Wat zijn LoRa en LoRaWAN?

LoRaWAN-netwerken worden steeds populairder onder verschillende IoT-toepassingen en verticale sectoren en daarom is het de moeite waard om het gebruik, de functies en de werking ervan te onderzoeken. In dit artikel bespreken we wat LoRa en LoRaWAN afzonderlijk zijn en wat het belangrijkste verschil tussen beide is. Vervolgens zullen we in detail bespreken hoe je LoRaWAN-netwerken kunt realiseren die gebaseerd zijn op het LoRa RF-modulatieschema. Tot slot sluiten we ons artikel af met het identificeren van verschillende potentiële toepassingen van LoRa-gebaseerde apparaten en hun voordelen ten opzichte van andere beschikbare IoT communicatieprotocollen. 

Wat is LoRa?

LoRa staat voor "Long Range Wide Area" en is een populair radiomodulatieschema voor radiocommunicatie met laag vermogen en groot bereik. Het is een van de populairste radiomodulatieschema's die worden gebruikt voor internet der dingen (IoT) en draadloze communicatie op lange afstand. Machine-naar-machine (M2M) toepassingen. Hoewel LoRa al een tijdje bestaat, is LoRa recentelijk erg populair geworden door de chipsets die LoRa radiomodulatie mogelijk maken.  

Het belangrijkste om te onthouden is dat LoRa verwijst naar de fysieke laag of de radiofysieke laag, daarom is LoRa alleen niet in staat om netwerkoperaties te realiseren en netwerkverkeer af te handelen in IoT-toepassingen. Het frequentiebereik van LoRa is afhankelijk van de geografische locatie van implementatie. In Europa werkt LoRa bijvoorbeeld in 868 MHz, terwijl het in Noord-Amerika 915 MHz is. In LOS-omstandigheden (line-of-sight) kan de commcommunicatielink worden uitgebreid tot 10 km met LoRa-radiomodulatie. Het is echter opmerkelijk dat LoRa gebruikmaakt van een eigen, licentievrij radiospectrum.  

Wat is LoRaWAN?

LoRaWAN verwijst echter naar de netwerkfaciliteiten, waaronder netwerkprotocollen en verkeersbeheer, die LoRa radiomodulatie gebruiken om communicatie voor een groot bereik mogelijk te maken. LoRaWAN of LoRa Wide Area Network faciliteert de netwerklaag en wordt daarom meestal gebruikt in industriële IoT-toepassingen. Het wordt gecategoriseerd onder het niet-cellulaire LPWAN (Low Power WAN). In eenvoudige woorden kunnen we zeggen dat LoRaWAN een netwerk is dat LoRa gebruikt. Het wordt onderhouden door de LoRa Alliance, die apparaten in staat stelt draadloos te co1TP14communiceren met behulp van LoRa.  

Het verschil tussen LoRa en LoRaWAN

Nu LoRa en LoRaWAN afzonderlijk zijn besproken, is het de moeite waard om kort het belangrijkste verschil tussen LoRa en LoRaWAN te benadrukken. Zoals eerder gezegd, maakt LoRa alleen fysieke faciliteiten in communicatie mogelijk, terwijl LoRaWAN netwerklaagcapaciteiten biedt voor de volledige netwerkarchitectuur. LoRa werd aanvankelijk gepatenteerd onder Semtech, een Franse halfgeleiderleverancier, terwijl LoRaWAN werd geformuleerd door LoRa Alliantie.  

LoRa is dus gewoon een radio co1TP14communicatieprotocol dat werking op lange afstand mogelijk maakt, terwijl LoRaWAN het netwerk is dat het LoRa-protocol gebruikt om LPWAN IoT-toepassingen te realiseren.  

LoRaWAN-technologie en -architectuur

Nu we het verschil tussen LoRa en LoRaWAN duidelijk hebben, zullen we ons op elk van de twee benaderingen afzonderlijk richten. Om te beginnen zullen we ons eerst richten op de LoRaWAN-technologie en de architectuur ervan.  

LoRaWAN-netwerken worden ingezet als stervormige netwerktopologie, waarbij een centrale hub of knooppunt verantwoordelijk is voor de communicatie en interconnectie in het netwerk. Een typisch LoRaWAN-netwerk bestaat uit de volgende componenten:  

1. Word lid van server  
2. Toepassingsserver  
3. Netwerkserver  
4. Concentrator/Gateway  
5. Eindknooppunten/apparaten  

1. Aansluiten bij servers

Join-servers zijn verantwoordelijk voor het afhandelen van join-verzoeken die eindapparaten verzenden wanneer ze zich bij het netwerk aansluiten via de netwerkserver. Het wordt onderhouden als software in een server, die de over-the-air (OTA) activering van het eindapparaat overziet en zo hun veilige activering garandeert. Het activeringsproces via de join server wordt gestart door het eindapparaat door de uplink join-request frames naar de join server te sturen. Vervolgens geeft de join server aan de netwerkserver door met welke applicatieserver verbinding moet worden gemaakt met het aangevraagde eindapparaat. Dit wordt gecommuned door downlink join-accept frames. Bovendien is het join device verantwoordelijk voor het bijhouden van de volgende informatie over elk eindapparaat in het netwerk:  

• Eindapparaat serviceprofiel  
• DevEUI - Dit is een unieke identificatie voor elk eindapparaat  
• Appkey - Dit is de versleutelingscode van de applicatie  
• NwkKey - Dit is de netwerkcoderingssleutel  
• Toepassingsserver-ID  

2. Toepassingsservers

Applicatieservers zijn verantwoordelijk voor het verwerken van sensor- en applicatiegegevens die door de eindapparaten worden verzonden. Deze gegevens worden vervolgens gepresenteerd aan de gebruikersinterface om op basis daarvan beslissingen te nemen en resultaten te interpreteren. De applicatieserver is ook verantwoordelijk voor het genereren van downlink payload informatie voor de aangesloten eindapparaten die via de netwerkserver worden gerouteerd. In een LoRaWAN-netwerk kan er meer dan één applicatieserver zijn en elk niveau van analyse en verwerking wordt bovenop de applicatieserver uitgevoerd. Machine-learningalgoritmen, gegevensverwerkingstechnieken en bedrijfsanalyses zijn enkele van de processen die door de applicatielaag kunnen worden uitgevoerd. 

3. Netwerkserver

De LoRaWAN-netwerkserver (LNS) speelt een sleutelrol bij het realiseren en beheren van het hele netwerk. Er zijn enkele van de common functies die in netwerkservers in alle LoRaWAN-netwerken worden gezien. Enkele van de belangrijkste kenmerken zijn: 

• LNS is verantwoordelijk voor het waarborgen van veilige 128-bits AES gecodeerde verbindingen voor de communicatie van berichten, waardoor end-to-end beveiliging wordt geboden. 
• De authenticiteit en integriteit controleren van eindapparaten die op het netwerk zijn aangesloten 
• Controle van het apparaatadres, voor nauwkeurig transport van berichten door het netwerk 
• Gebruikmakend van het ADR-protocol (Adaptive Data Rate) om adaptieve gegevenssnelheden mogelijk te maken en zo de gegevenssnelheid van eindapparaten te optimaliseren. 
• LNS bepaalt de beste gateway voor het routeren van downlinkberichten naar de eindapparaten 
• Stuurt join-request en join-accept berichten door tussen de eindapparaten en de join-server 
• het doorsturen van uplink applicatie payloads naar de relevante applicatieserver en het beheren van downlink payloads afkomstig van verschillende applicatieservers die vervolgens worden doorgestuurd naar de relevante eindapparaten 
• Alle MAC (Media Access Control) laag commands beheren 
• Beheer van alle uplink-berichten, inclusief duplicatie, bevestiging van goede ontvangst 

4. Concentrator/doorgang

Gateways of concentrators zijn apparaten die berichten ontvangen van de eindapparaten en ze doorsturen naar de netwerkserver. Ze zijn stroomafwaarts verbonden met LoRa-gemoduleerde radiosignalen (d.w.z. naar eindapparaten) en stroomopwaarts met een IP-verbinding (d.w.z. naar de netwerkserver). Deze upstream-verbinding wordt gebackhauled door een cellulaire verbinding (4G,3G, 5G enz.), Wi-Fi, Ethernet of zelfs een glasvezelverbinding. Als de LoRaWAN-gateways niet direct verbonden zijn met eindapparaten, kunnen ze informatie ontvangen van meerdere eindapparaten. Hierdoor ontvangen gateways dubbele gegevens. Deze dubbele gegevens worden echter behandeld door de netwerkserver. De enige functionaliteit van de gateway met betrekking tot de ontvangen gegevens is het controleren van hun integriteit door verschillende foutdetectieschema's te gebruiken (bv.: CRC). Gateways meten ook de RSSI (Received Signal Strength Indicator) van berichten die van verschillende eindapparaten komen om de netwerkserver te helpen pakketten van meerdere eindapparaten te ontdubbelen. In het geval van downlink communicatie, d.w.z. het verzenden van gegevens van de netwerkserver naar eindapparaten, geeft een gateway de gegevens gewoon door aan het doeleindapparaat zonder extra verwerking. LoRaWAN-gateways zijn typisch in twee types: 

• Indoor gateways: Dit zijn kosteneffectieve oplossingen die veel geschikter zijn voor binnenlocaties waar een beperkte dekking vereist is. Meestal is de antenne intern ingebouwd, maar afhankelijk van de vereisten kunnen er ook extern ingebouwde antennes zijn. 
• Outdoor gateways: Deze bieden een groter bereik en worden meestal op een aanzienlijke hoogte gemonteerd. Ze zijn ook uitgerust met een externe antenne. 

5. Eindknooppunten/apparaten

De technologiestack van LoRaWAN-netwerken kan worden gerealiseerd met behulp van een drielagenmodel dat bestaat uit: 

• Toepassingslaag 
• MAC-laag 
• Fysieke laag 

De toepassingslaag is verantwoordelijk voor het verwerken van sensorgegevens en het verzenden van commands naar aangesloten actuatoren. Het biedt ook een gebruikersinterface voor een gebruiker om te communiceren met het netwerk. 

De MAC-laag is verantwoordelijk voor het tot stand brengen van de verbinding tussen de LoRaWAN-gateways en eindapparaten. Apparaatklassen worden bepaald in deze laag die ook verschillende opties bevat voor de ontwerper om te bepalen op basis van de toepassing. 

De fysieke laag is gebaseerd op het LoRa RF-modulatieschema en de gemoduleerde frequentie wordt bepaald op basis van de regionale ISM-band (Industrial, Scientific and Medical). 

Klassen LoRaWAN-apparaten 

LoRaWAN-netwerkapparaten zijn onderverdeeld in drie klassen, afhankelijk van de werkingsmodi: 

• Klasse A 
• Klasse B 
• Klasse C 

In de werkingsmodus Class A verzendt een eindapparaat een uplink-bericht gevolgd door twee korte downlink-berichtvensters. Elk downlink-venster wordt vertraagd door verschillende vertragingen vanaf het einde van het uplink-bericht. Nu kan de netwerkserver alleen een downlink-bericht verzenden tijdens deze twee ontvangstvensters, als dit niet lukt zal de volgende downlink-overdracht beschikbaar zijn na de volgende uplink-overdracht. Als de netwerkserver in staat was om de downlinkverzending tijdens het eerste ontvangstvenster te verzenden, zal het eindapparaat geen tweede ontvangstvenster openen. Klasse A-apparaten werken vaak op batterijen en hebben een hoge downlink latentie. Ze zijn het meest geschikt voor omgevingsmonitoring en locatietraceringstoepassingen die inactieve werking aanmoedigen. Alle LoRaWAN-apparaten moeten klasse A ondersteunen. 

In vergelijking met apparaten van klasse A bieden apparaten van klasse B geplande ontvangstvensters. Deze geplande ontvangstvensters zijn tijdsgesynchroniseerde bakenberichten die door de gateway worden verzonden. Dit zorgt voor een lagere downlink latentie in vergelijking met klasse A-apparaten. Van de apparaten wordt verwacht dat ze downlink-berichten ontvangen in vastgestelde ping-slots na ontvangst van elk bakenbericht van de gateways. Een nadeel van de werkingsmodus van klasse B is echter dat het apparaat nu gedurende langere tijd actief is, waardoor de batterij van het apparaat minder lang meegaat. Klasse B-apparaten worden echter gebruikt voor zowel het bewaken als het activeren van IoT-toepassingen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in nutsmeters en temperatuurrapportagetoepassingen. 

Apparaten van klasse C luisteren 'altijd' naar inkomende downlink-berichten tenzij ze aan het zenden zijn (uplink-transmissie). Hierdoor verbruiken ze meer stroom en worden ze meestal aangesloten op het elektriciteitsnet. Een groot voordeel van apparaten van klasse C is echter dat ze een lage downlink latentie hebben in vergelijking met hun tegenhangers. Toepassingen zoals straatverlichting en elektrische meters met schakelaars zijn enkele van de populaire toepassingen die klasse C-apparaten gebruiken. 

LoRaWAN-netwerkbeveiliging

Beveiliging is een belangrijke factor in de context van IoT-toepassingen die meestal te maken hebben met gevoelige informatie. Hieronder volgen de belangrijkste beveiligingsmaatregelen in een LoRaWAN-netwerk: 

• Samenvoegen Procedure 
• Verificatie van berichten 
• Apparaat Co1TP14Ontmanteling 

Deze netwerkbeveiligingsmaatregelen zorgen voor de bescherming van het netwerk tegen aanvallen van derden en waarborgen de integriteit van de aangesloten apparaten zonder waardevolle informatie te compromitteren. Ze zorgen ook voor beheersbaar dataverkeer in het netwerk gezien de beperkte middelen van het netwerk. 

De join-procedure is de procedure waarbij de eindapparaten worden verbonden met de relevante applicatieserver door middel van een join-server. In eerste instantie stuurt het eindapparaat een join-request naar de join server, die wordt geverifieerd door de join server. Na de juiste authenticatie stuurt de join server het join-accept bericht naar het eindapparaat om de verbinding tussen het eindapparaat en de relevante applicatieserver mogelijk te maken. Na acceptatie van de verbinding genereren zowel het eindapparaat als de join server individuele sessiesleutels op basis van de ontvangen metadata. De join server deelt zijn sessiesleutels met de netwerk- en applicatieservers. Tijdens de overdracht wordt het gegevensverkeer beveiligd op twee verschillende beveiligingsniveaus. Het eindapparaat heeft een andere 128-bit applicatiesessiesleutel die wordt gedeeld met de applicatieserver en verschilt van de 128-bit AES-netwerksessiesleutel die wordt gedeeld met de netwerkserver. Op deze manier kunnen noch de gateway noch de netwerkserver rechtstreeks gebruikersgegevens lezen die tussen het eindapparaat en de applicatieserver worden verzonden. 

Het LoRaWAN-netwerk erft het vermogen om berichten te authenticeren dankzij de MAC-laagopties die op gatewayniveau worden geauthenticeerd voordat ze naar de netwerkserver worden verzonden. Bovendien is apparaatactivering verplicht in LoRaWAN-netwerken. LoRaWAN-netwerken bieden twee soorten apparaatactivering: 

• Over-the-Air (OTA) activering 
• Activering door personalisatie (ABP) 

De gebruiker kan kiezen tussen beide opties, maar de voorkeursoptie is OTA. 

LoRa-modulatie

In het hele artikel hebben we de eigenschappen van het LoRaWAN-netwerk besproken. In dit gedeelte bespreken we kort het LoRa RF-modulatieschema en enkele belangrijke eigenschappen van LoRa. LoRa is een eigen spread-spectrum modulatieschema gebaseerd op Chirp Spread Spectrum (CSS). LoRa is gericht op communicatie met lage doorvoer en lage datasnelheid. Omdat het is gebaseerd op het CSS-mechanisme, is het door de chirpsnelheid te verhogen mogelijk om het bereik van commcommunicatie te vergroten. Aangezien de spreidingsfactor toeneemt met de toename van de chirpsnelheid, zou men zich afvragen of er interferentie tussen de frequentiecomponenten kan optreden. LoRa maakt echter gebruik van orthogonale spreiding van de chirps, waardoor botsingen van verschillende frequentiecomponenten worden voorkomen. Dit zorgt er ook voor dat LoRa-signalen robuust zijn, waardoor ze immunnen worden afgestemd op multipad fading. Immune to multipath fading maakt LoRa een geschikte kandidaat voor stedelijke omgevingen waar multipath propagation prominent aanwezig is. De bandbreedte voor LoRa is 125 KHz of 500 KHz (voor uplink) en 500 KHz (voor downlink) en afhankelijk van het werkgebied verandert dit frequentiespectrum. 

LoRa Alliantie

LoRa Alliance is een open organisatie zonder winstoogmerk met als doel massale IoT-toepassingen te realiseren met LoRaWAN-netwerken die zijn gebaseerd op LoRa RF-modulatie. LoRa Alliance werkt samen met meer dan 150 LoRaWAN-netwerkoperators wereldwijd met meer dan 500 bedrijven, waardoor een wereldwijde dekking wordt gegarandeerd. Dit maakt LoRaWAN-netwerken een interessante kandidaat voor massale IoT-toepassingen in een wereldwijde context. Een kaart van de netwerkdekking met de huidige wereldwijde dekking en de huidige verticals met LoRa-gebaseerde toepassingen kan worden geraadpleegd via: https://lora-alliance.org/ . 

Voordelen en nadelen van LoRaWAN

LoRaWAN-netwerken zijn om vele redenen populair geworden, omdat ze veel voordelen bieden in de context van IoT en massale IoT-toepassingen. Enkele van de belangrijkste voordelen van LoRaWAN zijn: 

• LoRaWAN-netwerken verbruiken weinig stroom, omdat op LoRa gebaseerde apparaten zijn geoptimaliseerd voor laag stroomverbruik  
• Op LoRa gebaseerde apparaten hebben een lange levensduur van de batterij 
• Dankzij het gebruik van LoRa RF-modulatie op basis van CSS kunnen LoRaWAN-netwerken een groot bereik hebben. Dit is ongeveer 10 km in een landelijke omgeving en ongeveer 3 km in een stedelijke omgeving. 
• Met de aanwezigheid van gestandaardiseerde instanties zoals LoRa Alliance, zijn op LoRa gebaseerde apparaten wereldwijd prominent aanwezig, waardoor ze gemakkelijk toegankelijk zijn. 
• Inherente beveiligingsfuncties in LoRa-gebaseerde apparaten zijn een ander voordeel in LoRaWAN-netwerken. Deze netwerken maken ook gebruik van 128-bits AES-encryptietechnieken  

Ondanks de aantrekkelijke eigenschappen zijn LoRaWAN-netwerken niet altijd de beste optie. LoRaWAN-netwerken kunnen alleen lage datasnelheden aan en kunnen op een gegeven moment weinig datasamples verzenden. Daarom moeten we datatypes zoals tekst binair coderen om te kunnen voldoen aan de kleine laadcapaciteit van LoRaWAN-netwerken. Bovendien zijn LoRaWAN-netwerken niet ideaal geschikt voor het verwerken van real-time gegevens, omdat LoRa-apparaten gegevens in bepaalde tijdsintervallen kunnen verzenden. 

Wanneer LoRa en LoRaWAN gebruiken? (Toepassingen) 

LoRa en LoRaWAN zijn geschikt voor het realiseren van IoT en massale IoT-toepassingen die de volgende kenmerken vereisen: 

• Lage implementatiekosten 
• Laag energieverbruik 
• Transmissie met lagere bandbreedte en kleine payload 
• Veilige werking met groot bereik 

Deze kenmerken zijn prominent aanwezig in gebieden zoals: 

• Slimme parkeertoepassingen 
• Milieumonitoring en nutsmetertoepassingen 
• Locatie volgen 
• Straatverlichting  
• Agrarische toepassingen en veehouderij 
• Voorspelling van rampen zoals aardbevingen 

LoRa- en LoRaWAN-netwerken zijn echter niet de ideale kandidaten voor toepassingen zoals connected homes en geautomatiseerde thuistoepassingen waarbij gegevens in realtime worden verwerkt en verschillende actuatoren worden bestuurd. LoRa-gebaseerde toepassingen zijn ook niet de beste kandidaat voor toepassingen die hogere bandbreedtes vereisen zoals het verzenden van afbeeldingen of video's. 

Conclusie

Tot slot is LoRa het RF-modulatieschema dat de belangrijkste fysieke laag is in de LoRaWAN-netwerkstack. Bovendien worden LoRaWAN-netwerken, met de aanwezigheid van gestandaardiseerde instanties zoals LoRa Alliance, populair voor massaal IoT en IoT-toepassingen met een laag vermogen en een groot bereik.