Вступ до Лори та Лоравана: що таке Лора та як це працює?

Зв'язок - одна з найважливіших частин будь-якого проекту IoT. Здатність речі спілкуватися з іншими «речами» (хмара пристрою / сервер) - це те, що дає «річі» право приєднувати «Інтернет» до свого імені. Хоча існує безліч протоколів зв'язку, кожному з них не вистачає того чи іншого, що робило їх "не зовсім придатними" для додатків IoT. Основними проблемами є енергоспоживання, діапазон / покриття та пропускна здатність.

Більшість радіозв'язку, такі як Zigbee, BLE, WiFi, серед іншого мають невеликий діапазон, а інші, такі як 3G та LTE, потребують енергії, і тривалість зони їх покриття не може бути гарантована, особливо в країнах, що розвиваються. Незважаючи на те, що ці протоколи та режими зв'язку працюють для певних проектів, це має широкі обмеження, подібні; труднощі з розгортанням рішень IoT у районах без стільникового зв'язку (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) та суттєве скорочення часу автономної роботи пристроїв. Таким чином, передбачаючи майбутнє IoT та з'єднання всіх видів "речей", розташованих у всіх видах місць, виникла потреба у спеціально створеному для IoT комунікаційному середовищі, який підтримує його вимоги до особливо низької потужності, значно великої дальності, дешево, безпечно і просто в розгортанні. Тут з’являється LoRa.

LoRa (що розшифровується як Long Range) - запатентована технологія бездротового зв'язку, яка поєднує наднизьке споживання енергії та ефективну велику дальність. Хоча дальність дії сильно залежить від навколишнього середовища та можливих перешкод (LOS або N-LOS), LoRa зазвичай має діапазон між 13-15 км, що означає, що один шлюз LoRa може забезпечити покриття для всього міста, а ще з парою - цілого країна. Технологія була розроблена компанією Cycleo у Франції і виникла на перший план, коли компанію придбав Semtech у 2012 році. Ми використовували модулі LoRa з Arduino та Raspberry Pi, і вони працювали, як очікувалося.

Особливості LoRa

Радіо LoRa складається з декількох функцій, які допомагають йому досягти ефективної потужності на великій відстані та низької вартості. Деякі з цих особливостей включають;

1. Техніка модуляції
2. Частота
3. Адаптивні швидкості передачі даних
4. Адаптивні рівні потужності

Модуляція

Радіостанції Lora використовують техніку модуляції розширеного спектру, щоб досягти значно високого діапазону зв'язку, зберігаючи при цьому характеристики низької потужності, подібні до радіостанцій на основі фізичного рівня модуляції FSK. Незважаючи на те, що модуляція широкосмугового спектру вже давно існує із застосуванням у військових та космічних комунікаціях, LoRa представляє перше, недороге комерційне застосування техніки модуляції.

Частота

Хоча технологія LoRa є частотно-агностичною, зв'язок між радіостанціями LoRa відбувається за допомогою використання неліцензійних діапазонів радіочастот, що діють під ГГц, доступних у всьому світі. Ці частоти різняться залежно від регіону і часто також різняться між країнами. Наприклад, 868 МГц зазвичай використовується для зв'язку LoRa в Європі, тоді як 915 МГц використовується в Північній Америці. Незалежно від частоти, LoRa можна використовувати без особливих змін у технології.

Діапазони частот для LoRa у різних країнах

Використання нижчих частот, ніж у комунікаційних модулів, таких як WiFi на основі діапазонів ISM 2,4 або 5,8 ГГц, забезпечує значно більшу зону покриття, особливо для ситуацій NLOS.

Важливо зазначити, що в деяких країнах все ще потрібні дозволи перед тим, як використовувати неліцензійні смуги.

Адаптивна швидкість передачі даних

LoRa використовує комбінацію змінної пропускної здатності та коефіцієнтів розповсюдження (SF7-SF12), щоб адаптувати швидкість передачі даних у компромісі з діапазоном передачі. Більш високий коефіцієнт розповсюдження дозволяє збільшити діапазон за рахунок меншої швидкості передачі даних, і навпаки. Поєднання пропускної здатності та коефіцієнта розповсюдження можна вибрати відповідно до умов зв'язку та рівня даних, що передаються. Таким чином, вищий коефіцієнт розповсюдження покращує продуктивність передачі та чутливість для даної смуги пропускання, але також збільшує час передачі в результаті менших швидкостей передачі даних. Вони можуть варіюватися від 18 до 40 Кбіт / с

Адаптивний рівень потужності

Рівень потужності, який використовують радіостанції LoRa, є адаптивним. Це залежить від таких факторів, як швидкість передачі даних та умови зв'язку між іншим. Коли потрібна швидка передача, передана потужність стискається ближче до максимуму і навпаки. Таким чином, час автономної роботи максимально збільшується, а ємність мережі підтримується. Споживання енергії також залежить від класу пристроїв серед кількох інших факторів.

LoRaWAN

LoRaWAN - це стандарт високої потужності, відкритий, широкосмугова мережа низької потужності (LPWAN), розроблений для рішень IoT, що працюють від LoRa, Альянсом LoRa. Це двонаправлений протокол, який повністю використовує всі можливості технології LoRa для надання послуг, включаючи надійну доставку повідомлень, наскрізну безпеку, розташування та можливості багатоадресної передачі. Стандарт забезпечує взаємодію різних мереж LoRaWAN у всьому світі.

Як правило, відбувається змішання, коли люди намагаються визначити LoRa та LoRaWAN, що, мабуть, найкраще вирішити, вивчивши модель еталонного стеку OSI.

Простіше кажучи, на основі моделі стеку OSI, LoRaWAN відповідає протоколу Media Access для комунікаційної мережі, тоді як LoRa відповідає фізичному рівню. Таким чином LoRaWAN визначає протокол зв'язку та архітектуру системи для мережі, в той час як архітектура LoRa забезпечує зв'язок великої дальності. Вони злилися разом, щоб забезпечити функціональність, яка визначає час автономної роботи вузла, ємність мережі, якість обслуговування, безпеку та інші програми, що обслуговуються мережею. Хоча LoRaWAN є найпопулярнішим MAC-шаром для LoRa, існують інші власні шари, які також побудовані за технологією LoRa. Хорошим прикладом є Symphony link від компанії Link Labs, який спеціально розроблений для промислових застосувань.

Архітектура мережі LoRaWAN

На відміну від топології сітчастої мережі, прийнятої більшістю мереж, LoRaWAN використовує архітектуру зіркової мережі, таким чином, замість того, щоб кожен кінцевий пристрій знаходився в майже завжди увімкненому стані, повторюючи передачу від інших пристроїв для збільшення дальності, кінцеві пристрої в мережі LoRaWAN спілкуються безпосередньо з шлюзами і вмикаються лише тоді, коли їм потрібно зв’язатись із шлюзом, оскільки дальність не є проблемою. Це є фактором, що сприяє низьким енергоспоживанням та тривалому часу автономної роботи, отриманим у кінцевих пристроях LoRa

Мережева архітектура LoRa складається з чотирьох основних частин;

1. Кінцеві пристрої

2. Шлюзи

3. Мережевий сервер

4. Сервер додатків

1. Кінцеві пристрої

Це датчики або виконавчі механізми на краю мережі. Кінцеві пристрої обслуговують різні програми та мають різні вимоги. Для оптимізації різноманітних профілів кінцевих додатків LoRaWAN ™ використовує три різні класи пристроїв, на які можна налаштувати кінцеві пристрої. На заняттях присутні компроміси між затримкою зв'язку в нижній лінії зв'язку та часом автономної роботи пристрою.

Три основні класи:

1. Двонаправлені кінцеві пристрої (клас А)

2. Двонаправлені кінцеві пристрої із запланованими слотами прийому (клас B)

3. Двонаправлені кінцеві пристрої з максимальними слотами прийому (клас С)

i. Кінцеві пристрої класу А.

Це пристрої, які вимагають лише зв’язку по низхідній лінії зв'язку від сервісу r відразу після висхідної лінії зв'язку. Наприклад, це пристрої, яким потрібно отримати підтвердження доставки повідомлень від сервера після висхідної лінії зв'язку. Для цього класу пристроїв вони повинні почекати, поки на сервер буде відправлено висхідну лінію зв'язку, перш ніж можна буде отримати будь-яку низхідну лінію зв'язку. В результаті цього зв’язок зводиться до мінімуму, і, отже, вони мають найменший режим роботи та найвищий час автономної роботи. Хорошим прикладом пристроїв класу А є розумний лічильник енергії на основі LoRa

ii. Кінцеві пристрої класу В

Цим пристроям виділяються додаткові вікна низхідної лінії зв'язку через заплановані проміжки часу на додаток до низхідної лінії зв'язку, отриманої при відправленні висхідної лінії зв'язку (клас А + запланована додаткова низхідна лінія зв'язку). Запланований характер цього низхідного каналу забезпечує роботу все ще з низьким енергоспоживанням, оскільки зв’язок активний лише через заплановані проміжки часу, але додаткова потужність, споживана під час запланованої низхідної лінії зв'язку, збільшує споживання енергії, ніж у пристроїв класу А, тому вони мають нижчий заряд життя порівняно з кінцевими пристроями класу А.

iii. Кінцеві пристрої класу С

Цей клас пристроїв не має обмежень щодо низхідної лінії зв'язку. Вони розроблені таким чином, щоб майже завжди бути відкритими для зв'язку з сервера. Вони споживають більше енергії, ніж інші класи, і мають найменший час автономної роботи. Хорошими прикладами пристроїв класу С є кінцеві пристрої, що використовуються в управлінні автопарком або в реальному моніторингу дорожнього руху.

2. Шлюзи

Шлюзи (також їх називають концентраторами) - це пристрої, підключені до мережевого сервера за допомогою стандартних IP-з'єднань, які передають повідомлення між центральним сервером центральної мережі та кінцевими пристроями за допомогою протоколу бездротового зв'язку з одним стрибком. Вони розроблені для підтримки двонаправленої комунікації та оснащені багатоадресною передачею, що дозволяє програмному забезпеченню надсилати масові повідомлення розповсюдження, такі як ефірні оновлення.

В основі кожного шлюзу LoRa лежить багатоканальний демодулятор LoRa, здатний паралельно декодувати всі варіанти модуляції LoRa на декількох частотах.

Для широкомасштабного оператора мережі ключовими відмітними факторами повинні бути продуктивність радіо (чутливість, потужність передачі), підключення мікросхеми SX1301 до шлюзу MCU (USB до SPI або SPI до SPI) та підтримка та розподіл PPS сигнал, доступність якого забезпечує точну синхронізацію часу по всій сукупності шлюзів у мережі

LoRa поширює зв'язок між кінцевими пристроями та шлюзами по безлічі частотних каналів і швидкості передачі даних. Технологія розширеного спектру використовує швидкості передачі даних від 0,3 до 50 кбіт / с, щоб запобігти перешкодам зв'язку і створює набір «віртуальних» каналів, що збільшують пропускну здатність шлюзу.

Щоб максимізувати час автономної роботи кінцевих пристроїв та загальну пропускну здатність мережі, мережевий сервер LoRa керує швидкістю передачі даних та вихідною частотою радіочастот для кожного кінцевого пристрою окремо за допомогою схеми адаптивної швидкості передачі даних (ADR).

3. Мережевий сервер

Сервер Lora Network - це інтерфейс між сервером додатків і шлюзами. Він передає команди з сервера додатків на шлюз під час пересилання даних із шлюзів на сервер додатків. Він виконує функції, включаючи переконання у відсутності повторюваних пакетів, планування підтверджень та керування швидкістю передачі даних та виведенням радіочастот для кожного кінцевого пристрою окремо, використовуючи схему адаптивної швидкості передачі даних (ADR).

4. Сервер додатків

Сервер додатків визначає, для чого використовуються дані кінцевих пристроїв. Візуалізація даних тощо здійснюється тут.

LoRaWAN Безпека та конфіденційність

Важливість безпеки та конфіденційності в будь-якому рішенні IoT не можна переоцінити. Протокол LoRaWAN визначає шифрування для забезпечення вашої безпеки в конкретності

* Клавіші AES128 для кожного пристрою

* Миттєва регенерація / відкликання ключів пристрою

* Шифрування корисного навантаження по пакету для забезпечення конфіденційності даних

* Захист від атак повтору

* Захист від атак людини посеред

LoRa використовує два ключі; Клавіші Network Session і Application Session забезпечують розділений, зашифрований зв'язок для управління мережею та зв'язку додатків.

Ключ мережевого сеансу, який передається між пристроєм і мережею, відповідає за автентифікацію даних кінцевого вузла, тоді як ключ сеансу програми, спільний між додатком і кінцевим вузлом, відповідає за гарантування конфіденційності даних пристрою.

Ключові особливості LoRAWAN

*> 160 дБ бюджет зв'язку

* + 20 дБм потужність передачі

* Винятковий IIP3

* Покращення селективності на 10 дБ порівняно з FSK

* Толерантний до внутрішніх серійних перешкод

* Найнижчий RX струм - 10 мА

* Найнижчий струм сну

* Надшвидке пробудження (спати до RX / TX)

Переваги LoRa

Нижче наведено деякі переваги, пов’язані з LoRa;

1. Великий радіус дії та покриття: Завдяки радіусу дії LOS до 15 км його дальність не можна порівняти з дальністю будь-якого іншого протоколу зв'язку.

2. Низька потужність: LoRa пропонує радіостанції з наднизьким енергоспоживанням, що робить їх ідеальними для пристроїв, для яких потрібно 10 років або