Εισαγωγή στη lora και το lorawan: τι είναι η lora και πώς λειτουργεί;

Η επικοινωνία είναι ένα από τα πιο σημαντικά μέρη οποιουδήποτε έργου IoT. Η ικανότητα ενός πράγμα να επικοινωνεί με άλλα «πράγματα» (ένα σύννεφο / διακομιστής συσκευής) είναι αυτό που δίνει στο «πράγμα» το δικαίωμα να συνδέσει το «Διαδίκτυο» στο όνομά του. Ενώ υπάρχουν τόνοι πρωτοκόλλων επικοινωνίας, καθένα από αυτά δεν έχει το ένα ή το άλλο πράγμα που τα έκανε «όχι εντελώς κατάλληλα» για εφαρμογές IoT. Τα κύρια προβλήματα είναι η κατανάλωση ενέργειας, το εύρος / κάλυψη και το εύρος ζώνης.

Τα περισσότερα ραδιόφωνα επικοινωνίας όπως το Zigbee, το BLE, το WiFi μεταξύ άλλων είναι μικρής εμβέλειας και άλλα όπως, 3G και LTE, είναι πεινασμένα για ενέργεια και το εύρος των περιοχών κάλυψης δεν είναι εγγυημένο, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες. Ενώ αυτά τα πρωτόκολλα και οι τρόποι επικοινωνίας λειτουργούν για ορισμένα έργα, φέρνει έναν εκτεταμένο περιορισμό όπως: δυσκολίες στην ανάπτυξη λύσεων IoT σε περιοχές χωρίς κάλυψη κυψελοειδών (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) και μεικτή μείωση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας των συσκευών. Έτσι, οραματίζοντας το μέλλον του IoT και τη σύνδεση όλων των ειδών "πραγμάτων", που βρίσκονται σε όλα τα είδη θέσεων, υπήρχε η ανάγκη για ένα μέσο επικοινωνίας προσαρμοσμένο για IoT που να υποστηρίζει τις απαιτήσεις του ειδικά χαμηλής ισχύος, σημαντικά μεγάλου εύρους, φθηνό, ασφαλές και εύκολο στη χρήση. Εδώ μπαίνει το LoRa.

Το LoRa (που σημαίνει Long Range) είναι μια πατενταρισμένη τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας που συνδυάζει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας με ένα αποτελεσματικό μεγάλο εύρος. Ενώ το εύρος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το περιβάλλον και τα πιθανά εμπόδια (LOS ή N-LOS), το LoRa έχει συνήθως εύρος μεταξύ 13- 15Km, πράγμα που σημαίνει ότι μία πύλη LoRa μπορεί να παρέχει κάλυψη για μια ολόκληρη πόλη και με μερικά ακόμη, ένα σύνολο Χώρα. Η τεχνολογία αναπτύχθηκε από την Cycleo στη Γαλλία και εμφανίστηκε όταν η εταιρεία εξαγοράστηκε από την Semtech το 2012. Χρησιμοποιήσαμε LoRa modules με το Arduino και το Raspberry Pi και λειτουργούσαν όπως αναμενόταν.

Χαρακτηριστικά του LoRa

Ένα ραδιόφωνο LoRa περιλαμβάνει μερικά χαρακτηριστικά που το βοηθούν να επιτύχει αποτελεσματική ισχύ μεγάλης εμβέλειας και χαμηλό κόστος. Μερικά από αυτά τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:

1. Τεχνική διαμόρφωσης
2. Συχνότητα
3. Προσαρμοστικοί ρυθμοί δεδομένων
4. Προσαρμοσμένα επίπεδα ισχύος

Διαμόρφωση

Τα ραδιόφωνα Lora χρησιμοποιούν την τεχνική διαμόρφωσης φάσματος chirp spread για να επιτύχουν ένα σημαντικά υψηλό εύρος επικοινωνίας, διατηρώντας παράλληλα χαρακτηριστικά χαμηλής ισχύος που είναι παρόμοια με τα ραδιόφωνα βασισμένα στο φυσικό στρώμα διαμόρφωσης FSK Ενώ η διαμόρφωση φάσματος chirp spread υπάρχει εδώ και λίγο καιρό με εφαρμογές σε στρατιωτικές και διαστημικές επικοινωνίες, το LoRa παρουσιάζει την πρώτη, χαμηλού κόστους εμπορική εφαρμογή της τεχνικής διαμόρφωσης.

Συχνότητα

Ενώ η τεχνολογία LoRa είναι αγνωστικική συχνότητα, η επικοινωνία μεταξύ ραδιοφώνων LoRa συμβαίνει μέσω της χρήσης ζωνών ραδιοσυχνοτήτων χωρίς άδεια υπό-GHz που είναι διαθέσιμες σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι συχνότητες διαφέρουν από περιοχή σε περιοχή και συχνά επίσης διαφέρουν μεταξύ χωρών. Για παράδειγμα, τα 868MHz χρησιμοποιούνται συνήθως για επικοινωνίες LoRa στην Ευρώπη, ενώ τα 915MHz χρησιμοποιούνται στη Βόρεια Αμερική. Ανεξάρτητα από τη συχνότητα, το LoRa μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς καμία σημαντική παραλλαγή στην τεχνολογία.

Συχνότητες για LoRa σε διαφορετικές χώρες

Η χρήση χαμηλότερων συχνοτήτων από εκείνες των ενοτήτων επικοινωνίας όπως το WiFi που βασίζεται στις ζώνες ISM 2,4 ή 5,8GHz επιτρέπει μια πολύ μεγαλύτερη περιοχή κάλυψης ειδικά για καταστάσεις NLOS.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι εξακολουθούν να απαιτούνται δικαιώματα σε ορισμένες χώρες προτού χρησιμοποιηθούν οι ζώνες χωρίς άδεια.

Προσαρμοστικός ρυθμός δεδομένων

Το LoRa χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό μεταβλητού εύρους ζώνης και παραγόντων διασποράς (SF7-SF12) για να προσαρμόσει τον ρυθμό δεδομένων σε μια αντιστάθμιση με το εύρος της μετάδοσης. Ο υψηλότερος συντελεστής διασποράς επιτρέπει μεγαλύτερο εύρος σε βάρος του χαμηλότερου ρυθμού δεδομένων και το αντίστροφο. Ο συνδυασμός εύρους ζώνης και συντελεστή διασποράς μπορεί να επιλεγεί σύμφωνα με τις συνθήκες σύνδεσης και το επίπεδο των δεδομένων που θα μεταδοθούν. Έτσι, ένας υψηλότερος συντελεστής εξάπλωσης βελτιώνει την απόδοση και την ευαισθησία μετάδοσης για ένα δεδομένο εύρος ζώνης, αλλά αυξάνει επίσης το χρόνο μετάδοσης ως αποτέλεσμα των χαμηλότερων ποσοστών δεδομένων. Αυτά μπορεί να κυμαίνονται από μόλις 18bps έως 40Kbp

Προσαρμοστικό επίπεδο ισχύος

Το επίπεδο ισχύος που χρησιμοποιείται από τα ραδιόφωνα LoRa είναι προσαρμοστικό. Εξαρτάται από παράγοντες όπως ο ρυθμός δεδομένων και οι συνθήκες σύνδεσης μεταξύ άλλων. Όταν απαιτείται γρήγορη μετάδοση, η μεταδιδόμενη ισχύς ωθείται πιο κοντά στο μέγιστο και το αντίστροφο. Έτσι, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μεγιστοποιείται και η χωρητικότητα του δικτύου διατηρείται. Η κατανάλωση ενέργειας εξαρτάται επίσης από την κατηγορία των συσκευών μεταξύ πολλών άλλων παραγόντων.

LoRaWAN

Το LoRaWAN είναι ένα πρότυπο μεγάλης χωρητικότητας, μεγάλης εμβέλειας, ανοιχτό, χαμηλής ισχύος δίκτυο ευρείας περιοχής (LPWAN) σχεδιασμένο για LoRa Powered IoT Solutions από την LoRa Alliance. Πρόκειται για ένα αμφίδρομο πρωτόκολλο που εκμεταλλεύεται πλήρως όλες τις δυνατότητες της τεχνολογίας LoRa για την παροχή υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένης της αξιόπιστης παράδοσης μηνυμάτων, της ασφάλειας από άκρο σε άκρη, των δυνατοτήτων τοποθεσίας και πολλαπλής διανομής. Το πρότυπο διασφαλίζει τη διαλειτουργικότητα των διαφόρων δικτύων LoRaWAN παγκοσμίως.

Συνήθως υπάρχει ένας συνδυασμός όταν οι άνθρωποι προσπαθούν να ορίσουν τα LoRa και LoRaWAN τα οποία πιθανότατα επιλύονται καλύτερα εξετάζοντας το μοντέλο στοίβας αναφοράς OSI.

Με απλά λόγια, με βάση το μοντέλο στοίβας OSI, το LoRaWAN αντιστοιχεί στο πρωτόκολλο Media Access για το δίκτυο επικοινωνίας, ενώ το LoRa αντιστοιχεί στο επίπεδο φυσικής. Έτσι, το LoRaWAN ορίζει το πρωτόκολλο επικοινωνίας και την αρχιτεκτονική συστήματος για το δίκτυο, ενώ η αρχιτεκτονική LoRa επιτρέπει τη σύνδεση επικοινωνίας μεγάλης εμβέλειας. Οι δύο συγχωνεύτηκαν μαζί για να παρέχουν τη λειτουργικότητα που καθορίζει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας ενός κόμβου, την χωρητικότητα του δικτύου, την ποιότητα των υπηρεσιών, την ασφάλεια και άλλες εφαρμογές που εξυπηρετούνται από το δίκτυο. Ενώ το LoRaWAN είναι το πιο δημοφιλές στρώμα MAC για το LoRa υπάρχουν άλλα ιδιόκτητα στρώματα που είναι επίσης βασισμένα στην τεχνολογία LoRa. Ένα καλό παράδειγμα είναι το Symphony link από το Link Labs που έχει αναπτυχθεί ειδικά για βιομηχανικές εφαρμογές.

Η αρχιτεκτονική δικτύου LoRaWAN

Σε αντίθεση με την τοπολογία δικτύου πλέγματος που υιοθετήθηκε από τα περισσότερα δίκτυα, το LoRaWAN χρησιμοποιεί την αρχιτεκτονική αστέρι δικτύου, επομένως, αντί να έχει κάθε τελική συσκευή σε σχεδόν πάντα κατάσταση, επαναλαμβάνοντας τη μετάδοση από άλλες συσκευές για να αυξήσει το εύρος, τελικές συσκευές στο δίκτυο LoRaWAN επικοινωνούν απευθείας με πύλες και ενεργοποιούνται μόνο όταν πρέπει να επικοινωνούν με την πύλη, καθώς η εμβέλεια δεν είναι πρόβλημα. Αυτός είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει στις δυνατότητες χαμηλής κατανάλωσης και στην υψηλή διάρκεια ζωής της μπαταρίας που επιτυγχάνεται στις τελικές συσκευές LoRa

Η αρχιτεκτονική δικτύου LoRa αποτελείται από τέσσερα κύρια μέρη.

1. Τερματικές συσκευές

2. Πύλες

3. Διακομιστής δικτύου

4. Διακομιστής εφαρμογών

1. Τερματικές συσκευές

Αυτοί είναι αισθητήρες ή ενεργοποιητές στην άκρη του δικτύου. Οι τελικές συσκευές εξυπηρετούν διαφορετικές εφαρμογές και έχουν διαφορετικές απαιτήσεις. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί μια ποικιλία προφίλ τελικών εφαρμογών, το LoRaWAN ™ χρησιμοποιεί τρεις διαφορετικές κατηγορίες συσκευών στις οποίες μπορούν να διαμορφωθούν οι τελικές συσκευές. Τα μαθήματα παρουσιάζουν αντισταθμίσεις μεταξύ του λανθάνοντος χρόνου επικοινωνίας της ζεύξης και της διάρκειας ζωής της μπαταρίας της συσκευής.

Οι τρεις μεγάλες τάξεις είναι:

1. Αμφίδρομες τελικές συσκευές (κλάση Α)

2. Αμφίδρομες τελικές συσκευές με προγραμματισμένες υποδοχές λήψης (Κατηγορία B)

3. Αμφίδρομες τελικές συσκευές με μέγιστες υποδοχές λήψης (κλάση Γ)

Εγώ. Τελικές συσκευές κατηγορίας Α

Πρόκειται για συσκευές που απαιτούν επικοινωνία κάτω ζεύξης από την υπηρεσία r αμέσως μετά από ένα Uplink. Για παράδειγμα, είναι συσκευές που πρέπει να λαμβάνουν επιβεβαίωση παράδοσης μηνυμάτων από το διακομιστή μετά από μια σύνδεση. Για αυτήν την κλάση συσκευών, πρέπει να περιμένουν έως ότου σταλεί ένα Uplink στον διακομιστή προτού ληφθεί οποιαδήποτε downlink. Ως αποτέλεσμα αυτού, η επικοινωνία διατηρείται στο ελάχιστο και έτσι έχουν τη χαμηλότερη λειτουργία ισχύος και την υψηλότερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ένα καλό παράδειγμα συσκευών κατηγορίας Α είναι ο έξυπνος μετρητής ενέργειας που βασίζεται σε LoRa

ii. Τελικές συσκευές κλάσης Β

Σε αυτές τις συσκευές εκχωρούνται επιπλέον παράθυρα κατερχόμενης ζεύξης σε προγραμματισμένα διαστήματα εκτός από την κατώτερη ζεύξη που λαμβάνεται όταν αποστέλλεται μια ζεύξη (Κατηγορία Α + προγραμματισμένη επιπλέον κατερχόμενη ζεύξη). Η προγραμματισμένη φύση αυτού του downlink διασφαλίζει ότι η λειτουργία εξακολουθεί να είναι χαμηλής ισχύος, καθώς η επικοινωνία είναι ενεργή μόνο σε προγραμματισμένα διαστήματα, αλλά η επιπλέον ισχύς που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της προγραμματισμένης κατερχόμενης ζεύξης αυξάνει την κατανάλωση ισχύος πέρα ​​από εκείνη των συσκευών κατηγορίας Α, ως εκ τούτου, έχουν χαμηλότερη μπαταρία διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τις τελικές συσκευές κατηγορίας Α.

iii. Τελικές συσκευές κατηγορίας Γ

Αυτές οι κατηγορίες συσκευών δεν έχουν περιορισμό στην κατερχόμενη ζεύξη. Είναι σχεδιασμένα ώστε να είναι σχεδόν πάντα ανοιχτά σε επικοινωνίες από τον διακομιστή. Καταναλώνουν περισσότερη ισχύ από τις άλλες κατηγορίες και έχουν τη χαμηλότερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Καλά παραδείγματα συσκευών κατηγορίας C είναι οι τελικές συσκευές που χρησιμοποιούνται στη διαχείριση του στόλου ή στην πραγματική παρακολούθηση της κυκλοφορίας.

2. Πύλες

Οι πύλες (αναφέρονται επίσης ως συμπυκνωτές) είναι συσκευές που συνδέονται με το διακομιστή δικτύου μέσω τυπικών συνδέσεων IP που μεταδίδουν μηνύματα μεταξύ του κεντρικού συστήματος διακομιστή δικτύου και των τερματικών συσκευών χρησιμοποιώντας πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας μονής λυκίσκου. Έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν αμφίδρομη επικοινωνία και είναι εξοπλισμένα με multicast που επιτρέπουν στο λογισμικό να στέλνει μηνύματα μαζικής διανομής, όπως ενημερώσεις over-the-air.

Στην καρδιά κάθε πύλης LoRa υπάρχει ένας πολυκαναλικός αποδιαμορφωτής LoRa ικανός να αποκωδικοποιεί όλες τις παραλλαγές διαμόρφωσης LoRa σε πολλές συχνότητες παράλληλα.

Για έναν χειριστή δικτύου μεγάλης κλίμακας, οι βασικοί διακριτικοί παράγοντες θα πρέπει να είναι η απόδοση ραδιοφώνου (ευαισθησία, ισχύ αποστολής), η σύνδεση του τσιπ SX1301 στην πύλη MCU (USB σε SPI ή SPI σε SPI) και η υποστήριξη και διανομή PPS σήμα του οποίου η διαθεσιμότητα επιτρέπει τον ακριβή συγχρονισμό χρόνου σε ολόκληρο τον πληθυσμό πύλης σε ένα δίκτυο

Το LoRa διαδίδει την επικοινωνία μεταξύ τελικών συσκευών και πυλών σε πολλά κανάλια συχνότητας και ρυθμούς δεδομένων. Η τεχνολογία φάσματος εξάπλωσης χρησιμοποιεί ρυθμούς δεδομένων που κυμαίνονται από 0,3 kbps έως 50 kbps για να αποτρέψει την παρεμβολή των επικοινωνιών μεταξύ τους και δημιουργεί ένα σύνολο «εικονικών» καναλιών που αυξάνουν την χωρητικότητα της πύλης.

Για να μεγιστοποιήσει τόσο τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των τελικών συσκευών όσο και τη συνολική χωρητικότητα του δικτύου, ο διακομιστής δικτύου LoRa διαχειρίζεται τον ρυθμό δεδομένων και την έξοδο RF για κάθε τελική συσκευή ξεχωριστά μέσω ενός σχήματος προσαρμοστικού ρυθμού δεδομένων (ADR).

3. Διακομιστής δικτύου

Ο διακομιστής δικτύου Lora είναι η διεπαφή μεταξύ του διακομιστή εφαρμογών και των πυλών. Μεταδίδει εντολές από τον διακομιστή εφαρμογών στην πύλη ενώ μεταφέρει δεδομένα από τις πύλες στον διακομιστή εφαρμογών. Εκτελεί λειτουργίες συμπεριλαμβανομένης της διασφάλισης ότι δεν υπάρχουν διπλά πακέτα, ο προγραμματισμός αναγνώρισης και η διαχείριση του ρυθμού δεδομένων και της εξόδου RF για κάθε τελική συσκευή ξεχωριστά χρησιμοποιώντας ένα σχήμα προσαρμοστικού ρυθμού δεδομένων (ADR).

4. Διακομιστής εφαρμογών

Ο διακομιστής εφαρμογών καθορίζει για ποια δεδομένα χρησιμοποιούνται οι τελικές συσκευές. Η οπτικοποίηση δεδομένων κ.λπ. πιθανότατα γίνεται εδώ.

Ασφάλεια και απόρρητο του LoRaWAN

Η σημασία της ασφάλειας και της ιδιωτικής ζωής σε οποιαδήποτε λύση IoT δεν μπορεί να τονιστεί υπερβολικά. Το πρωτόκολλο LoRaWAN καθορίζει κρυπτογράφηση για να διασφαλίσει ότι τα δεδομένα σας είναι ασφαλή, συγκεκριμένα

* Πλήκτρα ανά συσκευή AES128

* Άμεση αναγέννηση / ανάκληση κλειδιών συσκευής

* Κρυπτογράφηση ωφέλιμου φορτίου ανά πακέτο για το απόρρητο των δεδομένων

* Προστασία από επιθέσεις επανάληψης

* Προστασία από επιθέσεις man-in-the-middle

Το LoRa χρησιμοποιεί δύο πλήκτρα. Κλειδιά συνεδρίας δικτύου και συνεδρίας εφαρμογής και τα δύο παρέχουν διαχωρισμένη, κρυπτογραφημένη επικοινωνία για διαχείριση δικτύου και επικοινωνία εφαρμογών

Το κλειδί συνεδρίας δικτύου, κοινόχρηστο μεταξύ της συσκευής και του δικτύου είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο ταυτότητας των δεδομένων τελικού κόμβου, ενώ το κλειδί περιόδου λειτουργίας εφαρμογής, κοινόχρηστο μεταξύ της εφαρμογής και του τελικού κόμβου είναι υπεύθυνο για την εγγύηση του απορρήτου των δεδομένων συσκευής.

Βασικά χαρακτηριστικά του LoRAWAN

*> Προϋπολογισμός συνδέσμου 160 dB

* Ισχύς +20 dBm TX

* Εξαιρετικό IIP3

* Βελτίωση επιλεκτικότητας 10dB έναντι FSK

* Ανοχή στις παρεμβολές ριπής στο κανάλι

* Χαμηλότερο ρεύμα RX - 10mA

* Χαμηλότερο ρεύμα ύπνου

* Ultrafast ξύπνημα (αναστολή έως RX / TX)

Πλεονεκτήματα του LoRa

Παρακάτω είναι μερικά από τα πλεονεκτήματα που σχετίζονται με το LoRa.

1. Μεγάλη εμβέλεια και κάλυψη: Με εύρος LOS έως 15 χιλιόμετρα, η εμβέλειά του δεν μπορεί να συγκριθεί με εκείνη οποιουδήποτε άλλου πρωτοκόλλου επικοινωνίας.

2. Χαμηλή ισχύς: Το LoRa προσφέρει ραδιόφωνα χαμηλής ισχύος που τα καθιστούν ιδανικά για συσκευές που απαιτούνται για 10 χρόνια ή