Pengenalan lora dan lorawan: apa itu lora dan bagaimana ia berfungsi?

Komunikasi adalah salah satu bahagian terpenting dari sebarang projek IoT. Kemampuan sesuatu untuk berkomunikasi dengan "perkara" lain (awan / pelayan peranti) adalah apa yang memberi "benda" hak untuk melampirkan "internet" pada namanya. Walaupun banyak protokol komunikasi ada, masing-masing kekurangan satu atau lain-lain yang menjadikannya "tidak sepenuhnya sesuai" untuk aplikasi IoT. Masalah utama ialah penggunaan kuasa, julat / liputan dan lebar jalur.

Sebilangan besar radio komunikasi seperti Zigbee, BLE, WiFi antara lain jarak pendek dan yang lain seperti, 3G dan LTE, lapar kuasa dan jangka masa kawasan liputannya tidak dapat dijamin terutama di negara membangun. Walaupun protokol dan mod komunikasi ini berfungsi untuk projek-projek tertentu, ia membawa had yang luas seperti; kesukaran dalam menggunakan penyelesaian IoT di kawasan tanpa liputan selular (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) dan pengurangan besar dalam jangka hayat bateri peranti. Oleh itu, untuk melihat masa depan IoT dan penyambungan semua jenis "perkara", yang terletak di semua jenis tempat, terdapat keperluan untuk media komunikasi yang disesuaikan untuk IoT yang menyokong keperluannya dengan daya rendah khususnya, jarak jauh, murah, selamat, dan mudah digunakan. Di sinilah LoRa masuk.

LoRa (singkatan dari Long Range) adalah teknologi komunikasi tanpa wayar yang dipatenkan yang menggabungkan penggunaan kuasa ultra rendah dengan jarak jauh yang berkesan. Walaupun jarak jauh bergantung pada persekitaran dan kemungkinan halangan (LOS atau N-LOS), LoRa biasanya mempunyai jarak antara 13- 15Km, yang bermaksud satu gateway LoRa dapat memberikan liputan untuk seluruh kota, dan dengan beberapa lagi, keseluruhan negara. Teknologi ini dikembangkan oleh Cycleo di Perancis dan muncul ketika syarikat itu diambil alih oleh Semtech pada tahun 2012. Kami menggunakan modul LoRa dengan Arduino dan dengan Raspberry Pi dan mereka berfungsi seperti yang diharapkan.

Ciri-ciri LoRa

Radio LoRa terdiri daripada beberapa ciri yang membantunya mencapai kuasa efektif jangka panjang dan kos rendah. Beberapa ciri ini merangkumi;

1. Teknik Modulasi
2. Kekerapan
3. Kadar Data Adaptif
4. Tahap Kuasa Adaptif

Modulasi

Radio Lora menggunakan teknik modulasi spektrum penyebaran kicauan untuk mencapai julat komunikasi yang sangat tinggi sambil mengekalkan ciri daya rendah yang serupa dengan radio berasaskan lapisan fizikal modulasi FSK. Walaupun modulasi spektrum penyebaran kicauan telah ada sejak sekian lama dengan aplikasi dalam komunikasi ketenteraan dan angkasa lepas, LoRa menyajikan aplikasi komersial modulasi kos rendah pertama.

Kekerapan

Walaupun teknologi LoRa adalah frekuensi agnostik, Komunikasi antara radio LoRa berlaku melalui penggunaan jalur frekuensi radio sub-GHz tanpa izin yang tersedia di seluruh dunia. Frekuensi ini berbeza-beza dari satu wilayah ke satu wilayah dan selalunya juga berbeza antara satu negara. Contohnya 868MHz biasanya digunakan untuk komunikasi LoRa di Eropah, sementara 915MHz digunakan di Amerika Utara. Tanpa mengira frekuensi, LoRa dapat digunakan tanpa variasi besar dalam teknologi.

Jalur Frekuensi untuk LoRa di Negara yang berbeza

Menggunakan frekuensi yang lebih rendah daripada modul komunikasi seperti WiFi berdasarkan jalur ISM 2.4 atau 5.8GHz membolehkan kawasan liputan yang jauh lebih besar terutama untuk situasi NLOS.

Penting untuk diperhatikan bahawa kebenaran masih diperlukan di beberapa negara sebelum jalur yang tidak berlesen dapat digunakan.

Kadar Data Adaptif

LoRa menggunakan gabungan lebar jalur berubah dan faktor penyebaran (SF7-SF12) untuk menyesuaikan kadar data dalam pertukaran dengan jarak transmisi. Faktor penyebaran yang lebih tinggi membolehkan jarak yang lebih panjang dengan mengorbankan kadar data yang lebih rendah, dan sebaliknya. Gabungan lebar jalur dan faktor penyebaran dapat dipilih mengikut keadaan pautan dan tahap data yang akan dihantar. Oleh itu, faktor penyebaran yang lebih tinggi meningkatkan prestasi transmisi dan kepekaan untuk lebar jalur tertentu, tetapi ia juga meningkatkan masa penghantaran akibat kadar data yang lebih rendah. Ini boleh berbeza-beza antara 18bps hingga 40Kbp

Tahap Kuasa Adaptif

Tahap kuasa yang digunakan oleh radio LoRa bersifat adaptif. Ia bergantung pada faktor-faktor seperti kadar data dan keadaan hubungan antara lain. Apabila transmisi pantas diperlukan, daya yang dihantar didorong lebih dekat ke maksimum dan sebaliknya. Oleh itu, hayat bateri dimaksimumkan dan kapasiti rangkaian dikekalkan. Penggunaan kuasa juga bergantung pada kelas peranti antara beberapa faktor lain.

LoRaWAN

LoRaWAN adalah standard, Long Range, open, Low Power Wide Area Network (LPWAN) berkapasiti tinggi yang direka untuk LoRa Powered IoT Solutions oleh LoRa Alliance. Ini adalah protokol dwi-arah yang memanfaatkan sepenuhnya semua ciri teknologi LoRa untuk menyampaikan perkhidmatan termasuk penghantaran mesej yang boleh dipercayai, keselamatan hujung ke hujung, lokasi dan keupayaan multicast. Piawaian memastikan kebolehoperasian pelbagai rangkaian LoRaWAN di seluruh dunia.

Biasanya terdapat percampuran ketika orang cuba menentukan LoRa dan LoRaWAN yang mungkin paling baik diselesaikan dengan memeriksa Model timbunan rujukan OSI.

Ringkasnya, berdasarkan Model stack OSI, LoRaWAN sesuai dengan protokol Akses Media untuk rangkaian komunikasi sementara LoRa sesuai dengan lapisan Fisik. Oleh itu LoRaWAN mendefinisikan protokol komunikasi dan seni bina sistem untuk rangkaian, sementara seni bina LoRa memungkinkan hubungan komunikasi jarak jauh. Mereka berdua bergabung bersama untuk menyediakan fungsi yang menentukan jangka hayat bateri suatu nod, kapasiti rangkaian, kualiti perkhidmatan, keselamatan dan aplikasi lain yang dilayan oleh rangkaian. Walaupun LoRaWAN adalah lapisan MAC yang paling popular untuk LoRa lapisan proprietari lain yang juga dibina berdasarkan teknologi LoRa ada. Contoh yang baik ialah Symphony link oleh Link Labs yang dibangunkan khas untuk aplikasi industri.

Senibina Rangkaian LoRaWAN

Bertentangan dengan topologi jaringan mesh yang diadopsi oleh kebanyakan rangkaian, LoRaWAN menggunakan seni bina rangkaian bintang, oleh itu, daripada mempunyai setiap peranti akhir dalam keadaan hampir selalu dalam keadaan, mengulangi penghantaran dari peranti lain untuk meningkatkan jangkauan, peranti akhir dalam rangkaian LoRaWAN berkomunikasi secara langsung dengan gateway dan hanya aktif apabila mereka perlu berkomunikasi dengan gateway kerana jarak jauh tidak menjadi masalah. Ini adalah faktor penyumbang kepada ciri kuasa rendah dan hayat bateri tinggi yang diperoleh dalam peranti akhir LoRa

Senibina Rangkaian LoRa terdiri daripada empat bahagian utama;

1. Peranti Akhir

2. Gerbang

3. Pelayan rangkaian

4. Pelayan Aplikasi

1. Peranti Akhir

Ini adalah sensor atau penggerak di pinggir rangkaian. Peranti akhir melayani aplikasi yang berbeza dan mempunyai keperluan yang berbeza. Untuk mengoptimumkan pelbagai profil aplikasi akhir, LoRaWAN ™ menggunakan tiga kelas peranti yang berbeza yang dapat dikonfigurasi sebagai peranti akhir. Kelas-kelas tersebut mempunyai pertukaran antara latensi komunikasi pautan bawah dan hayat bateri peranti.

Tiga kelas utama adalah;

1. Peranti akhir dua arah (Kelas A)

2. Peranti akhir dua arah dengan slot penerimaan berjadual (Kelas B)

3. Peranti akhir dua arah dengan slot penerimaan maksimum (Kelas C)

i. Peranti Akhir Kelas A

Ini adalah perangkat yang hanya memerlukan komunikasi downlink dari layanan segera setelah Uplink. Sebagai contoh, mereka adalah peranti yang perlu menerima pengesahan penghantaran mesej dari pelayan setelah uplink. Untuk kelas peranti ini, mereka mesti menunggu sehingga Uplink dihantar ke pelayan sebelum sebarang downlink dapat diterima. Akibatnya, komunikasi dijaga minimum dan dengan demikian mereka mempunyai operasi kuasa paling rendah dan jangka hayat bateri tertinggi. Contoh yang baik bagi peranti kelas A ialah Smart Energy Meter berasaskan LoRa

ii. Peranti Akhir Kelas B

Peranti ini diperuntukkan tetingkap pautan bawah tambahan pada selang waktu yang dijadualkan selain pautan bawah yang diterima ketika pautan atas dihantar (Kelas A + pautan bawah yang dijadualkan). Sifat berjadual downlink yang dijadualkan ini memastikan operasi masih berkuasa rendah kerana komunikasi hanya aktif pada selang waktu yang dijadualkan tetapi kuasa tambahan yang digunakan semasa downlink yang dijadualkan akan meningkatkan penggunaan kuasa melebihi peranti Kelas A, kerana itu, mereka mempunyai bateri yang lebih rendah kehidupan berbanding peranti akhir kelas A.

iii. Peranti Akhir Kelas C

Kelas peranti ini tidak mempunyai had pada pautan bawah. Mereka dirancang untuk sentiasa terbuka untuk komunikasi dari pelayan. Mereka menggunakan lebih banyak tenaga daripada kelas lain dan mempunyai hayat bateri paling rendah. Contoh yang baik dari peranti kelas C adalah peranti akhir yang digunakan dalam pengurusan armada atau pemantauan lalu lintas sebenar.

2. Gerbang

Gateways (juga disebut sebagai penumpu) adalah peranti yang disambungkan ke pelayan rangkaian melalui sambungan IP standard yang menyampaikan mesej antara backend pelayan rangkaian pusat dan peranti akhir menggunakan protokol komunikasi tanpa wayar tunggal. Mereka dirancang untuk menyokong komunikasi dua hala dan dilengkapi dengan multicast yang membolehkan perisian menghantar mesej pengedaran massa seperti kemas kini melalui udara.

Di tengah-tengah setiap pintu masuk LoRa adalah demodulator LoRa berbilang saluran yang dapat menyahkod semua varian modulasi LoRa pada beberapa frekuensi secara selari.

Untuk pengendali rangkaian berskala besar, faktor pembezaan utama mestilah prestasi radio (kepekaan, daya hantaran), sambungan cip SX1301 ke pintu masuk MCU (USB ke SPI atau SPI ke SPI) dan sokongan dan pengedaran PPS isyarat yang ketersediaannya memungkinkan untuk penyegerakan waktu yang tepat ke seluruh populasi gerbang dalam rangkaian

LoRa menyebarkan komunikasi antara peranti akhir dan pintu masuk di pelbagai saluran frekuensi dan kadar data. Teknologi spektrum penyebaran menggunakan kadar data antara 0,3 kbps hingga 50 kbps untuk mengelakkan komunikasi saling mengganggu satu sama lain dan membuat satu set saluran "maya" yang meningkatkan kapasiti pintu masuk.

Untuk memaksimumkan hayat bateri peranti akhir dan kapasiti rangkaian keseluruhan, pelayan rangkaian LoRa menguruskan kadar data dan output RF untuk setiap peranti akhir secara individu melalui skema kadar data adaptif (ADR).

3. Pelayan Rangkaian

Pelayan Rangkaian Lora adalah antara muka antara pelayan Aplikasi dan Gateways. Ia menyampaikan arahan dari pelayan Aplikasi ke gerbang sambil mengangkut data dari gerbang ke pelayan aplikasi. Ia menjalankan fungsi termasuk memastikan tidak ada paket pendua, Penjadualan pengakuan dan pengurusan kadar data dan output RF untuk setiap peranti akhir secara individu menggunakan skema kadar data adaptif (ADR).

4. Pelayan Aplikasi

Pelayan aplikasi menentukan untuk apa data dari peranti akhir digunakan. Visualisasi data dan lain-lain mungkin dilakukan di sini.

Keselamatan dan Privasi LoRaWAN

Kepentingan keselamatan dan privasi dalam sebarang penyelesaian IoT tidak boleh dititikberatkan. Protokol LoRaWAN menentukan enkripsi untuk memastikan data anda selamat, konkrit

* Kekunci AES128 setiap peranti

* Penjanaan semula / pembatalan kunci peranti serta-merta

* Penyulitan muatan per-paket untuk privasi data

* Perlindungan terhadap serangan ulangan

* Perlindungan terhadap serangan man-in-the-middle

LoRa menggunakan dua kekunci; Kunci Sesi Rangkaian dan Sesi Aplikasi yang kedua-duanya menyediakan komunikasi terpecah, disulitkan untuk pengurusan rangkaian dan komunikasi aplikasi.

Kunci sesi rangkaian, yang dikongsi antara peranti dan rangkaian bertanggungjawab untuk pengesahan data simpul akhir sementara kunci sesi aplikasi, yang dikongsi antara aplikasi dan simpul akhir bertanggungjawab untuk menjamin privasi data peranti.

Ciri-ciri Utama LoRAWAN

*> Anggaran pautan 160 dB

* Kuasa +20 dBm TX

* IIP3 yang luar biasa

* Peningkatan selektiviti 10dB berbanding FSK

* Toleransi terhadap gangguan pecah dalam saluran

* Arus RX terendah - 10mA

* Semasa tidur paling rendah

* Bangun Ultrafast (tidur hingga RX / TX)

Kelebihan LoRa

Berikut adalah beberapa kelebihan yang berkaitan dengan LoRa;

1. Jangkauan Panjang dan Liputan: Dengan Jarak LOS hingga 15km, jaraknya tidak dapat dibandingkan dengan protokol Komunikasi lain.

2. Daya Rendah: LoRa menawarkan radio berkuasa rendah yang menjadikannya Ideal untuk peranti yang diperlukan bertahan selama 10 tahun atau