ما هي LoRa و LoRaWAN؟

أصبحت شبكات LoRaWAN شائعة بين تطبيقات وقطاعات إنترنت الأشياء المختلفة، وبالتالي سيكون من المفيد التحقيق في استخدامها، ميزات، والعمليات. في هذه المقالة، سنناقش في هذه المقالة ما هو LoRa و LoRaWAN كل على حدة والفرق الرئيسي بينهما. بعد ذلك، سنناقش بالتفصيل كيفية تحقيق شبكات LoRaWAN التي تعتمد على مخطط تعديل LoRa RF. أخيرًا، نختتم مقالتنا مع تحديد التطبيقات المحتملة المختلفة للأجهزة القائمة على LoRa ومزاياها مقارنة ببروتوكولات الاتصال المشتركة الأخرى المتاحة لإنترنت الأشياء. 

ما هو LoRa؟

يرمز LoRa إلى "منطقة واسعة النطاق طويلة المدى"، وهو مخطط تعديل لاسلكي شائع في تحقيق الاتصال اللاسلكي طويل المدى ومنخفض الطاقة. إنه أحد أكثر مخططات التشكيل اللاسلكي شيوعًا المستخدمة في إنترنت الأشياء (IoT) بعيد المدى و من آلة إلى آلة (M2M). على الرغم من أن LoRa، كان موجودًا منذ فترة من الوقت، اكتسبت LoRa مؤخرًا شعبية كبيرة حيث أن الشرائح التي تتيح تعديل راديو LoRa.  

أهم شيء يجب تذكره هو أن LoRa يشير إلى الطبقة المادية أو الطبقة المادية اللاسلكية، وبالتالي، LoRa وحدها غير قادرة على تحقيق عمليات الشبكة والتعامل مع حركة مرور الشبكة في تطبيقات إنترنت الأشياء. يعتمد نطاق تردد تشغيل LoRa على الموقع الجغرافي للتنفيذ. فمثلا, في سياق أوروبا, يعمل LoRa في 868 MHz بينما في أمريكا الشمالية هو 915 MHz أيضًا, في ظروف خط البصر (LOS), يمكن تمديد رابط الاتصال المشترك حتى 10 كم مع تعديل LoRa الراديوي. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن LoRa يستخدم طيفاً لاسلكياً خاصاً بدون ترخيص.  

ما هي LoRaWAN؟

LoRaWAN، ومع ذلك، يشير إلى مرافق الشبكة، التي تشمل بروتوكولات الشبكة وإدارة حركة المرور، التي تستخدم تعديل LoRa الراديوي لتمكين الاتصال المشترك 11PTP14Tunication لمدى بعيد. تسهل LoRaWAN أو شبكة LoRa واسعة النطاق طبقة الشبكة وبالتالي, مطلوب في الغالب في تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية. يتم تصنيفها ضمن LPWAN غير الخلوية (شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة). بكلمات بسيطة، يمكننا القول أن LoRaWAN هي شبكة تستخدم LoRa. يتم صيانتها بواسطة LoRa Alliance، والتي تمكن الأجهزة من الاتصال لاسلكيًا باستخدام LoRa.  

الفرق بين LoRa و LoRaWAN

بعد مناقشة LoRa و LoRaWAN بشكل منفصل، من المفيد تسليط الضوء بإيجاز على الاختلاف الرئيسي بين LoRa و LoRaWAN. كما ذكر آنفا، LoRa وحدها تسهل فقط المرافق المادية في الاتصال المشترك 1TP14، بينما توفر LoRaWAN إمكانات طبقة الشبكة التي توفر بنية الشبكة الكاملة. تم تسجيل براءة اختراع LoRa في البداية بموجب سيمتيكوهي شركة فرنسية مصنعة لأشباه الموصلات، في حين أن LoRaWAN صممها تحالف لورا.  

وبناءً على ذلك، فإن LoRa هو ببساطة بروتوكول اتصال لاسلكي مشترك 1TP14 يتيح التشغيل بعيد المدى بينما LoRaWAN هي الشبكة التي تستخدم بروتوكول LoRa لتحقيق تطبيقات إنترنت الأشياء LPWAN.  

تقنية LoRaWAN وبنيتها

بعد فهم واضح للفرق بين LoRa و LoRaWAN، سنركز الآن على كل من النهجين بشكل منفصل. بادئ ذي بدء، سنركز أولاً على تقنية LoRaWAN وبنيتها.  

تُنشر شبكة LoRaWAN كطوبولوجيا شبكة نجمة النجوم، حيث يكون المحور المركزي أو العقدة المركزية مسؤولة عن التعامل مع الاتصال المشترك والتوصيل البيني في الشبكة. تتكون شبكة LoRaWAN النموذجية من المكونات التالية:  

1. انضم إلى الخادم  
2. خادم التطبيق  
3. خادم الشبكة  
4. المكثف/البوابة  
5. العقد الطرفية/الأجهزة الطرفية  

1. الانضمام إلى الخوادم

خوادم الانضمام مسؤولة عن معالجة طلبات الانضمام التي ترسلها الأجهزة الطرفية عند الانضمام إلى الشبكة عبر خادم الشبكة. يتم الاحتفاظ بها كجزء من برنامج في الخادم، الذي يشرف على التفعيل عبر الأثير (OTA) للجهاز النهائي، وبالتالي ضمان تفعيلها الآمن. تبدأ عملية التنشيط عبر خادم الانضمام من قبل الجهاز النهائي، عن طريق إرسال إطارات طلب الانضمام عبر الوصلة الصاعدة إلى خادم الانضمام. بعد ذلك، يقوم خادم الانضمام بإرسال إشارة إلى خادم الشبكة، فيما يتعلق بخادم التطبيق الذي سيتم توصيله بالجهاز الطرفي المطلوب. يتم ذلك عن طريق إطارات قبول الانضمام للوصلة الهابطة. علاوة على ذلك، فإن جهاز الانضمام مسؤول عن الاحتفاظ بالمعلومات التالية حول كل جهاز طرفي في الشبكة:  

• ملف تعريف خدمة الجهاز النهائي  
• DevEUI - هذا معرِّف فريد لكل جهاز طرفي  
• مفتاح التطبيق - هذا هو مفتاح تشفير التطبيق  
• NwkKKey - هذا هو مفتاح تشفير الشبكة  
• معرّف خادم التطبيق  

2. خوادم التطبيقات

تكون خوادم التطبيقات مسؤولة عن التعامل مع بيانات المستشعرات والتطبيقات التي ترسلها الأجهزة الطرفية. ثم يتم تقديم هذه البيانات إلى واجهة المستخدم لاتخاذ القرارات وتفسير النتائج بناءً عليها. خادم التطبيق مسؤول أيضًا عن توليد معلومات حمولة الوصلة الهابطة للأجهزة الطرفية المتصلة التي يتم توجيهها من خلال خادم الشبكة. في شبكة LoRaWAN، يمكن أن يكون هناك أكثر من خادم تطبيق واحد ويتم إجراء أي مستوى من التحليلات والمعالجة على خادم التطبيق. خوارزميات التعلم الآلي وتقنيات معالجة البيانات وتحليلات الأعمال هي بعض العمليات التي يمكن أن تنفذها طبقة التطبيق. 

3. خادم الشبكة

يلعب خادم شبكة LoRaWAN (LNS) دورًا رئيسيًا في تحقيق وإدارة الشبكة بأكملها. هناك بعض الميزات المشتركة في خوادم الشبكة في جميع شبكات LoRaWAN. بعض الميزات الرئيسية هي: 

• تتولى LNS مسؤولية ضمان تأمين الاتصالات الآمنة المشفرة 128 بت AES للرسائل المشفرة بـ 128 بت، وبالتالي توفير الأمان من طرف إلى طرف 
• التحقق من صحة وسلامة الأجهزة الطرفية المتصلة بالشبكة 
• التحقق من التحقق من عنوان الجهاز، من أجل نقل الرسائل بدقة عبر الشبكة 
• توظيف بروتوكول معدل البيانات التكيفي (ADR) لتسهيل معدلات البيانات التكيفية وبالتالي تحسين معدل البيانات للأجهزة الطرفية 
• تحدد LNS أفضل بوابة لتوجيه رسائل الوصلة الهابطة إلى الأجهزة الطرفية 
• إعادة توجيه رسائل طلب الانضمام وقبول الانضمام بين الأجهزة الطرفية وخادم الانضمام 
• إعادة توجيه حمولات تطبيق الوصلة الصاعدة إلى خادم التطبيق ذي الصلة وإدارة حمولات الوصلة الهابطة القادمة من خوادم التطبيقات المختلفة والتي يتم إعادة توجيهها بعد ذلك إلى الأجهزة الطرفية ذات الصلة 
• إدارة جميع ملفات MAC (التحكم في الوصول إلى الوسائط) طبقة MACmmands 
• إدارة جميع رسائل الوصلة الصاعدة التي تشمل، ازدواجيتها، والإقرار بالاستقبال الصحيح 

4. المكثف/البوابة

البوابات أو المكثفات هي أجهزة مسؤولة عن استقبال الرسائل من الأجهزة الطرفية وإعادة توجيهها إلى خادم الشبكة. وهي متصلة بإشارات لاسلكية معدلة من LoRa في اتجاه المصب (أي بالأجهزة الطرفية) وباتصال قائم على بروتوكول الإنترنت في اتجاه المنبع (أي بخادم الشبكة). يتم إعادة توصيل اتصال المنبع هذا بواسطة اتصال خلوي (4G,3G, 5G إلخ)، أو Wi-Fi، أو Ethernet، أو حتى عن طريق اتصال الألياف البصرية. بما أن بوابات LoRaWAN غير مرتبطة مباشرة بالأجهزة الطرفية، فيمكنها تلقي معلومات من أجهزة طرفية متعددة. وهذا يجعل البوابات تتلقى بيانات مكررة. ومع ذلك، يتم التعامل مع هذه البيانات المكررة بواسطة خادم الشبكة. والوظيفة الوحيدة للبوابة فيما يتعلق بالبيانات المستلمة هي التحقق من سلامتها باستخدام أنظمة مختلفة للكشف عن الأخطاء (على سبيل المثال: CRC). تقوم البوابات أيضًا بقياس مؤشر قوة الإشارة المستقبلة (RSSI) للرسائل الواردة من أجهزة طرفية مختلفة لمساعدة خادم الشبكة على إلغاء تكرار الحزم من أجهزة طرفية متعددة. في حالة الاتصال المشترك للوصلة الهابطة co1TP14، أي إرسال البيانات من خادم الشبكة إلى الأجهزة الطرفية، تقوم البوابة ببساطة بتمرير البيانات إلى الجهاز الطرفي المستهدف دون أي معالجة إضافية. بوابات LoRaWAN نموذجية من نوعين: 

• البوابات الداخلية: وهي حلول فعالة من حيث التكلفة وأكثر ملاءمة للمواقع الداخلية التي تتطلب تغطية محدودة. وعادةً ما يكون الهوائي مدمجاً داخلياً، ومع ذلك، يمكن أن يكون هناك هوائيات مدمجة خارجياً أيضاً حسب المتطلبات. 
• بوابات خارجية: توفر هذه البوابات تغطية أكبر وعادة ما يتم تركيبها على ارتفاع كبير. كما أنها مزودة بهوائي خارجي. 

5. العقد الطرفية/الأجهزة الطرفية

يمكن تحقيق المكدس التكنولوجي لشبكات LoRaWAN باستخدام نموذج ثلاثي الطبقات يتألف من 

• طبقة التطبيقات 
• طبقة MAC 
• الطبقة المادية 

تكون طبقة التطبيقات مسؤولة عن معالجة بيانات المستشعرات وإرسال الأوامر commands إلى المشغلات المتصلة. كما أنها توفر واجهة مستخدم للمستخدم للتفاعل مع الشبكة. 

طبقة MAC هي المسؤولة عن إنشاء الاتصال بين بوابات LoRaWAN والأجهزة الطرفية. يتم تحديد فئات الأجهزة في هذه الطبقة التي تتضمن أيضًا خيارات مختلفة للمصمم لتحديدها بناءً على التطبيق. 

تعتمد الطبقة المادية على مخطط تعديل LoRa RF ويتم تحديد التردد المعدل بناءً على نطاق ISM (الصناعي والعلمي والطبي) الإقليمي. 

فئات أجهزة LoRaWAN 

تُصنف أجهزة شبكة LoRaWAN إلى ثلاث فئات حسب أنماط التشغيل: 

• الفئة أ 
• الفئة ب 
• الفئة C 

في وضع التشغيل من الفئة A، يرسل الجهاز الطرفي رسالة وصلة صاعدة متبوعة بنافذتي رسائل وصلة هابطة قصيرة. يتم تأخير كل نافذة من نوافذ الوصلة الهابطة بتأخير مختلف عن نهاية رسالة الوصلة الصاعدة. الآن لا يمكن لخادم الشبكة إرسال رسالة الوصلة الهابطة إلا خلال نافذتي الاستقبال هاتين، وإذا فشل في القيام بذلك، فسيكون إرسال الوصلة الهابطة التالية متاحاً بعد إرسال الوصلة الصاعدة التالية. أيضًا، إذا كان خادم الشبكة قادرًا على إرسال إرسال إرسال الوصلة الهابطة خلال نافذة الاستقبال الأولى، فلن يفتح الجهاز النهائي نافذة استقبال ثانية. غالباً ما تكون أجهزة الفئة A تعمل بالبطاريات وسيكون لها زمن انتقال عالي للوصلة الهابطة. وهي الأكثر ملاءمة لتطبيقات المراقبة البيئية وتتبع الموقع التي تشجع حالة الخمول في التشغيل. يجب أن تدعم جميع أجهزة LoRaWAN تشغيل الفئة A. 

بالمقارنة مع أجهزة الفئة A، توفر أجهزة الفئة B نوافذ استقبال مجدولة. نوافذ الاستقبال المجدولة هذه عبارة عن رسائل إرشادية متزامنة زمنياً ترسلها البوابة. يوفر ذلك وقت استجابة أقل للوصلة الهابطة عند مقارنتها بأجهزة الفئة A. من المتوقع أن تتلقى الأجهزة رسائل الوصلة الهابطة في فتحات اختبار اتصال محددة بعد تلقي كل رسالة إرشاد من البوابات. ومع ذلك، فإن الجانب السلبي لوضع التشغيل من الفئة B، هو أن الجهاز الآن في حالة نشطة لفترة طويلة، مما يقلل من عمر بطارية الجهاز. ومع ذلك، تُستخدم أجهزة الفئة B في كل من تطبيقات إنترنت الأشياء للمراقبة والتشغيل. على سبيل المثال، يتم استخدامها في عدادات المرافق وتطبيقات الإبلاغ عن درجة الحرارة. 

أجهزة الفئة C تستمع "دائماً" إلى رسائل الوصلة الهابطة الواردة ما لم تكن تقوم بالإرسال (إرسال الوصلة الصاعدة). وهذا يجعلها أجهزة أكثر استهلاكاً للطاقة وعادة ما تكون متصلة بالطاقة الرئيسية. ومع ذلك، فإن الميزة الرئيسية لأجهزة الفئة C هي أنها تفرض زمن انتقال منخفض للوصلة الهابطة عند مقارنتها بنظيراتها. ومن التطبيقات الشائعة التي تستخدم أجهزة الفئة C تطبيقات مثل مصابيح الشوارع والعدادات الكهربائية المزودة بمفاتيح تبديل. 

أمان شبكة LoRaWAN

يعد الأمن عاملاً رئيسياً في سياق تطبيقات إنترنت الأشياء التي تتعامل عادةً مع المعلومات الحساسة. وفيما يلي التدابير الأمنية الرئيسية التي لوحظت في شبكة LoRaWAN: 

• إجراءات الانضمام 
• مصادقة الرسائل 
• الجهاز Co1TP14التشغيل 

تضمن هذه التدابير الأمنية للشبكة حماية الشبكة من هجمات الأطراف الثالثة وتضمن سلامة الأجهزة المتصلة دون المساس بالمعلومات القيّمة. كما أنها تضمن إمكانية التحكم في حركة البيانات في الشبكة نظراً لمحدودية موارد الشبكة. 

إجراء الانضمام هو الإجراء الذي يتم فيه توصيل الأجهزة الطرفية بخادم التطبيق ذي الصلة عن طريق خادم الانضمام. في البداية يرسل الجهاز الطرفي طلب انضمام إلى خادم الانضمام، حيث تتم المصادقة عليه من قبل خادم الانضمام. بعد المصادقة المناسبة، يقوم خادم الانضمام بإرسال رسالة قبول الانضمام إلى الجهاز الطرفي لتمكين الاتصال بين الجهاز الطرفي وخادم التطبيق ذي الصلة. بعد قبول الاتصال، يقوم كل من الجهاز الطرفي وخادم الانضمام بإنشاء مفاتيح جلسة عمل فردية بناءً على البيانات الوصفية التي تلقوها. يقوم خادم الانضمام بمشاركة مفاتيح جلسة العمل الخاصة به مع الشبكة وخوادم التطبيقات. عند الإرسال، يتم تأمين حركة البيانات بمستويين مختلفين من الأمان. سيكون للجهاز الطرفي مفتاح جلسة عمل مختلف 128 بت للتطبيق تتم مشاركته مع خادم التطبيق والذي يختلف عن مفتاح جلسة عمل الشبكة AES 128 بت الذي تتم مشاركته مع خادم الشبكة. وبهذه الطريقة لا يمكن للبوابة ولا لخادم الشبكة قراءة بيانات المستخدم المرسلة بين الجهاز النهائي وخادم التطبيق مباشرةً. 

ترث شبكة LoRaWAN إمكانية مصادقة الرسائل بسبب خيارات طبقة MAC الخاصة بها والتي تتم مصادقتها على مستوى البوابة قبل إرسالها إلى خادم الشبكة. علاوة على ذلك، يعد تنشيط الجهاز إلزاميًا في شبكات LoRaWAN. توفر شبكات LoRaWAN نوعين من تفعيل الجهاز: 

• التفعيل عبر الأثير (OTA) 
• التنشيط عن طريق التخصيص (ABP) 

سيكون لدى المستخدم المرونة في الاختيار بين أي من الخيارين، إلا أن الخيار المفضل هو OTA. 

تعديل LoRa

في جميع أنحاء المقالة، ناقشنا خصائص شبكة LoRaWAN، في هذا القسم نناقش بإيجاز حول مخطط تعديل LoRa RF وبعض الخصائص المهمة لشبكة LoRa. LoRa هو مخطط تعديل طيف منتشر خاص يعتمد على طيف الانتشار المغرد (CSS). يهدف LoRa إلى تحقيق إنتاجية منخفضة ومعدل بيانات منخفض مشترك mmunication. نظرًا لأنه يعتمد على آلية CSS، من خلال زيادة معدل الطيف الترددي، فمن الممكن زيادة نطاق الاتصال المشترك Communication. الآن، نظرًا لأن عامل الانتشار يزداد مع زيادة معدل الزقزقة، يمكن للمرء أن يطرح سؤالاً حول التداخل المحتمل لمكونات التردد. ومع ذلك، فإن LoRa تستخدم تقنية LoRa توزيعًا متعامدًا للأغردة، مما يؤدي إلى تجنب تصادم مكونات التردد المختلفة. هذا يضمن أيضًا متانة إشارات LoRa مما يجعلها immune إلى التلاشي متعدد المسارات. Immune إلى التلاشي متعدد المسارات يجعل LoRa مرشحًا مناسبًا بقدر ما يتم النظر في البيئة الحضرية حيث يكون الانتشار متعدد المسارات بارزًا. يبلغ عرض النطاق الترددي لـ LoRa 125 كيلو هرتز أو 500 كيلو هرتز (للوصلة الصاعدة) و500 كيلو هرتز (للوصلة الهابطة) واعتمادًا على منطقة التشغيل يتغير طيف التردد هذا. 

تحالف لورا

تحالف LoRa Alliance هو منظمة مفتوحة وغير ربحية تهدف إلى تحقيق تطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة مع اعتماد شبكات LoRaWAN التي تعتمد على تعديل LoRa RF. يتعاون تحالف LoRa مع أكثر من 150 مشغلي شبكات LoRaWAN على مستوى العالم مع أكثر من 500 الشركات، وبالتالي، ضمان التغطية العالمية. هذا يجعل شبكات LoRaWAN مرشحًا مثيرًا للاهتمام لتطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة في السياق العالمي. يمكن الوصول إلى خريطة تغطية الشبكة التي توضح التغطية العالمية الحالية والقطاعات الحالية مع التطبيقات القائمة على LoRa عبر: https://lora-alliance.org/ . 

مميزات وعيوب LoRaWAN

أصبحت شبكات LoRaWAN شائعة لأسباب عديدة لأنها تفرض العديد من المزايا في سياق إنترنت الأشياء وتطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة. بعض المزايا الرئيسية لشبكات LoRaWAN هي: 

• تستهلك شبكات LoRaWAN طاقة منخفضة، نظرًا لأن الأجهزة القائمة على LoRa مُحسّنة لاستهلاك طاقة منخفضة  
• تتمتع الأجهزة التي تعتمد على LoRa بعمر بطارية طويل 
• نظرًا لاستخدام تعديل LoRa RF القائم على CSS، يمكن لشبكات LoRaWAN أن تتوسع إلى نطاق واسع. يبلغ هذا النطاق حوالي 10 كم في سياق البيئة الريفية وحوالي 3 كم في سياق البيئة الحضرية 
• مع وجود هيئات موحدة مثل تحالف LoRa Alliance، أصبحت الأجهزة القائمة على LoRa بارزة على مستوى العالم مما يجعل الوصول إليها سهل المنال 
• تعد ميزات الأمان المتأصلة في الأجهزة القائمة على LoRa ميزة أخرى في شبكات LoRaWAN. تستخدم هذه الشبكات أيضًا تقنيات تشفير AES 128 بت AES  

على الرغم من ميزاتها الجذابة، إلا أن شبكات LoRaWAN ليست دائمًا الخيار الأفضل. شبكات LoRaWAN قادرة فقط على التعامل مع معدلات بيانات منخفضة ويمكنها نقل عينات بيانات منخفضة في وقت معين. وبالتالي، نحن بحاجة إلى ترميز أنواع البيانات مثل النص في صيغة ثنائية لتتناسب مع قدرة الحمولة الصغيرة لشبكات LoRaWAN. علاوة على ذلك, شبكات LoRaWAN ليست مناسبة بشكل مثالي للتعامل مع البيانات في الوقت الفعلي حيث يمكن للأجهزة القائمة على LoRa إرسال البيانات في فترات زمنية معينة. 

متى تستخدم LoRa و LoRaWAN? (التطبيقات) 

إن LoRa و LoRaWAN مناسبان لتحقيق إنترنت الأشياء وتطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة التي تتطلب الخصائص التالية: 

• انخفاض تكلفة التنفيذ 
• استهلاك منخفض للطاقة 
• عرض نطاق ترددي أقل وإرسال حمولة صغيرة 
• تشغيل آمن وطويل المدى 

وتبرز هذه الخصائص في مجالات مثل: 

• تطبيقات الركن الذكي للسيارات 
• تطبيقات مراقبة البيئة وقياس المرافق العامة 
• تتبع الموقع 
• إنارة الشوارع  
• التطبيقات الزراعية وإدارة الثروة الحيوانية 
• تطبيق التنبؤ بالكوارث مثل التنبؤ بالزلازل 

ومع ذلك, شبكات LoRa و LoRaWAN ليست المرشح المثالي لتطبيقات مثل المنازل المتصلة والتطبيقات المنزلية الآلية حيث, معالجة البيانات في الوقت الفعلي والتحكم في المشغلات المختلفة. التطبيقات المستندة إلى LoRa ليست أيضًا أفضل مرشح للتطبيقات التي تتطلب نطاقًا تردديًا أعلى مثل نقل الصور أو مقاطع الفيديو. 

الخاتمة

فى الختام, LoRa هو مخطط تعديل التردد اللاسلكي وهو الطبقة المادية المسطرة في مكدس شبكة LoRaWAN. علاوة على ذلك, مع وجود هيئات موحدة مثل LoRa Alliance, أصبحت شبكات LoRaWAN شائعة لتطبيقات إنترنت الأشياء وإنترنت الأشياء الضخمة طويلة المدى منخفضة الطاقة.