryptę nuorodą (A klasė + suplanuota papildoma nuoroda). Suplanuotas šio „downlink“ pobūdis užtikrina, kad operacija vis tiek yra maža, nes ryšys yra aktyvus tik suplanuotais intervalais, tačiau papildoma suplanuota „downlink“ metu suvartojama energija padidina energijos sąnaudas, viršijančias A klasės prietaisų energijos suvartojimą, todėl jie turi mažesnę bateriją gyvenimą, palyginti su A klasės galutiniais prietaisais.

iii. C klasės galiniai įrenginiai

Šios klasės prietaisai neturi apribojimų žemyn nukreiptiems ryšiams. Jie sukurti taip, kad beveik visada būtų atviri ryšiams iš serverio. Jie sunaudoja daugiau energijos nei kitos klasės ir turi mažiausiai baterijos. Geri C klasės prietaisų pavyzdžiai yra galutiniai įrenginiai, naudojami valdant parką ar tikram eismo stebėjimui.

2. Vartai

Vartai (dar vadinami koncentratoriais) yra įrenginiai, prijungti prie tinklo serverio per standartines IP jungtis, kurie perduoda pranešimus tarp centrinio tinklo serverio vidinės sistemos ir galutinių įrenginių, naudodami vieno šuolio belaidžio ryšio protokolą. Jie skirti palaikyti dvikryptį ryšį ir turi daugialypį siuntimą, leidžiantį programinei įrangai siųsti masinio platinimo pranešimus, pvz., Naujinius ore.

Kiekvieno „LoRa“ šliuzo esmė yra daugiakanalis „LoRa“ demoduliatorius, galintis lygiagrečiai iššifruoti visus LoRa moduliacijos variantus keliais dažniais.

Didelio masto tinklo operatoriui pagrindiniai skiriamieji veiksniai turėtų būti radijo našumas (jautrumas, siuntimo galia), SX1301 lusto prijungimas prie šliuzo MCU (USB į SPI arba SPI prie SPI) ir PPS palaikymas bei paskirstymas. signalas, kurio prieinamumas leidžia tiksliai sinchronizuoti laiką visoje tinklo šliuzų populiacijoje

„LoRa“ skleidžia ryšį tarp galutinių įrenginių ir šliuzų keliais dažnio kanalais ir duomenų perdavimo sparta. Skleisto spektro technologija naudoja duomenų perdavimo spartą nuo 0,3 kbps iki 50 kbps, kad ryšiai netrukdytų vienas kitam, ir sukuria „virtualių“ kanalų rinkinį, kuris padidina šliuzo pajėgumą.

Siekdamas maksimaliai padidinti galutinių įrenginių baterijos veikimo laiką ir bendrą tinklo talpą, „LoRa“ tinklo serveris valdo kiekvieno galinio įrenginio duomenų perdavimo spartą ir radijo dažnių išvestį atskirai, naudodamasis adaptyvia duomenų perdavimo sparta (ADR).

3. Tinklo serveris

„Lora“ tinklo serveris yra sąsaja tarp programų serverio ir šliuzų. Jis perduoda komandas iš „Application Server“ į šliuzą, tuo tarpu keldamas duomenis iš „gateway“ į „serverio“ serverį. Jis atlieka funkcijas, įskaitant užtikrinimą, kad nėra pasikartojančių paketų, suplanuoja patvirtinimus ir valdo duomenų perdavimo greitį ir radijo dažnių išvestį kiekvienam galutiniam įrenginiui atskirai, naudodamasis adaptyvia duomenų perdavimo sparta (ADR).

4. Programų serveris

Programų serveris nustato, kam naudojami galutinių įrenginių duomenys. Čia tikriausiai atliekama duomenų vizualizacija ir kt.

„LoRaWAN“ sauga ir privatumas

Negalima pernelyg pabrėžti saugumo ir privatumo svarbos bet kuriame IoT sprendime. „LoRaWAN“ protokolas nurodo šifravimą, kad jūsų duomenys būtų saugūs ir konkrečiai

* Kiekvieno įrenginio AES128 raktai

* Momentinis prietaiso raktų atkūrimas / atšaukimas

* Paketo naudingosios apkrovos šifravimas siekiant užtikrinti duomenų privatumą

* Apsauga nuo pakartojimų atakų

* Apsauga nuo žmogaus viduryje atakų

LoRa naudoja du raktus; „Network Session“ ir „Application Session“ raktai teikia padalytą, užšifruotą ryšį tinklo valdymui ir programų ryšiui.

Tinklo sesijos raktas, bendrai naudojamas įrenginyje ir tinkle, yra atsakingas už galutinio mazgo duomenų autentiškumą, o programos sesijos raktas, kuriuo dalijasi programa ir galinis mazgas, - už prietaiso duomenų privatumo garantavimą.

Pagrindinės „LoRAWAN“ savybės

*> 160 dB ryšio biudžetas

* +20 dBm TX galia

* Išskirtinis IIP3

* 10 dB selektyvumo pagerinimas, palyginti su FSK

* Tolerantiški kanalo sprogimams

* Mažiausia RX srovė - 10mA

* Mažiausia miego srovė

* Itin greitas pabudimas (miego režimas iki RX / TX)

LoRa pranašumai

Žemiau yra keletas pranašumų, susijusių su LoRa;

1. Ilgas nuotolis ir aprėptis: turint iki 15 km LOS nuotolį, jo nuotolio negalima palyginti su bet kurio kito ryšio protokolo diapazonu.

2. Mažos galios: „ LoRa“ siūlo labai mažos galios radijo imtuvus, todėl jie idealiai tinka prietaisams, kurių reikia 10 ar daugiau metų