Въведение в Лора и Лораван: какво е Лора и как работи?

Комуникацията е една от най-важните части на всеки IoT проект. Способността на нещо да комуникира с други „неща“ (облак / сървър на устройство) е това, което дава на „нещото“ правото да прикачва „интернет“ към името си. Въпреки че съществуват тонове комуникационни протоколи, на всеки от тях липсва едно или друго нещо, което ги прави „не напълно подходящи“ за IoT приложения. Основните проблеми са консумацията на енергия, обхват / покритие и честотна лента.

Повечето комуникационни радиостанции като Zigbee, BLE, WiFi, наред с други, са с малък обхват, а други като 3G и LTE са жадни за енергия и обхватът на зоните им на покритие не може да бъде гарантиран, особено в развиващите се страни. Въпреки че тези протоколи и комуникационни режими работят за определени проекти, това носи голямо ограничение като; затруднения при внедряването на IoT решения в зони без клетъчно (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) покритие и грубо намаляване на живота на батерията на устройствата. По този начин, предвиждайки бъдещето на IoT и връзката на всякакъв вид „неща“, разположени на всякакви места, имаше нужда от комуникационна среда, създадена специално за IoT, която да поддържа нейните изисквания от особено ниска мощност, значително дълъг обхват, евтини, сигурни и лесни за разполагане. Тук влиза LoRa.

LoRa (което означава Long Range) е патентована технология за безжична комуникация, която съчетава ултра ниска консумация на енергия с ефективен дълъг обхват. Докато обхватът силно зависи от околната среда и възможните препятствия (LOS или N-LOS), LoRa обикновено има обхват между 13-15Km, което означава, че един LoRa шлюз може да осигури покритие за цял град, а с още няколко, цял държава. Технологията е разработена от Cycleo във Франция и излиза на преден план, когато компанията е придобита от Semtech през 2012 г. Използвахме модули LoRa с Arduino и с Raspberry Pi и те работеха според очакванията.

Характеристики на LoRa

Радио LoRa се състои от няколко функции, които му помагат да постигне ефективна мощност на дълги разстояния и ниска цена. Някои от тези функции включват;

1. Техника на модулация
2. Честота
3. Адаптивни скорости на данните
4. Адаптивни нива на мощност

Модулация

Радиостанциите Lora използват техниката на модулиране на разпръснат спектър, за да постигнат значително висок обхват на комуникация, като същевременно поддържат характеристики с ниска мощност, подобни на радиостанциите, базирани на FSK модулация на физически слой. Докато модулацията с широкоспектърно разпространение от известно време съществува с приложения във военните и космическите комуникации, LoRa представя първото, евтино търговско приложение на модулационната техника.

Честота

Докато технологията LoRa е честотна агностична, комуникацията между радиостанциите LoRa се осъществява чрез използването на нелицензирани радиочестотни ленти под GHz, които са достъпни по целия свят. Тези честоти варират в различните региони и често се различават и в различните държави. Например 868MHz често се използва за LoRa комуникации в Европа, докато 915MHz се използва в Северна Америка. Независимо от честотата, LoRa може да се използва без големи промени в технологията.

Честотни ленти за LoRa в различни страни

Използването на по-ниски честоти от тези на комуникационните модули като WiFi, базирани на 2,4 или 5,8 GHz ISM ленти, дава възможност за много по-голяма зона на покритие, особено за NLOS ситуации.

Важно е да се отбележи, че в някои страни все още се изискват разрешения, преди нелицензираните ленти да могат да се използват.

Адаптивна скорост на предаване на данни

LoRa използва комбинация от променлива честотна лента и коефициенти на разпространение (SF7-SF12), за да адаптира скоростта на предаване на данни в компромис с обхвата на предаване. По-високият коефициент на разпространение позволява по-голям обхват за сметка на по-ниска скорост на предаване на данни и обратно. Комбинацията от честотна лента и коефициент на разпространение може да бъде избрана според условията на връзката и нивото на данните, които трябва да бъдат предадени. По този начин по-високият коефициент на разпространение подобрява производителността на предаване и чувствителността за дадена честотна лента, но също така увеличава времето за предаване в резултат на по-ниските скорости на предаване на данни. Те могат да варират от 18bps до 40Kbp

Адаптивно ниво на мощност

Нивото на мощност, използвано от радиостанциите LoRa, е адаптивно. Това зависи от фактори като скоростта на предаване на данни и условията на връзката. Когато се изисква бързо предаване, предаваната мощност се притиска по-близо до максимума и обратно. По този начин животът на батерията се увеличава максимално и капацитетът на мрежата се поддържа. Консумацията на енергия също зависи от класа на устройствата, наред с няколко други фактора.

LoRaWAN

LoRaWAN е стандарт с голям капацитет, отворен, широкообхватна мрежа с ниска мощност (LPWAN), проектиран за IoR решения, създадени от LoRa Alliance. Това е двупосочен протокол, който се възползва в пълна степен от всички функции на технологията LoRa за предоставяне на услуги, включително надеждна доставка на съобщения, сигурност до край, местоположение и възможности за многоадресен пренос. Стандартът осигурява оперативната съвместимост на различните мрежи LoRaWAN в целия свят.

Обикновено има объркване, когато хората се опитват да дефинират LoRa и LoRaWAN, което вероятно е най-добре да бъде решено чрез изследване на референтния модел на стека на OSI.

Най-просто казано, въз основа на модела на стека на OSI, LoRaWAN съответства на протокола Media Access за комуникационната мрежа, докато LoRa съответства на физическия слой. По този начин LoRaWAN дефинира комуникационния протокол и системната архитектура за мрежата, докато LoRa архитектурата дава възможност за комуникационна връзка на дълги разстояния. Двамата се обединиха, за да осигурят функционалността, която определя живота на батерията на възел, капацитета на мрежата, качеството на услугата, сигурността и други приложения, обслужвани от мрежата. Докато LoRaWAN е най-популярният MAC слой за LoRa, съществуват и други собствени слоеве, които също са изградени по технологията LoRa. Добър пример е Symphony link от Link Labs, който е специално разработен за индустриални приложения.

Мрежовата архитектура LoRaWAN

За разлика от мрежовата топология на мрежите, възприета от повечето мрежи, LoRaWAN използва архитектурата на звездата на мрежата, като по този начин вместо да има всяко крайно устройство в почти винаги включено състояние, повтаряйки предаването от други устройства, за да увеличи обхвата, крайните устройства в мрежата LoRaWAN комуникират директно с шлюзовете и са включени само когато трябва да комуникират с шлюза, тъй като обхватът не е проблем. Това е фактор, допринасящ за характеристиките с ниска мощност и дълъг живот на батерията, получени в крайните устройства LoRa

Мрежовата архитектура LoRa се състои от четири основни части;

1. Крайни устройства

2. Шлюзове

3. Мрежов сървър

4. Сървър на приложения

1. Крайни устройства

Това са сензори или изпълнителни механизми на ръба на мрежата. Крайните устройства обслужват различни приложения и имат различни изисквания. За да оптимизира разнообразие от крайни профили на приложения, LoRaWAN ™ използва три различни класа устройства, към които крайните устройства могат да бъдат конфигурирани като. Класовете включват компромиси между латентността на комуникацията надолу и живота на батерията на устройството.

Трите основни класа са;

1. Двупосочни крайни устройства (клас А)

2. Двупосочни крайни устройства с планирани слотове за приемане (клас B)

3. Двупосочни крайни устройства с максимални слотове за приемане (клас С)

i. Крайни устройства от клас А

Това са устройства, които изискват само връзката надолу от връзката r веднага след Uplink. Например те са устройства, които трябва да получат потвърждение за доставка на съобщение от сървъра след изходяща връзка. За този клас устройства те трябва да изчакат, докато връзката нагоре бъде изпратена до сървъра, преди да може да бъде получена връзка надолу. В резултат на това комуникацията е сведена до минимум и по този начин те имат най-ниската мощност и най-дълъг живот на батерията. Добър пример за устройства от клас А е интелигентният измервател на енергия, базиран на LoRa

ii. Крайни устройства от клас B

На тези устройства се разпределят допълнителни прозорци за връзката надолу през планирани интервали в допълнение към връзката надолу, получена при изпращане на връзката нагоре (клас A + планирана допълнителна връзка надолу). Плановият характер на тази низходяща връзка гарантира, че операцията все още е с ниска мощност, тъй като комуникацията е активна само на планирани интервали, но допълнителната мощност, консумирана по време на планираната низходяща връзка, увеличава консумацията на енергия над тази на устройствата от клас А, тъй като те имат по-ниска батерия живот в сравнение с крайните устройства от клас А.

iii. Крайни устройства от клас C

Този клас устройства нямат ограничения за връзката надолу. Те са проектирани да бъдат почти винаги отворени за комуникация от сървъра. Те консумират повече енергия от останалите класове и имат най-нисък живот на батерията. Добри примери за устройства от клас С са крайните устройства, използвани при управление на автопарка или реално наблюдение на трафика.

2. Шлюзове

Шлюзовете (наричани още концентратори) са устройства, свързани към мрежовия сървър чрез стандартни IP връзки, които препредават съобщения между централния мрежов сървър и крайните устройства, използвайки протокол за безжична комуникация с един хоп. Те са проектирани да поддържат двупосочна комуникация и са оборудвани с мултикаст, позволяващ на софтуера да изпраща съобщения за масово разпространение като актуализации по въздуха.

В основата на всеки LoRa шлюз е многоканален LoRa демодулатор, способен да декодира всички варианти на LoRa модулация паралелно на няколко честоти.

За широкомащабен мрежов оператор ключовите отличителни фактори трябва да бъдат радио производителността (чувствителност, изпращаща мощност), връзката на чипа SX1301 към MCU на шлюза (USB към SPI или SPI към SPI) и поддръжката и разпространението на PPS сигнал, чиято наличност позволява точна синхронизация на времето за цялата популация на шлюза в мрежата

LoRa разпространява комуникацията между крайни устройства и шлюзове през множество честотни канали и скорости на предаване на данни. Технологията с разширен спектър използва скорости на данни, вариращи от 0,3 kbps до 50 kbps, за да предотврати взаимодействието на комуникациите помежду си и създава набор от „виртуални“ канали, които увеличават капацитета на шлюза.

За да увеличи максимално живота на батерията на крайните устройства и общия капацитет на мрежата, мрежовият сървър LoRa управлява скоростта на предаване на данни и RF изхода за всяко крайно устройство поотделно чрез схема на адаптивна скорост на предаване на данни (ADR).

3. Мрежов сървър

Lora Network сървърът е интерфейсът между сървъра за приложения и шлюзовете. Той предава команди от сървъра за приложения към шлюза, докато пренася данни от шлюзовете към сървъра за приложения. Той изпълнява функции, включително гарантиране, че няма дублирани пакети, планиране на потвърждения и управление на скоростта на предаване на данни и RF изход за всяко крайно устройство поотделно, използвайки схема на адаптивна скорост на предаване на данни (ADR).

4. Сървър на приложения

Сървърът на приложения определя за какво се използват данните от крайните устройства. Визуализацията на данни и т.н. вероятно се прави тук.

LoRaWAN Сигурност и поверителност

Значението на сигурността и поверителността във всяко решение на IoT не може да бъде прекалено подчертано. Протоколът LoRaWAN определя криптиране, за да гарантира, че вашите данни са защитени, конкретно

* Клавиши AES128 на устройство

* Незабавно регенериране / отнемане на ключовете на устройството

* Криптиране на полезен товар на пакет за поверителност на данните

* Защита срещу повторни атаки

* Защита срещу атаки човек в средата

LoRa използва два ключа; Мрежовата сесия и клавишите за сесия на приложения и двете осигуряват разделена, криптирана комуникация за управление на мрежата и комуникация с приложения.

Ключът на мрежовата сесия, споделен между устройството и мрежата, е отговорен за удостоверяване на данните на крайния възел, докато ключът на сесията на приложението, споделен между приложението и крайния възел, е отговорен за гарантиране на поверителността на данните на устройството.

Основни характеристики на LoRAWAN

*> 160 dB бюджет за връзка

* +20 dBm TX мощност

* Изключителен IIP3

* Подобрение на селективността с 10 dB спрямо FSK

* Толерантни към смущаващи смущения в канала

* Най-нисък RX ток - 10mA

* Най-нисък ток на сън

* Ултра бързо събуждане (сън до RX / TX)

Предимства на LoRa

По-долу са някои от предимствата, свързани с LoRa;

1. Дълъг обхват и обхват: С обхват до 15 км LOS, обхватът му не може да се сравни с този на всеки друг комуникационен протокол.

2. Ниска мощност: LoRa предлага радио с ниска мощност, което ги прави идеални за устройства, за които се изисква 10 години или