Inleiding tot lora en lorawan: wat is lora en hoe werkt het?

Communicatie is een van de belangrijkste onderdelen van elk IoT-project. Het vermogen van een ding om te communiceren met andere "dingen" (een apparaatwolk / server) is wat het "ding" het recht geeft om het "internet" aan zijn naam te koppelen. Hoewel er talloze communicatieprotocollen bestaan, ontbreekt het aan elk van hen het een of het ander waardoor ze "niet helemaal geschikt" zijn voor IoT-toepassingen. De belangrijkste problemen zijn stroomverbruik, bereik / dekking en bandbreedte.

De meeste communicatieradio's zoals Zigbee, BLE en WiFi hebben een kort bereik en andere, zoals 3G en LTE, hebben veel stroom en de omvang van hun dekkingsgebieden kan niet worden gegarandeerd, vooral in ontwikkelingslanden. Hoewel deze protocollen en communicatiemodi voor bepaalde projecten werken, brengt het een uitgebreide beperking met zich mee, zoals; problemen bij het implementeren van IoT-oplossingen in gebieden zonder mobiele (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) dekking en een grove vermindering van de batterijduur van apparaten. Met het oog op de toekomst van het IoT en de verbinding van allerlei 'dingen', die zich op allerlei plaatsen bevinden, was er dus behoefte aan een communicatiemedium dat op maat is gemaakt voor het IoT en dat de vereisten van een specifiek laag vermogen en een aanzienlijk groot bereik ondersteunt., goedkoop, veilig en gemakkelijk te implementeren. Dit is waar LoRa binnenkomt.

LoRa (wat staat voor Long Range) is een gepatenteerde draadloze communicatietechnologie die een ultralaag stroomverbruik combineert met een effectief groot bereik. Hoewel het bereik sterk afhangt van de omgeving en mogelijke obstakels (LOS of N-LOS), heeft LoRa doorgaans een bereik tussen 13-15 km, wat betekent dat een enkele LoRa-gateway dekking kan bieden voor een hele stad, en met een paar meer, een hele stad. land. De technologie is ontwikkeld door Cycleo in Frankrijk en kwam naar voren toen het bedrijf in 2012 werd overgenomen door Semtech. We gebruikten LoRa-modules met Arduino en met Raspberry Pi en ze werkten zoals verwacht.

Eigenschappen van LoRa

Een LoRa-radio bestaat uit een paar functies die hem helpen effectief vermogen op lange afstand en lage kosten te bereiken. Enkele van deze functies zijn onder meer;

1. Modulatietechniek
2. Frequentie
3. Adaptieve gegevenssnelheden
4. Adaptieve vermogensniveaus

Modulatie

Lora-radio's gebruiken de chirp-modulatietechniek met gespreid spectrum om een ​​aanzienlijk hoog communicatiebereik te bereiken met behoud van lage vermogenskarakteristieken die vergelijkbaar zijn met de FSK-modulatie op fysieke laag gebaseerde radio's. Hoewel chirp spread spectrum modulatie al een tijdje bestaat met toepassingen in militaire en ruimtecommunicatie, presenteert LoRa de eerste, goedkope commerciële toepassing van de modulatietechniek.

Frequentie

Hoewel de LoRa-technologie frequentie-agnostisch is, gebeurt de communicatie tussen LoRa-radio's via het gebruik van niet-gelicentieerde sub-GHz radiofrequentiebanden die over de hele wereld beschikbaar zijn. Deze frequenties verschillen van regio tot regio en verschillen vaak ook tussen landen. De 868 MHz wordt bijvoorbeeld veel gebruikt voor LoRa-communicatie in Europa, terwijl de 915 MHz wordt gebruikt in Noord-Amerika. Ongeacht de frequentie kan LoRa worden gebruikt zonder grote variatie in de technologie.

Frequentiebanden voor LoRa in verschillende landen

Door lagere frequenties te gebruiken dan die van de communicatiemodules, zoals WiFi op basis van de 2,4 of 5,8 GHz ISM-banden, is een veel groter dekkingsgebied mogelijk, vooral voor NLOS-situaties.

Het is belangrijk op te merken dat in sommige landen nog steeds machtigingen vereist zijn voordat de niet-gelicentieerde banden kunnen worden gebruikt.

Adaptieve gegevenssnelheid

LoRa gebruikt een combinatie van variabele bandbreedte en spreidingsfactoren (SF7-SF12) om de datasnelheid aan te passen in een afweging met het bereik van de transmissie. Een hogere spreidingsfactor maakt een groter bereik mogelijk ten koste van een lagere gegevenssnelheid en vice versa. De combinatie van bandbreedte en spreidingsfactor kan worden gekozen in overeenstemming met de verbindingsvoorwaarden en het niveau van de te verzenden gegevens. Aldus verbetert een hogere spreidingsfactor de transmissieprestaties en gevoeligheid voor een gegeven bandbreedte, maar het verhoogt ook de transmissietijd als gevolg van lagere datasnelheden. Deze kunnen variëren van slechts 18bps tot 40Kbp

Adaptief vermogensniveau

Het vermogensniveau dat door LoRa-radio's wordt gebruikt, is adaptief. Het is onder andere afhankelijk van factoren zoals de gegevenssnelheid en linkcondities. Wanneer een snelle transmissie vereist is, wordt het uitgezonden vermogen dichter naar het maximum geduwd en vice versa. Zo wordt de levensduur van de batterij gemaximaliseerd en blijft de netwerkcapaciteit behouden. Het stroomverbruik is ook afhankelijk van de klasse van apparaten, naast verschillende andere factoren.

LoRaWAN

LoRaWAN is een hoge capaciteit, Long Range, open, Low Power Wide Area Network (LPWAN) -standaard, ontworpen voor LoRa Powered IoT-oplossingen door de LoRa Alliance. Het is een bidirectioneel protocol dat ten volle profiteert van alle functies van de LoRa-technologie om services te leveren, waaronder betrouwbare berichtaflevering, end-to-end beveiliging, locatie- en multicast-mogelijkheden. De standaard zorgt voor de interoperabiliteit van de verschillende LoRaWAN-netwerken wereldwijd.

Er is meestal een verwarring wanneer mensen LoRa en LoRaWAN proberen te definiëren, wat waarschijnlijk het beste kan worden opgelost door het OSI-referentiestapelmodel te onderzoeken.

Simpel gezegd, gebaseerd op het OSI- stackmodel, komt LoRaWAN overeen met het Media Access-protocol voor het communicatienetwerk, terwijl LoRa overeenkomt met de fysieke laag. LoRaWAN definieert dus het communicatieprotocol en de systeemarchitectuur voor het netwerk, terwijl de LoRa-architectuur de langeafstandscommunicatieverbinding mogelijk maakt. De twee zijn samengevoegd om de functionaliteit te bieden die de levensduur van de batterij van een knooppunt, de netwerkcapaciteit, de servicekwaliteit, de beveiliging en andere applicaties bepaalt die door het netwerk worden bediend. Hoewel LoRaWAN de meest populaire MAC-laag is voor LoRa, bestaan ​​er andere gepatenteerde lagen die ook op de LoRa-technologie zijn gebouwd. Een goed voorbeeld is Symphony link van Link Labs dat speciaal is ontwikkeld voor industriële toepassingen.

De LoRaWAN-netwerkarchitectuur

In tegenstelling tot de mesh-netwerktopologie die door de meeste netwerken wordt gebruikt, gebruikt LoRaWAN de sternetwerkarchitectuur, dus in plaats van dat elk eindapparaat bijna altijd aan staat, herhaalt het de transmissie van andere apparaten om het bereik te vergroten, eindapparaten in het LoRaWAN-netwerk communiceren rechtstreeks met gateways en staan ​​alleen aan als ze met de gateway moeten communiceren, aangezien bereik geen probleem is. Dit is een factor die bijdraagt ​​aan de Low Power-functies en de hoge batterijduur die wordt verkregen in de LoRa-eindapparaten

De LoRa-netwerkarchitectuur bestaat uit vier hoofdonderdelen;

1. Eindapparaten

2. Gateways

3. Netwerkserver

4. Toepassingsserver

1. Eindapparaten

Dit zijn sensoren of actuatoren aan de netwerkrand. Eindapparaten hebben verschillende toepassingen en hebben verschillende eisen. Om een ​​verscheidenheid aan eindapplicatieprofielen te optimaliseren, gebruikt LoRaWAN ™ drie verschillende apparaatklassen waarop eindapparaten kunnen worden geconfigureerd. De klassen hebben een afweging tussen de latentie van de downlink-communicatie en de batterijduur van het apparaat.

De drie belangrijkste klassen zijn;

1. Bidirectionele eindapparaten (Klasse A)

2. Bidirectionele eindapparaten met geplande ontvangstsleuven (klasse B)

3. Bidirectionele eindapparaten met maximale ontvangstsleuven (klasse C)

ik. Klasse A-eindapparaten

Dit zijn apparaten die alleen downlinkcommunicatie van de server nodig hebben direct na een uplink. Het zijn bijvoorbeeld apparaten die na een uplink een bevestiging van de bezorging van berichten van de server moeten ontvangen. Voor deze klasse apparaten moeten ze wachten tot een Uplink naar de server is gestuurd voordat er een downlink kan worden ontvangen. Hierdoor wordt de communicatie tot een minimum beperkt en hebben ze dus het laagste stroomverbruik en de hoogste batterijduur. Een goed voorbeeld van klasse A-apparaten is een op LoRa gebaseerde slimme energiemeter

ii. Klasse B-eindapparaten

Deze apparaten krijgen op geplande intervallen extra downlink-vensters toegewezen naast de downlink die wordt ontvangen wanneer een uplink wordt verzonden (klasse A + een geplande extra downlink). De geplande aard van deze downlink zorgt ervoor dat de werking nog steeds laag is, aangezien de communicatie alleen actief is met geplande intervallen, maar het extra stroomverbruik tijdens de geplande downlink verhoogt het stroomverbruik boven dat van de Klasse A-apparaten, als zodanig hebben ze een lagere batterij levensduur vergeleken met klasse A-eindapparaten.

iii. Klasse C-eindapparaten

Deze klasse van apparaten heeft geen beperking op downlink. Ze zijn ontworpen om bijna altijd open te staan ​​voor communicatie van de server. Ze verbruiken meer stroom dan de andere klassen en hebben de laagste batterijduur. Goede voorbeelden van klasse C-apparaten zijn eindapparaten die worden gebruikt bij wagenparkbeheer of echte verkeersmonitoring.

2. Gateways

Gateways (ook wel concentrators genoemd) zijn apparaten die zijn verbonden met de netwerkserver via standaard IP-verbindingen die berichten doorgeven tussen de backend van de centrale netwerkserver en eindapparaten met behulp van een single-hop draadloos communicatieprotocol. Ze zijn ontworpen om bi-directionele communicatie te ondersteunen en zijn uitgerust met multicast waardoor de software massadistributieberichten kan verzenden, zoals draadloze updates.

Het hart van elke LoRa-gateway is een meerkanaals LoRa-demodulator die alle LoRa-modulatievarianten parallel op verschillende frequenties kan decoderen.

Voor een grootschalige netwerkoperator zijn de belangrijkste onderscheidende factoren de radioprestaties (gevoeligheid, zendvermogen), de aansluiting van de SX1301-chip op de gateway MCU (USB naar SPI of SPI naar SPI) en de ondersteuning en distributie van PPS signaal waarvan de beschikbaarheid nauwkeurige tijdsynchronisatie over de gehele gatewaypopulatie in een netwerk mogelijk maakt

LoRa verspreidt de communicatie tussen eindapparaten en gateways over meerdere frequentiekanalen en datasnelheden. De spread spectrum-technologie maakt gebruik van datasnelheden variërend van 0,3 kbps tot 50 kbps om te voorkomen dat communicatie elkaar stoort en creëert een reeks "virtuele" kanalen die de capaciteit van de gateway vergroten.

Om zowel de batterijduur van de eindapparaten als de totale netwerkcapaciteit te maximaliseren, beheert de LoRa-netwerkserver de gegevenssnelheid en de RF-output voor elk eindapparaat afzonderlijk via een adaptieve gegevenssnelheid (ADR).

3. Netwerkserver

De Lora-netwerkserver is de interface tussen de applicatieserver en de gateways. Het stuurt opdrachten van de applicatieserver naar de gateway terwijl gegevens van de gateways naar de applicatieserver worden verzonden. Het voert functies uit, waaronder het verzekeren dat er geen dubbele pakketten zijn, het plannen van bevestigingen en het beheren van de gegevenssnelheid en RF-uitvoer voor elk eindapparaat afzonderlijk met behulp van een adaptief gegevenssnelheidsschema (ADR).

4. Toepassingsserver

De applicatieserver bepaalt waarvoor de gegevens van de eindapparaten worden gebruikt. Datavisualisatie enz. Worden hier waarschijnlijk gedaan.

LoRaWAN-beveiliging en privacy

Het belang van beveiliging en privacy in elke IoT-oplossing kan niet genoeg worden benadrukt. Het LoRaWAN-protocol specificeert codering om ervoor te zorgen dat uw gegevens veilig zijn, concreet

* AES128-sleutels per apparaat

* Onmiddellijke regeneratie / intrekking van apparaatsleutels

* Payload-encryptie per pakket voor gegevensprivacy

* Bescherming tegen replay-aanvallen

* Bescherming tegen man-in-the-middle-aanvallen

LoRa gebruikt twee sleutels; Netwerksessie- en applicatiesessiesleutels die beide gesplitste, gecodeerde communicatie bieden voor netwerkbeheer en applicatiecommunicatie.

De netwerksessiesleutel, gedeeld tussen het apparaat en het netwerk, is verantwoordelijk voor authenticatie van de eindknooppuntgegevens, terwijl de applicatiesessiesleutel, gedeeld tussen de toepassing en het eindknooppunt, verantwoordelijk is voor het garanderen van de privacy van de apparaatgegevens.

Belangrijkste kenmerken van LoRAWAN

*> 160 dB verbindingsbudget

* +20 dBm TX-vermogen

* Uitzonderlijke IIP3

* 10dB selectiviteitsverbetering ten opzichte van FSK

* Tolereert in-channel burst-interferentie

* Laagste RX-stroom - 10mA

* Laagste slaapstroom

* Ultrasnelle wake-up (slaap naar RX / TX)

Voordelen van LoRa

Hieronder staan ​​enkele voordelen van LoRa;

1. Lange afstand en dekking: met een LOS-bereik tot 15 km kan het bereik niet worden vergeleken met dat van enig ander communicatieprotocol.

2. Low Power: LoRa biedt hyper low power radio's waardoor ze ideaal zijn voor apparaten die 10 jaar meegaan of