מבוא ללורה ולורוואן: מהי לורה ואיך זה עובד?

תקשורת היא אחד החלקים החשובים ביותר בכל פרויקט IoT. היכולת של דבר לתקשר עם "דברים" אחרים (ענן / שרת מכשירים) היא זו שמעניקה ל"דבר "את הזכות לצרף את" האינטרנט "לשמו. אמנם קיימים טונות של פרוטוקולי תקשורת, אך לכל אחד מהם חסר דבר כזה או אחר מה שהפך אותם ל"לא לגמרי מתאימים "ליישומי IoT. הבעיות העיקריות הן צריכת חשמל, טווח / כיסוי ורוחב פס.

מרבית מכשירי הרדיו כמו זיגבי, BLE, WiFi בין היתר הם קצרי טווח ואחרים כמו, 3G ו- LTE, רעבים לחשמל ולא ניתן להבטיח את טווח אזורי הכיסוי שלהם במיוחד במדינות מתפתחות. בעוד שפרוטוקולים ומצבי תקשורת אלה פועלים עבור פרויקטים מסוימים, זה מביא למגבלה נרחבת כמו; קשיים בפריסת פתרונות IoT באזורים ללא כיסוי סלולרי (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) והפחתה ברוטו של חיי הסוללה של המכשירים. לפיכך, בהתחשב בעתיד ה- IoT ובחיבור כל מיני "דברים", הממוקמים בכל מיני מקומות, היה צורך במדיום תקשורת המותאם אישית ל- IoT התומך בדרישותיו של הספק נמוך במיוחד וטווח ארוך משמעותית., זול, מאובטח וקל לפריסה. כאן נכנסת LoRa.

LoRa (שמייצגת Long Range) היא טכנולוגיית תקשורת אלחוטית פטנטית המשלבת צריכת חשמל נמוכה במיוחד עם טווח ארוך יעיל. בעוד שהטווח תלוי מאוד בסביבה ובמכשולים אפשריים (LOS או N-LOS), ל- LoRa יש בדרך כלל טווח שבין 13-15 ק"מ, כלומר שער LoRa יחיד יכול לספק כיסוי לעיר שלמה, ועם עוד כמה, שלם מדינה. הטכנולוגיה פותחה על ידי Cycleo בצרפת והגיעה לידי ביטוי כאשר החברה נרכשה על ידי Semtech בשנת 2012. השתמשנו במודולי LoRa עם Arduino ועם Raspberry Pi והם עבדו כצפוי.

תכונות של LoRa

רדיו LoRa כולל כמה תכונות המסייעות לו להשיג הספק יעיל לטווח ארוך ועלות נמוכה. חלק מהתכונות הללו כוללות;

1. טכניקת אפנון
2. תדירות
3. שיעורי נתונים מסתגלים
4. רמות כוח מסתגלות

וויסות

מכשירי רדיו של לורה משתמשים בטכניקת אפנון ספקטרום התפשטות ציוץ כדי להשיג טווח תקשורת גבוה משמעותית תוך שמירה על מאפייני הספק נמוך הדומים לרדיו הרדיו המבוסס על אפנון FSK. בעוד שאפנון ספקטרום התפשטות ציוץ קיים זמן מה עם יישומים בתקשורת צבאית וחללית, LoRa מציגה את היישום המסחרי הראשון בעלות נמוכה של טכניקת האפנון.

תדירות

בעוד שטכנולוגיית ה- LoRa היא אגנוסטית לתדרים, התקשורת בין מכשירי הרדיו של LoRa מתרחשת באמצעות שימוש בתזרי תדרים רדיו ללא רשיון תת-GHz הזמינים ברחבי העולם. תדרים אלה משתנים מאזור לאזור ולעיתים קרובות גם שונים בין מדינות. למשל, 868 מגה-הרץ משמש בדרך כלל לתקשורת LoRa באירופה, ואילו 915 מגה-הרץ משמש בצפון אמריקה. ללא קשר לתדירות, ניתן להשתמש ב- LoRa ללא כל שינוי משמעותי בטכנולוגיה.

להקות תדרים עבור LoRa במדינות שונות

שימוש בתדרים נמוכים יותר מאלה של מודולי התקשורת כמו WiFi המבוסס על להקות ISM של 2.4 או 5.8 GHz, מאפשר כיסוי גדול בהרבה במיוחד במצבי NLOS.

חשוב לציין כי הרשאות עדיין נדרשות במדינות מסוימות לפני שניתן יהיה להשתמש בלהקות ללא רישיון.

קצב נתונים מסתגל

LoRa משתמשת בשילוב של רוחב פס משתנה וגורמי התפשטות (SF7-SF12) כדי להתאים את קצב הנתונים בפיתוי לטווח השידור. גורם התפשטות גבוה יותר מאפשר טווח ארוך יותר על חשבון קצב נתונים נמוך יותר, ולהיפך. ניתן לבחור את השילוב בין רוחב הפס לגורם התפשטות בהתאם לתנאי הקישור ולרמת הנתונים שיש להעביר. לפיכך, גורם התפשטות גבוה יותר משפר את ביצועי השידור ורגישות רוחב הפס הנתון, אך הוא גם מגדיל את זמן השידור כתוצאה מקצבי נתונים נמוכים יותר. אלה יכולים לנוע בין 18bps עד 40Kbp

רמת כוח מסתגלת

רמת ההספק המשמשת מכשירי רדיו LoRa היא אדפטיבית. זה תלוי בגורמים כמו קצב הנתונים ותנאי הקישור בין היתר. כאשר נדרשת שידור מהיר, הכוח המשודר נדחק קרוב יותר למקסימום ולהיפך. לפיכך, חיי הסוללה מוגבלים ונשמרת קיבולת הרשת. צריכת החשמל תלויה גם בסוג המכשירים בין מספר גורמים אחרים.

LoRaWAN

LoRaWAN הוא תקן בעל יכולת גבוהה, ארוך טווח, פתוח, צריכת חשמל רחבה עם עוצמה נמוכה (LPWAN), המיועד לפתרונות IoT מופעלים על ידי LoRa Alliance. זהו פרוטוקול דו כיווני המנצל את מלוא היתרונות של כל התכונות של טכנולוגיית LoRa בכדי לספק שירותים כולל העברת הודעות אמינה, יכולות אבטחה מקצה לקצה, מיקום ויכולת שידור מולטי-קול. התקן מבטיח יכולת פעולה הדדית של רשתות LoRaWAN השונות ברחבי העולם.

בדרך כלל יש ערבוב כאשר אנשים מנסים להגדיר את LoRa ו- LoRaWAN שכנראה ניתן לפתור בצורה הטובה ביותר על ידי בחינת מודל מחסנית ההפניה של OSI.

במילים פשוטות, בהתבסס על מודל ה- stack של OSI, LoRaWAN תואם את פרוטוקול Media Access עבור רשת התקשורת ואילו LoRa תואם את השכבה הפיזית. כך LoRaWAN מגדירה את פרוטוקול התקשורת וארכיטקטורת המערכת עבור הרשת, בעוד שארכיטקטורת LoRa מאפשרת קישור תקשורת לטווח הרחוק. שניהם התמזגו יחד כדי לספק את הפונקציונליות הקובעת את חיי הסוללה של צומת, קיבולת הרשת, איכות השירות, האבטחה ויישומים אחרים המשרתים על ידי הרשת. בעוד ש- LoRaWAN היא שכבת ה- MAC הפופולרית ביותר עבור LoRa קיימת שכבות קנייניות אחרות אשר בנויות גם על טכנולוגיית LoRa. דוגמה טובה היא קישור סימפוניה של Link Labs אשר פותח במיוחד ליישומים תעשייתיים.

ארכיטקטורת הרשת LoRaWAN

מתנגד לטופולוגיית רשת הרשת שאומצה על ידי מרבית הרשתות, LoRaWAN משתמש בארכיטקטורת הרשת הכוכבית, ולכן, במקום שכל מכשיר קצה יהיה במצב כמעט תמיד פועל, וחוזר על שידור ממכשירים אחרים כדי להגדיל את מכשירי הקצה של הטווח ברשת LoRaWAN. לתקשר ישירות עם שערים והם פועלים רק כאשר הם צריכים לתקשר עם השער מכיוון שהטווח אינו מהווה בעיה. זהו גורם תורם לתכונות צריכת החשמל הנמוכה ולחיי הסוללה הגבוהים המתקבלים במכשירי הקצה LoRa

ארכיטקטורת הרשת של LoRa מורכבת מארבעה חלקים עיקריים;

1. התקני קצה

2. שערים

3. שרת רשת

4. שרת יישומים

1. התקני קצה

אלה חיישנים או מפעילים בקצה הרשת. מכשירי קצה משרתים יישומים שונים ויש להם דרישות שונות. על מנת לבצע אופטימיזציה למגוון פרופילי יישומי קצה, LoRaWAN ™ משתמשת בשלושה מחלקות התקנים שונות אליהן ניתן להגדיר התקני קצה. השיעורים כוללים פיצויים בין זמן אחזור לתקשורת של downlink לבין חיי הסוללה של המכשיר.

שלושת הכיתות העיקריות הן:

1. התקני קצה דו כיווניים (Class A)

2. התקני קצה דו כיווניים עם חריצי קבלה מתוזמנים (Class B)

3. התקני קצה דו כיווניים עם חריצי קבלה מקסימליים (Class C)

אני. מחלקות קצה מסוג A

מדובר במכשירים שדורשים תקשורת downlink רק מהשרת r מיד לאחר Uplink. לדוגמה, הם מכשירים שצריכים לקבל אישור מסירת הודעות מהשרת לאחר העלאת קישור. עבור סוג זה של מכשירים, עליהם להמתין עד שיישלח Uplink לשרת לפני שאפשר לקבל כל קישור למטה. כתוצאה מכך, התקשורת נשמרת במינימום ולכן יש להם את פעולת ההספק הנמוכה ואת חיי הסוללה הגבוהים ביותר. דוגמה טובה למכשירים מסוג A היא מד אנרגיה חכם מבוסס LoRa

ii. התקני קצה מסוג B

למכשירים אלה מוקצים חלונות Downlink נוספים במרווחי זמן מתוזמנים בנוסף ל- Downlink המתקבל בעת שליחת uplink (Class A + Downlink נוסף מתוזמן). האופי המתוזמן של downlink זה מבטיח שהפעולה תהיה עדיין נמוכה מכיוון שהתקשורת פעילה רק במרווחי זמן מתוזמנים, אך הספק הנוסף הנצרך במהלך ה- downlink המתוזמן מגדיל את צריכת החשמל מעבר לזו של מכשירי Class A, ככאלה, יש להם סוללה נמוכה יותר. חיים לעומת מכשירי קצה מסוג A.

iii. התקני קצה מסוג C

לקבוצת מכשירים אלה אין מגבלה על downlink. הם נועדו להיות פתוחים כמעט תמיד לתקשורת מהשרת. הם צורכים יותר כוח משאר הכיתות ומחזיקים בחיי הסוללה הנמוכים ביותר. דוגמאות טובות למכשירים מסוג C הם מכשירי קצה המשמשים לניהול צי או ניטור תעבורה אמיתי.

2. שערים

שערים (המכונים גם ריכוזים) הם התקנים המחוברים לשרת הרשת באמצעות חיבורי IP סטנדרטיים שמעבירים הודעות בין ה- backend של שרת הרשת המרכזי והתקני הקצה באמצעות פרוטוקול תקשורת אלחוטי אלחוטי. הם נועדו לתמוך בתקשורת דו-כיוונית ומצוידים במול-שידור המאפשר לתוכנה לשלוח הודעות הפצה המוניות כמו עדכונים מהאוויר.

בלב כל שער LoRa נמצא מפגן LoRa רב ערוצי המסוגל לפענח את כל גרסאות האפנון של LoRa בכמה תדרים במקביל.

עבור מפעיל רשת בקנה מידה גדול, הגורמים המבדילים העיקריים צריכים להיות ביצועי הרדיו (רגישות, כוח שליחה), חיבור שבב SX1301 לשער MCU (USB ל- SPI או SPI ל- SPI) ותמיכה והפצה של PPS אות שזמינותו מאפשרת סנכרון זמן מדויק על כלל אוכלוסיית השער ברשת

LoRa מפיצה תקשורת בין מכשירי קצה ושערים על פני ערוצי תדרים מרובים וקצב נתונים. טכנולוגיית הספקטרום המפוזר משתמשת בקצבי נתונים הנעים בין 0.3 קילו-בייט לשנייה ל -50 קילו-סיביות לשנייה כדי למנוע הפרעה של תקשורת זה עם זה ויוצרת מערך ערוצים "וירטואליים" המגדילים את קיבולת השער.

כדי למקסם את חיי הסוללה של מכשירי הקצה ואת קיבולת הרשת הכוללת, שרת הרשת LoRa מנהל את קצב הנתונים ואת פלט ה- RF עבור כל מכשיר קצה בנפרד באמצעות ערכת קצב נתונים אדפטיבית (ADR).

3. שרת רשת

שרת רשת לורה הוא הממשק בין שרת היישומים לשערים. הוא מעביר פקודות משרת היישומים לשער בזמן שהוא מעביר נתונים מהשערים לשרת היישומים. היא מבצעת פונקציות, כולל הבטחה שאין מנות כפולות, תזמון אישורים וניהול קצב הנתונים ופלט ה- RF עבור כל מכשיר קצה בנפרד באמצעות תכנית קצב נתונים אדפטיבית (ADR).

4. שרת יישומים

שרת היישומים קובע למה משמשים הנתונים ממכשירי הקצה. ככל הנראה נעשה ויזואליזציה של נתונים וכאן.

LoRaWAN אבטחה ופרטיות

לא ניתן להדגיש את חשיבות האבטחה והפרטיות בכל פיתרון IoT. פרוטוקול LoRaWAN מציין הצפנה כדי להבטיח שהנתונים שלך מאובטחים, באופן קונקרטי

* מקשי AES128 לכל מכשיר

* התחדשות / ביטול מיידי של מפתחות המכשיר

* הצפנת מטען לכל מנות לפרטיות נתונים

* הגנה מפני התקפות חוזרות

* הגנה מפני התקפות איש באמצע

LoRa משתמש בשני מקשים; מפתחות מושב רשת ותוכניות יישומים שניהם מספקים תקשורת מפוצלת ומוצפנת לניהול רשת ותקשורת יישומים.

מפתח הפעלת הרשת, המשותף בין המכשיר לרשת אחראי על אימות נתוני צומת הקצה ואילו מפתח הפעלת היישום, המשותף בין היישום לצומת הקצה אחראי להבטחת פרטיות נתוני ההתקן.

תכונות עיקריות של LoRAWAN

*> תקציב קישור של 160 dB

* +20 dBm כוח TX

* IIP3 יוצא מן הכלל

* שיפור סלקטיביות של 10dB לעומת FSK

* סובלני להפרעות פרץ בערוץ

* זרם ה- RX הנמוך ביותר - 10mA

* זרם השינה הנמוך ביותר

* השכמה מהירה במיוחד (שינה ל- RX / TX)

היתרונות של LoRa

להלן כמה מהיתרונות הקשורים ל- LoRa;

1. טווח ארוך וכיסוי: עם טווח LOS של עד 15 ק"מ, לא ניתן להשוות את הטווח שלו לזה של שום פרוטוקול תקשורת אחר.

2. צריכת חשמל נמוכה: LoRa מציעה מכשירי רדיו בהספק נמוך במיוחד, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור מכשירים שנדרשים להחזיק מעמד במשך 10 שנים או