Panimula sa lora at lorawan: ano ang lora at paano ito gumagana?

Ang komunikasyon ay isa sa pinakamahalagang bahagi ng anumang proyekto ng IoT. Ang kakayahan ng isang bagay na makipag-usap sa iba pang mga "bagay" (isang aparato cloud / server) ay kung ano ang nagbibigay sa "bagay" ng karapatang ikabit ang "internet" sa pangalan nito. Habang ang toneladang mga protocol ng komunikasyon ay umiiral, bawat isa sa kanila ay walang isang bagay o iba pa na ginawa silang "hindi ganap na angkop" para sa mga aplikasyon ng IoT. Ang mga pangunahing problema ng pagkonsumo ng kuryente, saklaw / saklaw at bandwidth.

Karamihan sa mga radio ng komunikasyon tulad ng Zigbee, BLE, WiFi bukod sa iba pa ay maigsing saklaw at ang iba pa tulad ng, 3G at LTE, ay gutom sa kuryente at ang haba ng kanilang mga sakop na lugar ay hindi masiguro lalo na sa mga umuunlad na bansa. Habang ang mga protocol at mode ng komunikasyon na ito ay gumagana para sa ilang mga proyekto, nagdadala ito ng isang malawak na limitasyon tulad ng; mga paghihirap sa pag-deploy ng mga solusyon sa IoT sa mga lugar na walang saklaw ng cellular (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) at labis na pagbawas sa buhay ng baterya ng mga aparato. Kaya, ang pag-iisip ng hinaharap ng IoT at ang koneksyon ng lahat ng uri ng "mga bagay", na matatagpuan sa lahat ng uri ng mga lugar, mayroong pangangailangan para sa isang medium ng komunikasyon na pinasadya para sa IoT na sumusuporta sa mga kinakailangan nito na partikular na mababang lakas, makabuluhang mahabang saklaw, murang, ligtas, at madaling mai-deploy. Dito pumapasok ang LoRa.

Ang LoRa (na kumakatawan sa Long Range) ay isang patentadong wireless na teknolohiya ng komunikasyon na pinagsasama ang sobrang konsumo ng kuryente na may mabisang mahabang saklaw. Habang ang saklaw ay lubos na nakasalalay sa kapaligiran at mga posibleng sagabal (LOS o N-LOS), ang LoRa ay karaniwang may saklaw sa pagitan ng 13-15Km, na nangangahulugang ang isang solong gateway ng LoRa ay maaaring magbigay ng saklaw para sa isang buong lungsod, at may higit pang ilang, isang buo bansa Ang teknolohiya ay binuo ni Cycleo sa Pransya at napaunawa nang ang kumpanya ay nakuha ng Semtech noong 2012. Gumamit kami ng mga module ng LoRa kasama ang Arduino at kasama ang Raspberry Pi at gumana sila ayon sa inaasahan.

Mga tampok ng LoRa

Ang isang radio ng LoRa ay binubuo ng ilang mga tampok na makakatulong sa ito na makamit ang pangmatagalang mabisang lakas at Mababang gastos. Ang ilan sa mga tampok na ito ay kasama;

1. Pamamaraan ng Modulasyon
2. Dalas
3. Mga Adaptive Data Rate
4. Mga Antas ng Kakayahang Adaptive

Modulasyon

Ang mga radio Lora ay gumagamit ng diskarteng modulate ng spectrum modulation upang makamit ang isang makabuluhang mataas na saklaw ng komunikasyon habang pinapanatili ang mga mababang katangian ng kuryente na katulad ng mga FSK na modulasyong pisikal na layer na batay sa mga radio. Habang ang pag-chirp kumalat ng spectrum modulate ay nasa paligid ng ilang sandali sa mga aplikasyon sa militar at mga komunikasyon sa kalawakan, ipinakita ng LoRa ang una, murang komersyal na aplikasyon ng pamamaraan ng modulation.

Dalas

Habang ang teknolohiya ng LoRa ay agnostic ng dalas, ang Komunikasyon sa pagitan ng mga radio ng LoRa ay nangyayari sa pamamagitan ng paggamit ng mga hindi lisensyadong mga band ng dalas ng radyo na sub-GHz na magagamit sa buong mundo. Ang mga dalas na ito ay magkakaiba-iba sa bawat rehiyon at madalas na magkakaiba rin sa pagitan ng mga bansa. Halimbawa ang 868MHz ay ​​karaniwang ginagamit para sa mga komunikasyon ng LoRa sa Europa, habang ang 915MHz ay ​​ginagamit sa Hilagang Amerika. Hindi alintana ang dalas, ang LoRa ay maaaring magamit nang walang anumang pangunahing pagkakaiba-iba sa teknolohiya.

Mga Frequency Band para sa LoRa sa Iba't Ibang mga Bansa

Ang paggamit ng Mas mababang mga frequency kaysa sa mga module ng komunikasyon tulad ng WiFi batay sa 2.4 o 5.8GHz ISM na mga banda ay nagbibigay-daan sa isang mas malaking saklaw na lugar lalo na para sa mga sitwasyon ng NLOS.

Mahalagang tandaan na ang mga pahintulot ay kinakailangan pa rin sa ilang mga bansa bago magamit ang mga hindi lisensyadong banda.

Adaptive Data Rate

Gumagamit ang LoRa ng isang kombinasyon ng variable bandwidth at kumakalat na mga kadahilanan (SF7-SF12) upang iakma ang rate ng data sa isang trade-off sa saklaw ng paghahatid. Pinapayagan ng mas mataas na kadahilanan ng pagkalat ang mas mahabang saklaw sa gastos ng mas mababang rate ng data, at kabaliktaran. Ang kumbinasyon ng bandwidth at pagkalat na kadahilanan ay maaaring mapili alinsunod sa mga kundisyon ng link at ang antas ng data na maililipat. Kaya, ang isang mas mataas na kadahilanan ng pagkalat ay nagpapabuti sa pagganap ng transmisyon at pagiging sensitibo para sa isang naibigay na bandwidth, ngunit pinapataas din nito ang oras ng paghahatid bilang isang resulta ng mas mababang mga rate ng data. Ang mga ito ay maaaring mag-iba mula sa ilang mga 18bps hanggang sa 40Kbp

Antas ng Kakayahang Adaptive

Ang antas ng kuryente na ginamit ng mga radio ng LoRa ay umaangkop. Nakasalalay ito sa mga kadahilanan tulad ng rate ng data at mga kundisyon ng pag-link bukod sa iba pa. Kapag kinakailangan ng isang mabilis na paghahatid, ang naihatid na kuryente ay itulak malapit sa maximum at kabaliktaran. Kaya, ang buhay ng baterya ay na-maximize at pinapanatili ang kapasidad ng network. Ang pagkonsumo ng kuryente ay nakasalalay din sa klase ng mga aparato bukod sa maraming iba pang mga kadahilanan.

LoRaWAN

Ang LoRaWAN ay isang mataas na kapasidad, Long Range, bukas, Mababang Power Wide Area Network (LPWAN) na pamantayan na dinisenyo para sa LoRa Powered IoT Solutions ng LoRa Alliance. Ito ay isang bi-directional na protocol na kung saan ay sinasamantala ang lahat ng mga tampok ng teknolohiya ng LoRa upang makapaghatid ng mga serbisyo kabilang ang maaasahang paghahatid ng mensahe, pagtatapos sa pagtatapos ng seguridad, lokasyon at mga kakayahan sa multicast. Tinitiyak ng pamantayan ang interoperability ng iba't ibang mga network ng LoRaWAN sa buong mundo.

Karaniwan ay may isang halo kapag sinubukan ng mga tao na tukuyin ang LoRa at LoRaWAN na marahil ay pinakamahusay na malulutas sa pamamagitan ng pagsusuri sa modelo ng sangguniang sangguniang OSI.

Sa madaling salita, batay sa Model ng stack ng OSI, ang LoRaWAN ay tumutugma sa Media Access protocol para sa network ng komunikasyon habang ang LoRa ay tumutugma sa Physical layer. Sa gayon tinutukoy ng LoRaWAN ang protocol ng komunikasyon at arkitektura ng system para sa network, habang ang arkitekturang LoRa ay nagbibigay-daan sa link ng komunikasyon sa malayo. Nagsama ang dalawa sa kanila upang maibigay ang pagpapaandar na tumutukoy sa buhay ng baterya ng isang node, ang kapasidad ng network, ang kalidad ng serbisyo, ang seguridad at iba pang mga application na hinahatid ng network. Habang ang LoRaWAN ay ang pinakatanyag na layer ng MAC para sa LoRa iba pang mga pagmamay-ari na mga layer na binuo din sa teknolohiya ng LoRa. Ang isang magandang halimbawa ay ang Symphony link ng Link Labs na espesyal na binuo para sa mga pang-industriya na aplikasyon.

Ang LoRaWAN Network Architecture

Sumasalungat sa topology ng mesh network na pinagtibay ng karamihan sa mga network, ang LoRaWAN ay gumagamit ng arkitektura ng star network, sa gayon, sa halip na ang bawat end-device ay halos palaging nasa estado, na inuulit ang paghahatid mula sa iba pang mga aparato upang madagdagan ang saklaw, mga end-device sa network ng LoRaWAN direktang makipag-usap sa mga gateway at nasa lamang kung kailangan nilang makipag-usap sa gateway dahil ang saklaw ay hindi isang problema. Ito ay isang nag-aambag na kadahilanan sa Mababang mga tampok sa kuryente at Mataas na buhay ng baterya na nakuha sa mga aparato ng pagtatapos ng LoRa

Ang LoRa Network Architecture ay binubuo ng apat na pangunahing bahagi;

1. Pagtatapos ng Mga Device

2. Mga Gateway

3. Network server

4. Application Server

1. Pagtatapos ng Mga Device

Ito ang mga sensor o actuator sa gilid ng network. Naghahatid ang mga end-device ng iba't ibang mga application at may iba't ibang mga kinakailangan. Upang ma-optimize ang iba't ibang mga profile sa pagtatapos ng application, gumagamit ang LoRaWAN ™ ng tatlong magkakaibang mga klase ng aparato kung saan maaaring mai-configure ang mga end-device. Nagtatampok ang mga klase ng trade off sa pagitan ng latency ng downlink na komunikasyon at buhay ng baterya ng aparato.

Ang tatlong pangunahing klase ay;

1. Mga End-device na Bi-Directional (Class A)

2. Mga bi-directional end-device na may naka-iskedyul na makatanggap ng mga puwang (Class B)

3. Mga bi-directional end-device na may pinakamaraming makatanggap na mga puwang (Class C)

ako Class A End-Devices

Ito ang mga aparato na nangangailangan lamang ng komunikasyon ng downlink mula sa serve r kaagad pagkatapos ng isang Uplink. Halimbawa, ang mga ito ay mga aparato na kailangang makatanggap ng kumpirmasyon sa paghahatid ng mensahe mula sa server pagkatapos ng isang uplink. Para sa klase ng mga aparato, dapat silang maghintay hanggang maipadala ang isang Uplink sa server bago matanggap ang anumang downlink. Bilang isang resulta nito, ang komunikasyon ay pinananatili sa minimum at sa gayon sila ay may pinakamababang pagpapatakbo ng kuryente at pinakamataas na buhay ng baterya. Ang isang mahusay na halimbawa ng mga aparato ng klase A ay isang batay sa LoRa na Smart Energy Meter

ii. Mga End-Device ng Class B

Ang mga aparatong ito ay inilalaan ng karagdagang mga downlink window sa nakaiskedyul na mga agwat bilang karagdagan sa natanggap na downlink kapag naipadala ang isang uplink (Class A + isang naka-iskedyul na labis na downlink). Ang nakaiskedyul na likas na katangian ng downlink na ito ay tinitiyak na ang operasyon ay mababa pa rin ang kuryente dahil ang komunikasyon ay aktibo lamang sa mga naka-iskedyul na agwat ngunit ang sobrang lakas na natupok sa naka-iskedyul na downlink ay nagdaragdag ng pagkonsumo ng kuryente na lampas sa mga aparato ng Class A, dahil dito, mayroon silang mas mababang baterya buhay kumpara sa klase ng end-device.

iii. Mga End-Device ng Class C

Ang klase ng mga aparato ay walang limitasyon sa downlink. Dinisenyo ang mga ito upang maging palaging bukas sa mga komunikasyon mula sa server. Naubos nila ang higit na lakas kaysa sa iba pang mga klase at may pinakamababang buhay sa baterya. Ang mga magagandang halimbawa ng mga aparato ng klase C ay mga end device na ginagamit sa pamamahala ng fleet o tunay na pagsubaybay sa trapiko.

2. Mga Gateway

Ang mga gateway (tinukoy din bilang mga concentrator) ay mga aparato na konektado sa server ng network sa pamamagitan ng karaniwang mga koneksyon sa IP na nagpapasa ng mga mensahe sa pagitan ng backend ng gitnang network server at mga end-device na gumagamit ng single-hop wireless na komunikasyon sa protocol. Dinisenyo ang mga ito upang suportahan ang komunikasyon ng bi-directional at nilagyan ng multicast na nagbibigay-daan sa software na magpadala ng mga mensahe ng pamamahagi ng masa tulad ng mga over-the-air update.

Sa gitna ng bawat LoRa gateway ay isang multi-channel na LoRa demodulator na ma-decode ang lahat ng mga variant ng modulasyon ng LoRa sa maraming mga frequency na kahanay.

Para sa isang malakihang operator ng network, ang pangunahing mga kadahilanan na nakikilala ay dapat na pagganap ng radyo (pagiging sensitibo, pagpapadala ng lakas), ang koneksyon ng SX1301 chip sa gateway MCU (USB sa SPI o SPI sa SPI) at ang suporta at pamamahagi ng PPS signal na ang pagkakaroon ay nagbibigay-daan para sa tumpak na pagsasabay sa oras sa buong populasyon ng gateway sa isang network

Ang LoRa ay kumakalat ng komunikasyon sa pagitan ng mga end-device at gateway sa maraming mga channel ng dalas at mga rate ng data. Ang kumakalat na teknolohiya ng spectrum ay gumagamit ng mga rate ng data mula sa 0.3 kbps hanggang 50 kbps upang maiwasan ang mga komunikasyon na makagambala sa bawat isa at lumilikha ng isang hanay ng mga "virtual" na channel na nagdaragdag ng kapasidad ng gateway.

Upang ma-maximize ang parehong buhay ng baterya ng mga end-device at ang pangkalahatang kapasidad ng network, pinamamahalaan ng server ng LoRa network ang rate ng data at output ng RF para sa bawat end-device nang paisa-isa sa pamamagitan ng isang adaptive data rate (ADR) scheme.

3. Network Server

Ang server ng Lora Network ay ang interface sa pagitan ng Application server at ng Gateways. Ipinapasa nito ang mga utos mula sa server ng Application sa gateway habang isinasakay ang data mula sa mga gateway sa server ng application. Nagsasagawa ito ng mga pag-andar kasama ang pagtiyak na walang mga duplicate na packet, Pag-iskedyul ng pagkilala at pamamahala ng rate ng data at output ng RF para sa bawat end-device na indibidwal na gumagamit ng isang adaptive data rate (ADR) scheme.

4. Application Server

Tinutukoy ng server ng application kung para saan ginagamit ang data mula sa mga end device. Marahil ay ginagawa dito ang Data Visualization atbp.

LoRaWAN Seguridad at Privacy

Ang kahalagahan ng seguridad at privacy sa anumang solusyon sa IoT ay hindi maaaring bigyang diin. Ang LoRaWAN na protokol ay tumutukoy sa pag-encrypt upang matiyak na ang iyong data ay ligtas, kongkreto

* Per-aparato AES128 key

* Instant na pagbabagong-buhay / pagbawi ng mga susi ng aparato

* Per-packet na pag-encrypt ng payload para sa privacy ng data

* Proteksyon laban sa mga pag-atake ng replay

* Proteksyon laban sa mga pag-atake ng tao sa gitna

Gumagamit ang LoRa ng dalawang mga susi; Ang Session ng Network at Session ng Application Session na parehong nagbibigay ng split, naka-encrypt na komunikasyon para sa pamamahala ng network at komunikasyon sa application.

Ang susi ng session ng network, na ibinahagi sa pagitan ng aparato at ng network ay responsable para sa pagpapatotoo ng data ng pagtatapos ng node habang ang key ng session ng application, na ibinahagi sa pagitan ng application at ang end node ay responsable para sa paggarantiya ng privacy ng data ng aparato.

Pangunahing Mga Tampok ng LoRAWAN

*> 160 dB badyet sa pag-link

* +20 dBm TX lakas

* Natatanging IIP3

* Ang pagpapabuti ng pagpili ng 10dB sa FSK

* Tolerant sa in-channel na pagsabog ng pagkagambala

* Pinakababang kasalukuyang RX - 10mA

* Pinakamababang kasalukuyang pagtulog

* Ultrafast paggising (pagtulog sa RX / TX)

Mga kalamangan ng LoRa

Nasa ibaba ang ilan sa mga pakinabang na nauugnay sa LoRa;

1. Long Range at Coverage: Na may hanggang sa 15km na LOS Range, ang saklaw nito ay hindi maikumpara sa alinmang ibang protocol sa Komunikasyon.

2. Mababang Kapangyarihan: Nag- aalok ang LoRa ng sobrang mababang mga radio na kuryente na ginagawang perpekto para sa mga aparato na kinakailangan ng 10 taon o