- Značilnosti LoRa
- LoRaWAN
- LoRaWAN omrežna arhitektura
- 1. Končne naprave
- 2. Prehodi
- 3. Omrežni strežnik
- 4. Strežnik aplikacij
- LoRaWAN Varnost in zasebnost
- Ključne značilnosti LoRAWAN-a
- Prednosti LoRa
Komunikacija je eden najpomembnejših delov vsakega IoT projekta. Sposobnost stvari, da komunicira z drugimi »stvarmi« (oblak naprave / strežnik), je tisto, kar daje tej stvari pravico, da svojemu imenu doda internet. Čeprav obstajajo tone komunikacijskih protokolov, jim manjka eno ali drugo, zaradi česar "niso popolnoma primerni" za IoT aplikacije. Glavne težave so poraba energije, domet / pokritost in pasovna širina.
Večina komunikacijskih radijskih postaj, kot so Zigbee, BLE, WiFi, je med drugim kratkega dosega, drugi, na primer 3G in LTE, pa so lačni, zato območja njihove pokritosti ni mogoče zagotoviti, zlasti v državah v razvoju. Medtem ko ti protokoli in načini komunikacije delujejo za določene projekte, prinaša obsežne omejitve; težave pri uvajanju IoT rešitev na območjih brez celične (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) pokritosti in zmanjšanje življenjske dobe baterij naprav. Tako je ob predvidevanju prihodnosti interneta stvari in povezave vseh vrst "stvari", ki se nahajajo na vseh vrstah krajev, obstajal potreben komunikacijski medij, prilagojen IoT, ki podpira njegove zahteve glede posebej nizke moči, bistveno velikega dosega, poceni, varno in enostavno za namestitev. Tu pride LoRa.
LoRa (kar pomeni Long Range) je patentirana tehnologija brezžične komunikacije, ki združuje izjemno majhno porabo energije z učinkovitim dolgim dosegom. Medtem ko je domet zelo odvisen od okolja in možnih ovir (LOS ali N-LOS), ima LoRa običajno območje med 13 in 15 km, kar pomeni, da lahko en sam LoRa prehod zagotavlja pokritost za celo mesto, z nekaj več pa celo država. Tehnologijo je razvil Cycleo v Franciji, do izraza pa je prišlo, ko je podjetje leta 2012 prevzel Semtech. Uporabili smo module LoRa z Arduino in Raspberry Pi, ki so delovali po pričakovanjih.
Značilnosti LoRa
Radio LoRa vsebuje nekaj funkcij, ki mu pomagajo doseči učinkovito moč na dolge razdalje in poceni. Nekatere od teh funkcij vključujejo;
- Modulacijska tehnika
- Pogostost
- Prilagodljive hitrosti prenosa podatkov
- Prilagodljivi nivoji moči
Modulacija
Lora radijski sprejemniki uporabljajo tehniko modulacije širjenja spektra, da dosežejo znatno visok obseg komunikacije, hkrati pa ohranijo značilnosti nizke moči, ki so podobne radijskim sprejemnikom na osnovi fizične plasti modulacije FSK. Medtem ko modulacija s širjenjem spektra že nekaj časa obstaja z aplikacijami v vojaških in vesoljskih komunikacijah, LoRa predstavlja prvo, poceni komercialno uporabo modulacijske tehnike.
Pogostost
Čeprav je tehnologija LoRa frekvenčno agnostična, komunikacija med radijskimi sprejemniki LoRa poteka z uporabo nelicenciranih radiofrekvenčnih pasov pod-GHz, ki so na voljo po vsem svetu. Te pogostosti se razlikujejo od regije do regije in se pogosto razlikujejo tudi med državami. Na primer, 868 MHz se običajno uporablja za komunikacije LoRa v Evropi, medtem ko se 915 MHz uporablja v Severni Ameriki. Ne glede na pogostost lahko LoRa uporabljate brez večjih sprememb v tehnologiji.
Frekvenčni pasovi za LoRa v različnih državah
Uporaba nižjih frekvenc od tistih v komunikacijskih modulih, kot je WiFi, ki temelji na pasovih ISM 2,4 ali 5,8 GHz, omogoča veliko večje območje pokritosti, zlasti za NLOS.
Pomembno je omeniti, da so v nekaterih državah še vedno potrebna dovoljenja, preden lahko začnete uporabljati nelicencirane pasove.
Prilagodljiva hitrost prenosa podatkov
LoRa uporablja kombinacijo spremenljive pasovne širine in faktorjev širjenja (SF7-SF12) za prilagoditev hitrosti prenosa podatkov v kompromisu z obsegom prenosa. Višji faktor širjenja omogoča daljši domet na račun nižje hitrosti prenosa podatkov in obratno. Kombinacijo pasovne širine in faktorja širjenja lahko izberemo glede na pogoje povezave in raven podatkov, ki jih bomo poslali. Tako višji faktor širjenja izboljša zmogljivost prenosa in občutljivost za določeno pasovno širino, poveča pa tudi čas prenosa kot rezultat nižjih hitrosti prenosa podatkov. Ti se lahko razlikujejo od 18bps do 40Kbp
Prilagodljiva raven moči
Raven moči, ki jo uporabljajo radijski sprejemniki LoRa, je prilagodljiva. Odvisno je med drugim od dejavnikov, kot so hitrost prenosa podatkov in pogoji povezave. Kadar je potreben hiter prenos, se oddana moč potisne bližje maksimumu in obratno. Tako je življenjska doba baterije podaljšana in zmogljivost omrežja ohranjena. Poraba energije je med številnimi drugimi dejavniki odvisna tudi od razreda naprav.
LoRaWAN
LoRaWAN je visoka zmogljivost, Long Range, odprt, nizke porabe Wide Area Network (LPWAN) standardno zasnovan za Lora Powered interneta stvari rešitve s strani Lora zavezništva. To je dvosmerni protokol, ki v celoti izkorišča vse funkcije tehnologije LoRa za zagotavljanje storitev, vključno z zanesljivo dostavo sporočil, varnostjo od kraja do konca, lokacijo in zmogljivostmi multicast. Standard zagotavlja interoperabilnost različnih omrežij LoRaWAN po vsem svetu.
Običajno pride do zmede, ko ljudje poskušajo definirati LoRa in LoRaWAN, kar je verjetno najbolje rešiti s preučevanjem modela referenčnega sklada OSI.
Preprosto povedano, na podlagi modela sklada OSI LoRaWAN ustreza protokolu Media Access za komunikacijsko omrežje, LoRa pa fizični plasti. Tako LoRaWAN definira komunikacijski protokol in arhitekturo sistema za omrežje, medtem ko arhitektura LoRa omogoča komunikacijsko povezavo na velike razdalje. Oba sta se združila, da bi zagotovila funkcionalnost, ki določa življenjsko dobo vozlišča, zmogljivost omrežja, kakovost storitve, varnost in druge aplikacije, ki jih omrežje uporablja. Medtem ko je LoRaWAN najbolj priljubljen sloj MAC za LoRa, obstajajo tudi drugi lastniški sloji, ki so prav tako zgrajeni na tehnologiji LoRa. Dober primer je povezava Symphony Link podjetja Labs, ki je posebej razvita za industrijske namene.
LoRaWAN omrežna arhitektura
V nasprotju s topologijo mrežnega omrežja, ki jo je sprejela večina omrežij, LoRaWAN uporablja arhitekturo omrežja zvezd, zato namesto da bi vsaka končna naprava bila skoraj vedno v stanju, ki ponavlja prenos iz drugih naprav za povečanje dosega, končne naprave v omrežju LoRaWAN. komunicirajo neposredno s prehodi in so vklopljeni le, kadar morajo komunicirati s prehodom, saj domet ni problem. To prispeva k značilnostim nizke porabe energije in dolge življenjske dobe baterije, dosežene v končnih napravah LoRa
LoRa Network Architecture je sestavljen iz štirih glavnih delov;
1. Končne naprave
2. Prehodi
3. Omrežni strežnik
4. Strežnik aplikacij
1. Končne naprave
To so senzorji ali aktuatorji na robu omrežja. Končne naprave služijo različnim aplikacijam in imajo različne zahteve. Za optimizacijo različnih profilov končnih aplikacij LoRaWAN ™ uporablja tri različne razrede naprav, za katere je mogoče konfigurirati končne naprave. Razredi vsebujejo kompromise med zakasnitvijo komunikacije navzdol in življenjsko dobo naprave.Trije glavni razredi so;
1. Dvosmerne končne naprave (razred A)
2. Dvosmerne končne naprave z razporejenimi režami za sprejem (razred B)
3. Dvosmerne končne naprave z največjimi režami za sprejem (razred C)
jaz. Končne naprave razreda A
To so naprave, ki od strežnika r zahtevajo le komunikacijo navzdol neposredno po povezavi navzgor. To so na primer naprave, ki morajo po strežniku po dohodni povezavi od strežnika prejeti potrditev dostave sporočil. Za ta razred naprav morajo počakati, da se strežniku pošlje povezava navzgor, preden lahko prejmejo katero koli povezavo navzdol. Kot rezultat tega je komunikacija minimalna, zato imajo najmanjšo porabo energije in najdaljšo življenjsko dobo baterije. Dober primer naprav razreda A je pametni merilnik energije, ki temelji na LoRa
ii. Končne naprave razreda B
Tem napravam se v rednih intervalih dodelijo dodatna okna za povezavo navzdol, poleg prejete povezave, ki jo prejmejo ob pošiljanju povezave navzgor (razred A + načrtovana dodatna povezava navzdol). Načrtovana narava te povezave navzdol zagotavlja, da je delovanje še vedno nizko, saj je komunikacija aktivna le v načrtovanih intervalih, vendar dodatna poraba energije med načrtovano povezavo navzdol poveča porabo energije večjo od porabe naprav razreda A, saj imajo tako nižji življenjsko dobo v primerjavi s končnimi napravami razreda A.
iii. Končne naprave razreda C
Ta razred naprav nima omejitev glede povezave navzdol. Zasnovani so tako, da so skoraj vedno odprti za komunikacijo s strežnika. Porabijo več energije kot drugi razredi in imajo najkrajšo življenjsko dobo baterije. Dobri primeri naprav razreda C so končne naprave, ki se uporabljajo pri upravljanju voznega parka ali dejanskem nadzoru prometa.
2. Prehodi
Prehodi (imenovani tudi koncentratorji) so naprave, povezane z omrežnim strežnikom prek standardnih IP povezav, ki posredujejo sporočila med centralnim omrežjem osrednjega omrežja in končnimi napravami z uporabo protokola brezžične komunikacije z enim skokom. Zasnovani so tako, da podpirajo dvosmerno komunikacijo in so opremljeni z večkanalnim pošiljanjem, ki programski opremi omogoča pošiljanje sporočil o množični distribuciji, kot so posodobitve po zraku.
V središču vsakega prehoda LoRa je večkanalni demodulator LoRa, ki lahko vzporedno dekodira vse različice modulacije LoRa na več frekvencah.
Za obsežnega omrežnega operaterja bi morali biti ključni dejavniki ločljivosti radijska zmogljivost (občutljivost, moč pošiljanja), povezava čipa SX1301 s prehodnim MCU (USB v SPI ali SPI v SPI) ter podpora in distribucija PPS signal, katerega razpoložljivost omogoča natančno časovno sinhronizacijo celotne populacije prehoda v omrežju
LoRa širi komunikacijo med končnimi napravami in prehodi po več frekvenčnih kanalih in hitrostih prenosa podatkov. Tehnologija razširjenega spektra uporablja hitrosti prenosa podatkov od 0,3 kbps do 50 kbps, da prepreči medsebojno motenje komunikacij in ustvarja nabor "virtualnih" kanalov, ki povečujejo zmogljivost prehoda.
Da bi kar najbolj podaljšali življenjsko dobo končnih naprav in celotno omrežno zmogljivost, omrežni strežnik LoRa upravlja s hitrostjo prenosa podatkov in RF izhodom za vsako končno napravo posebej s pomočjo sheme prilagodljive hitrosti prenosa podatkov (ADR).
3. Omrežni strežnik
Lora Network server je vmesnik med aplikacijskim strežnikom in prehodi. Prenaša ukaze s strežnika aplikacij na prehod, medtem ko podatke s prehodov prenaša na strežnik aplikacij. Izvaja funkcije, vključno z zagotavljanjem, da ni podvojenih paketov, načrtovanjem potrditev in upravljanjem hitrosti prenosa podatkov in RF izhodov za vsako končno napravo posebej s pomočjo sheme prilagodljive hitrosti prenosa podatkov (ADR).
4. Strežnik aplikacij
Aplikacijski strežnik določi, čemu se uporabljajo podatki iz končnih naprav. Tukaj se verjetno izvaja vizualizacija podatkov itd.
LoRaWAN Varnost in zasebnost
Pomembnosti varnosti in zasebnosti v kateri koli rešitvi interneta stvari ni mogoče preveč poudarjati. Protokol LoRaWAN določa šifriranje, ki zagotavlja, da so vaši podatki konkretno varni
* Tipke AES128 na napravo
* Takojšnja regeneracija / preklic ključev naprave
* Šifriranje koristnega tovora po paketu za zasebnost podatkov
* Zaščita pred ponovnimi napadi
* Zaščita pred napadi človeka v sredini
LoRa uporablja dve tipki; Ključi Network Session in Application Session zagotavljata deljeno šifrirano komunikacijo za upravljanje omrežja in komunikacijo aplikacij.
Ključ seje omrežja, ki si ga naprava deli z omrežjem, je odgovoren za preverjanje pristnosti podatkov končnega vozlišča, medtem ko je ključ seje programa, ki si ga delita aplikacija in končno vozlišče, odgovoren za zagotavljanje zasebnosti podatkov naprave.
Ključne značilnosti LoRAWAN-a
*> Proračun povezave 160 dB
* +20 dBm moči TX
* Izjemen IIP3
* Izboljšanje selektivnosti za 10 dB v primerjavi s FSK
* Tolerantno na interferenčne interference v kanalu
* Najnižji RX tok - 10mA
* Najnižji tok spanja
* Ultrahitro bujenje (spanje do RX / TX)
Prednosti LoRa
Spodaj je nekaj prednosti, povezanih z LoRa;
1. Dolg doseg in pokritost: Z dosegom do 15 km LOS dosega ni mogoče primerjati z dosegom katerega koli drugega komunikacijskega protokola.
2. Nizka poraba : LoRa ponuja radijske sprejemnike s hiper nizko porabo, zaradi česar so idealni za naprave, ki potrebujejo 10 let oz