Introduktion till lora och lorawan: vad är lora och hur fungerar det?

Kommunikation är en av de viktigaste delarna av alla IoT-projekt. Förmågan hos en sak att kommunicera med andra "saker" (ett enhetsmoln / server) är det som ger "saken" rätten att fästa "internet" till dess namn. Medan det finns massor av kommunikationsprotokoll saknar var och en av dem en eller annan sak som gjorde dem "inte helt lämpliga" för IoT-applikationer. De största problemen är strömförbrukning, räckvidd / täckning och bandbredd.

De flesta kommunikationsradioer som Zigbee, BLE, WiFi bland annat är av kort räckvidd och andra som 3G och LTE är strömkrävande och deras täckningsområden kan inte garanteras särskilt i utvecklingsländer. Även om dessa protokoll och kommunikationslägen fungerar för vissa projekt ger det en omfattande begränsning som; svårigheter att distribuera IoT-lösningar i områden utan mobil (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) täckning och minskad enhetlig batteritid. Med tanke på framtiden för IoT och anslutningen av alla slags "saker", som finns på alla slags platser, fanns det ett behov av ett kommunikationsmedium skräddarsytt för IoT som stöder dess krav på specifikt låg effekt, betydligt lång räckvidd, billigt, säkert och enkelt att distribuera. Det är här LoRa kommer in.

LoRa (som står för Long Range) är en patenterad trådlös kommunikationsteknik som kombinerar extremt låg strömförbrukning med en effektiv lång räckvidd. Medan räckvidden är mycket beroende av miljön och möjliga hinder (LOS eller N-LOS), har LoRa vanligtvis ett intervall mellan 13-15 km, vilket innebär att en enda LoRa-gateway kan ge täckning för en hel stad, och med ett par till, en helhet Land. Tekniken utvecklades av Cycleo i Frankrike och kom fram när företaget förvärvades av Semtech 2012. Vi använde LoRa-moduler med Arduino och med Raspberry Pi och de fungerade som förväntat.

Funktioner i LoRa

En LoRa-radio består av några få funktioner som hjälper den att uppnå långsiktig effektiv effekt och låg kostnad. Några av dessa funktioner inkluderar;

1. Modulationsteknik
2. Frekvens
3. Adaptiva datahastigheter
4. Adaptiva kraftnivåer

Modulation

Lora-radioapparater använder chirp spread spectrum-moduleringstekniken för att uppnå ett betydligt högt kommunikationsområde samtidigt som de bibehåller lågeffektegenskaper som liknar FSK-moduleringens fysiska lagerbaserade radioer. Medan chirp-spridningsspektrummodulering har funnits ett tag med applikationer inom militär- och rymdkommunikation presenterar LoRa den första, billiga kommersiella tillämpningen av moduleringstekniken.

Frekvens

Medan LoRa-tekniken är frekvensagnostisk, sker kommunikation mellan LoRa-radioer genom användning av olicensierade sub-GHz-radiofrekvensband som finns tillgängliga över hela världen. Dessa frekvenser varierar från region till region och skiljer sig ofta också mellan länderna. Till exempel används 868MHz ofta för LoRa-kommunikation i Europa, medan 915MHz används i Nordamerika. Oavsett frekvens kan LoRa användas utan någon större variation i tekniken.

Frekvensband för LoRa i olika länder

Användning av lägre frekvenser än de för kommunikationsmodulerna som WiFi baserat på 2,4 eller 5,8 GHz ISM-band möjliggör ett mycket större täckningsområde, särskilt för NLOS-situationer.

Det är viktigt att notera att behörigheter fortfarande krävs i vissa länder innan de olicensierade banden kan användas.

Adaptiv datahastighet

LoRa använder en kombination av variabel bandbredd och spridningsfaktorer (SF7-SF12) för att anpassa datahastigheten i en kompromiss med överföringsområdet. Högre spridningsfaktor möjliggör längre räckvidd på bekostnad av lägre datahastighet och vice versa. Kombinationen av bandbredd och spridningsfaktor kan väljas enligt länkförhållandena och nivån på data som ska överföras. Således förbättrar en högre spridningsfaktor överföringsprestanda och känslighet för en given bandbredd, men det ökar också sändningstiden som ett resultat av lägre datahastigheter. Dessa kan variera från så få som 18bps upp till 40Kbp

Adaptiv effektnivå

Effektnivån som används av LoRa-radioer är anpassningsbar. Det är beroende av faktorer som bland annat datahastighet och länkförhållanden. När en snabb överföring krävs, skjuts den överförda effekten närmare maximalt och tvärtom. Således maximeras batteriets livslängd och nätverkskapaciteten bibehålls. Energiförbrukningen beror också på enhetsklassen bland flera andra faktorer.

LoRaWAN

LoRaWAN är en högkapacitets, långdistans, öppen, LPWAN-standard (Low Power Wide Area Network), designad för LoRa-drivna IoT-lösningar av LoRa Alliance. Det är ett dubbelriktat protokoll som utnyttjar alla funktionerna i LoRa-tekniken till att leverera tjänster inklusive tillförlitlig meddelandeleverans, säkerhet till slut, plats och multicast-funktioner. Standarden säkerställer interoperabilitet mellan olika LoRaWAN-nätverk över hela världen.

Det är vanligtvis en blandning när människor försöker definiera LoRa och LoRaWAN, vilket förmodligen bäst löses genom att undersöka OSI-referensstackmodellen.

Enkelt uttryckt, baserat på OSI- stackmodellen, motsvarar LoRaWAN Media Access-protokollet för kommunikationsnätverket medan LoRa motsvarar det fysiska lagret. Således definierar LoRaWAN kommunikationsprotokollet och systemarkitekturen för nätverket, medan LoRa-arkitekturen möjliggör långdistanskommunikationslänken. De två slogs samman för att ge den funktionalitet som bestämmer batteriets livslängd för en nod, nätverkets kapacitet, servicekvaliteten, säkerheten och andra applikationer som nätverket betjänar. Medan LoRaWAN är det mest populära MAC-lagret för LoRa finns det andra proprietära lager som också bygger på LoRa-tekniken. Ett bra exempel är Symphony link från Link Labs som är speciellt utvecklad för industriella applikationer.

LoRaWAN-nätverksarkitekturen

Motsatt nätverkstopologin som antagits av de flesta nätverk använder LoRaWAN stjärnnätverksarkitekturen, snarare än att varje slutenhet är i nästan alltid på, upprepad överföring från andra enheter för att öka räckvidden, slutenheter i LoRaWAN-nätverket kommunicera direkt med gateways och är bara på när de behöver kommunicera med gatewayen eftersom räckvidd inte är ett problem. Detta är en bidragande faktor till funktioner med låg effekt och hög batteritid som erhålls i LoRa-slutenheterna

LoRa Network Architecture består av fyra huvuddelar;

1. Avsluta enheter

2. Gateway

3. Nätverksserver

4. Applikationsserver

1. Avsluta enheter

Dessa är sensorer eller ställdon i nätverkskanten. Slutanordningar har olika applikationer och har olika krav. För att optimera en mängd olika applikationer för slutanvändning använder LoRaWAN ™ tre olika enhetsklasser som slutenheterna kan konfigureras till. Klasserna har kompromisser mellan nedlänkskommunikationslatens och batteriets livslängd på enheten.

De tre huvudklasserna är;

1. Dubbelriktade slutanordningar (klass A)

2. Dubbelriktade slutanordningar med schemalagda mottagarplatser (klass B)

3. Dubbelriktade slutanordningar med maximala mottagarplatser (klass C)

i. Klass A-slutenheter

Det här är enheter som endast kräver nedlänkskommunikation från servern r omedelbart efter en Uplink. De är till exempel enheter som behöver få en leveransbekräftelse från servern efter en upplänk. För denna klass av enheter måste de vänta tills en Uplink skickas till servern innan någon nedlänk kan tas emot. Som ett resultat av detta hålls kommunikationen på ett minimum och de har således den lägsta effektdriften och den högsta batteritiden. Ett bra exempel på klass A-enheter är en LoRa-baserad Smart Energy Meter

ii. Klass B slutenheter

Dessa enheter tilldelas extra nedlänksfönster med schemalagda intervall utöver nedlänken som mottas när en upplänk skickas (klass A + en planerad extra nedlänk). Den schemalagda karaktären hos denna nedlänk säkerställer att driften fortfarande är låg eftersom kommunikationen endast är aktiv med schemalagda intervall men den extra ström som förbrukas under den schemalagda nedlänken ökar strömförbrukningen utöver den för klass A-enheterna, som sådan har de ett lägre batteri liv jämfört med slutanordningar av klass A.

iii. Klass C-slutenheter

Denna klass av enheter har ingen begränsning av nedlänk. De är utformade för att nästan alltid vara öppna för kommunikation från servern. De förbrukar mer ström än de andra klasserna och har lägst batteritid. Bra exempel på klass C-enheter är slutanordningar som används vid flotthantering eller verklig trafikövervakning.

2. Gateway

Gateways (även kallade koncentratorer) är enheter som är anslutna till nätverksservern via standard-IP-anslutningar som vidarebefordrar meddelanden mellan den centrala nätverksserverns backend och slutenheter med hjälp av trådlöst kommunikationsprotokoll med en hop. De är utformade för att stödja dubbelriktad kommunikation och är utrustade med multicast som gör det möjligt för programvaran att skicka massdistributionsmeddelanden som luftuppdateringar.

Kärnan i varje LoRa-gateway är en LoRa-demodulator med flera kanaler som kan avkoda alla LoRa-moduleringsvarianter på flera frekvenser parallellt.

För en storskalig nätoperatör bör de viktigaste särskiljande faktorerna vara radioprestanda (känslighet, sändningseffekt), anslutningen av SX1301-chipet till gateway MCU (USB till SPI eller SPI till SPI) och stöd och distribution av PPS signal vars tillgänglighet möjliggör exakt tidssynkronisering över hela gatewaypopulationen i ett nätverk

LoRa sprider kommunikation mellan slutenheter och gateways över flera frekvenskanaler och datahastigheter. Spridningsspektrumsteknologin använder datahastigheter från 0,3 kbps till 50 kbps för att förhindra att kommunikation stör varandra och skapar en uppsättning "virtuella" kanaler som ökar gatewayens kapacitet.

För att maximera både slutenheternas batteritid och den totala nätverkskapaciteten hanterar LoRa-nätverksservern datahastigheten och RF-utgången för varje slutenhet individuellt genom ett schema för adaptiv datahastighet (ADR).

3. Nätverksserver

Lora Network-servern är gränssnittet mellan applikationsservern och Gateways. Det vidarebefordrar kommandon från applikationsservern till gatewayen medan data överförs från gateways till applikationsservern. Den utför funktioner inklusive att se till att det inte finns några dubblettpaket, schemalägga kvittenser och hantera datahastigheten och RF-utgången för varje slutanordning individuellt med hjälp av ett adaptivt datahastighetsschema (ADR).

4. Applikationsserver

Applikationsservern bestämmer vad data från slutenheterna används till. Datavisualisering etc görs förmodligen här.

LoRaWAN säkerhet och integritet

Vikten av säkerhet och integritet i någon IoT-lösning kan inte överdrivas. LoRaWAN-protokollet anger kryptering för att säkerställa att dina data är säkra, konkret

* AES128-tangenter per enhet

* Omedelbar regenerering / återkallelse av enhetsnycklar

* Kryptering av nyttolast per paket för dataskydd

* Skydd mot återuppspelningsattacker

* Skydd mot människa-i-mitten-attacker

LoRa använder två tangenter; Nätverkssession och applikationssessionstangenter som båda ger delad, krypterad kommunikation för nätverkshantering och applikationskommunikation.

Nätverkssessionsnyckeln, delad mellan enheten och nätverket, ansvarar för autentisering av slutnoddata medan applikationssessionsnyckeln, delad mellan applikationen och slutnoden, ansvarar för att garantera integritetsinformationen för enhetsdata.

Viktiga funktioner i LoRAWAN

*> 160 dB länkbudget

* +20 dBm TX-effekt

* Exceptionell IIP3

* 10dB selektivitetsförbättring jämfört med FSK

* Tolerant mot störningar i kanalen

* Lägsta RX-ström - 10mA

* Lägsta sömnström

* Ultrasnabb väckning (vila till RX / TX)

Fördelar med LoRa

Nedan följer några av fördelarna med LoRa;

1. Lång räckvidd och täckning: Med upp till 15 km LOS-räckvidd kan dess räckvidd inte jämföras med något annat kommunikationsprotokoll.

2. Låg effekt: LoRa erbjuder radioer med låg effekt, vilket gör dem idealiska för enheter som behövs i tio år eller