Czym są LoRa i LoRaWAN?

Sieci LoRaWAN stają się popularne wśród różnych aplikacji IoT i branż, dlatego warto byłoby zbadać ich wykorzystanie, funkcje i operacje. W tym artykule omówimy, czym są LoRa i LoRaWAN oraz jakie są między nimi główne różnice. Następnie omówimy szczegółowo sposób realizacji sieci LoRaWAN opartych na schemacie modulacji LoRa RF. Wreszcie, kończymy nasz artykuł, identyfikując różne potencjalne zastosowania urządzeń opartych na LoRa i ich zalety w porównaniu z innymi dostępnymi protokołami komunikacyjnymi IoT co1TP14. 

Czym jest LoRa?

LoRa oznacza "Long Range Wide Area" i jest popularnym schematem modulacji radiowej w realizacji komunikacji radiowej o niskiej mocy i dużym zasięgu. Jest to jeden z najpopularniejszych schematów modulacji radiowej wykorzystywanych w Internecie rzeczy (IoT) i komunikacji radiowej dalekiego zasięgu. Maszyna-maszyna (M2M). Chociaż LoRa istnieje już od jakiegoś czasu, to ostatnio LoRa zyskała dużą popularność dzięki chipsetom umożliwiającym modulację radiową LoRa.  

Najważniejszą rzeczą do zapamiętania jest to, że LoRa odnosi się do warstwy fizycznej lub radiowej warstwy fizycznej, dlatego sama LoRa nie jest w stanie realizować operacji sieciowych i obsługiwać ruchu sieciowego w aplikacjach IoT. Zakres częstotliwości działania LoRa zależy od lokalizacji geograficznej wdrożenia. Na przykład, w kontekście Europy, LoRa działa w 868 MHz, podczas gdy w Ameryce Północnej jest to 915 MHz Ponadto, w warunkach linii wzroku (LOS), łącze komunikacyjne comm można rozszerzyć do 10 km za pomocą modulacji radiowej LoRa. Warto jednak zauważyć, że LoRa wykorzystuje zastrzeżone, wolne od licencji widmo radiowe.  

Czym jest LoRaWAN?

LoRaWAN odnosi się jednak do urządzeń sieciowych, które obejmują protokoły sieciowe i zarządzanie ruchem, które wykorzystują modulację radiową LoRa, aby umożliwić komunikację co1TP14 na duży zasięg. LoRaWAN lub LoRa Wide Area Network ułatwia warstwę sieciową, a zatem jest najczęściej poszukiwana w przemysłowych aplikacjach IoT. Jest on skategoryzowany w ramach niekomórkowej sieci LPWAN (Low Power WAN). W prostych słowach możemy powiedzieć, że LoRaWAN to sieć wykorzystująca LoRa. Jest utrzymywana przez LoRa Alliance, która umożliwia urządzeniom bezprzewodową komunikację za pomocą LoRa.  

Różnica między LoRa i LoRaWAN

Po oddzielnym omówieniu LoRa i LoRaWAN, warto krótko podkreślić główną różnicę między LoRa i LoRaWAN. Jak już wspomniano, sama LoRa ułatwia jedynie fizyczną infrastrukturę w komunikacji co1TP14, podczas gdy LoRaWAN zapewnia możliwości warstwy sieciowej, zapewniając pełną architekturę sieci. LoRa została początkowo opatentowana pod Semtechfrancuski producent półprzewodników, podczas gdy LoRaWAN został opracowany przez LoRa Alliance.  

W związku z tym LoRa to po prostu protokół komunikacji radiowej umożliwiający działanie na duże odległości, podczas gdy LoRaWAN to sieć wykorzystująca protokół LoRa do realizacji aplikacji LPWAN IoT.  

Technologia i architektura LoRaWAN

Mając jasne zrozumienie różnicy między LoRa i LoRaWAN, skupimy się teraz na każdym z tych dwóch podejść osobno. Na początek skupimy się na technologii LoRaWAN i jej architekturze.  

Sieć LoRaWAN jest wdrażana w topologii gwiazdy, gdzie centralny węzeł lub węzeł jest odpowiedzialny za obsługę komunikacji i połączeń w sieci. Typowa sieć LoRaWAN składa się z następujących komponentów:  

1. Dołącz do serwera  
2. Serwer aplikacji  
3. Serwer sieciowy  
4. Koncentrator/brama  
5. Węzły końcowe/urządzenia  

1. Dołącz do serwerów

Serwery dołączania są odpowiedzialne za obsługę żądań dołączenia wysyłanych przez urządzenia końcowe podczas dołączania do sieci za pośrednictwem serwera sieciowego. Jest on utrzymywany jako oprogramowanie na serwerze, który nadzoruje aktywację over-the-air (OTA) urządzenia końcowego, zapewniając w ten sposób ich bezpieczną aktywację. Proces aktywacji za pośrednictwem serwera przyłączeniowego jest inicjowany przez urządzenie końcowe poprzez wysłanie ramek żądania przyłączenia do serwera przyłączeniowego. Następnie serwer przyłączeniowy sygnalizuje serwerowi sieciowemu, który serwer aplikacji ma zostać podłączony do żądanego urządzenia końcowego. Jest to communicated przez ramki downlink join-accept. Ponadto urządzenie dołączające jest odpowiedzialne za przechowywanie następujących informacji o każdym urządzeniu końcowym w sieci:  

• Profil usługi urządzenia końcowego  
• DevEUI - jest to unikalny identyfikator dla każdego urządzenia końcowego.  
• Appkey - jest to klucz szyfrowania aplikacji.  
• NwkKey - jest to klucz szyfrowania sieci.  
• Identyfikator serwera aplikacji  

2. Serwery aplikacji

Serwery aplikacji są odpowiedzialne za obsługę danych z czujników i aplikacji wysyłanych przez urządzenia końcowe. Dane te są następnie prezentowane interfejsowi użytkownika w celu podejmowania decyzji i interpretowania wyników na ich podstawie. Serwer aplikacji jest również odpowiedzialny za generowanie informacji o obciążeniu łącza w dół dla podłączonych urządzeń końcowych, które są kierowane przez serwer sieciowy. W sieci LoRaWAN może istnieć więcej niż jeden serwer aplikacji, a każdy poziom analizy i przetwarzania jest przenoszony na serwer aplikacji. Algorytmy uczenia maszynowego, techniki przetwarzania danych i analityka biznesowa to tylko niektóre z procesów, które mogą być wykonywane przez warstwę aplikacji. 

3. Serwer sieciowy

Serwer sieci LoRaWAN (LNS) odgrywa kluczową rolę w realizacji i zarządzaniu całą siecią. Istnieją pewne wspólne cechy serwerów sieciowych we wszystkich sieciach LoRaWAN. Niektóre z głównych funkcji to: 

• LNS jest odpowiedzialny za zapewnienie bezpiecznych połączeń szyfrowanych 128-bitowym algorytmem AES dla communication wiadomości, zapewniając w ten sposób kompleksowe bezpieczeństwo 
• Sprawdzanie autentyczności i integralności urządzeń końcowych podłączonych do sieci 
• Sprawdzanie adresu urządzenia w celu dokładnego przesyłania wiadomości w całej sieci. 
• Wykorzystanie protokołu Adaptive Data Rate (ADR) w celu ułatwienia adaptacyjnej szybkości transmisji danych, a tym samym optymalizacji szybkości transmisji danych urządzeń końcowych. 
• LNS określa najlepszą bramę do kierowania komunikatów downlink do urządzeń końcowych 
• Przekazuje komunikaty join-request i join-accept między urządzeniami końcowymi a serwerem połączeń. 
• Przekazywanie ładunków aplikacji łącza w górę do odpowiedniego serwera aplikacji i zarządzanie ładunkami łącza w dół pochodzącymi z różnych serwerów aplikacji, które są następnie przekazywane do odpowiednich urządzeń końcowych. 
• Zarządzanie wszystkimi komponentami warstwy MAC (Media Access Control) commands 
• Zarządzanie wszystkimi komunikatami uplink, w tym ich powielanie, potwierdzanie prawidłowego odbioru 

4. Koncentrator/brama

Bramy lub koncentratory to urządzenia odpowiedzialne za odbieranie wiadomości z urządzeń końcowych i przekazywanie ich do serwera sieciowego. Są one podłączone do modulowanych sygnałów radiowych LoRa w kierunku downstream (tj. do urządzeń końcowych) i do połączenia opartego na protokole IP w kierunku upstream (tj. do serwera sieciowego). To połączenie upstream jest backhauled przez połączenie komórkowe (4G,3G, 5G ), Wi-Fi, Ethernet, a nawet połączenie światłowodowe. Jako Bramy LoRaWAN nie są bezpośrednio powiązane z urządzeniami końcowymi, mogą odbierać informacje z wielu urządzeń końcowych. Powoduje to, że bramy otrzymują zduplikowane dane. Jednak te zduplikowane dane są obsługiwane przez serwer sieciowy. Jedyną funkcją bramy w odniesieniu do odebranych danych jest sprawdzenie ich integralności przy użyciu różnych schematów wykrywania błędów (np. CRC). Bramy mierzą również RSSI (Received Signal Strength Indicator) wiadomości pochodzących z różnych urządzeń końcowych, aby pomóc serwerowi sieciowemu w usuwaniu duplikatów pakietów z wielu urządzeń końcowych. W przypadku komunikacji downlink communication, tj. wysyłania danych z serwera sieciowego do urządzeń końcowych, brama po prostu przekazuje dane do docelowego urządzenia końcowego bez dodatkowego przetwarzania. Bramy LoRaWAN są typowe dla dwóch typów: 

• Bramy wewnętrzne: Są to ekonomiczne rozwiązania, które są znacznie bardziej odpowiednie dla lokalizacji wewnętrznych, gdzie wymagany jest ograniczony zasięg. Zazwyczaj antena jest wbudowana wewnętrznie, jednak w zależności od wymagań mogą to być również anteny zewnętrzne. 
• Bramy zewnętrzne: Zapewniają większy zasięg i są zwykle montowane na znacznej wysokości. Są one również wyposażone w antenę zewnętrzną. 

5. Węzły końcowe/urządzenia

Stos technologiczny sieci LoRaWAN można zrealizować przy użyciu modelu trójwarstwowego, który składa się z: 

• Warstwa aplikacji 
• Warstwa MAC 
• Warstwa fizyczna 

Warstwa aplikacji jest odpowiedzialna za obsługę danych z czujników i wysyłanie poleceń commands do podłączonych urządzeń wykonawczych. Zapewnia również interfejs użytkownika do interakcji z siecią. 

Warstwa MAC jest odpowiedzialna za ustanowienie połączenia między bramkami LoRaWAN a urządzeniami końcowymi. Klasy urządzeń są określane w tej warstwie, która zawiera również różne opcje dla projektanta do określenia w oparciu o aplikację. 

Warstwa fizyczna opiera się na schemacie modulacji LoRa RF, a modulowana częstotliwość jest określana na podstawie regionalnego pasma ISM (Industrial, Scientific, and Medical). 

Klasy urządzeń LoRaWAN 

Urządzenia sieciowe LoRaWAN są podzielone na trzy klasy w zależności od trybu pracy: 

• Klasa A 
• Klasa B 
• Klasa C 

W trybie pracy klasy A urządzenie końcowe wysyła komunikat uplink, po którym następują dwa krótkie okna komunikatów downlink. Każde okno downlink jest opóźnione o różne opóźnienia od końca komunikatu uplink. Teraz serwer sieciowy może wysłać wiadomość downlink tylko podczas tych dwóch okien odbioru, jeśli tego nie zrobi, następna transmisja downlink będzie dostępna po następnej transmisji uplink. Ponadto, jeśli serwer sieciowy był w stanie wysłać transmisję downlink podczas pierwszego okna odbioru, urządzenie końcowe nie otworzy drugiego okna odbioru. Urządzenia klasy A są często zasilane bateryjnie i mają duże opóźnienie łącza w dół. Są one najbardziej odpowiednie do monitorowania środowiska i aplikacji do śledzenia lokalizacji, które zachęcają do bezczynności. Wszystkie urządzenia LoRaWAN muszą obsługiwać klasę A. 

W porównaniu do urządzeń klasy A, urządzenia klasy B zapewniają zaplanowane okna odbioru. Te zaplanowane okna odbioru to zsynchronizowane w czasie komunikaty nawigacyjne przesyłane przez bramę. Zapewnia to mniejsze opóźnienie łącza w dół w porównaniu z urządzeniami klasy A. Oczekuje się, że urządzenia będą odbierać komunikaty downlink w określonych szczelinach ping po odebraniu każdego komunikatu beacon z bramy. Jednak wadą trybu pracy klasy B jest to, że teraz urządzenie jest w stanie aktywnym przez dłuższy czas, co skraca żywotność baterii urządzenia. Urządzenia klasy B są jednak wykorzystywane zarówno do monitorowania, jak i uruchamiania aplikacji IoT. Na przykład, są one używane w licznikach mediów i aplikacjach raportujących temperaturę. 

Urządzenia klasy C "zawsze" nasłuchują przychodzących wiadomości w trybie downlink, o ile nie nadają (transmisja w trybie uplink). Sprawia to, że urządzenia te zużywają więcej energii i są zwykle podłączone do zasilania sieciowego. Jednak główną zaletą urządzeń klasy C jest to, że narzucają one niskie opóźnienia w łączu w dół w porównaniu do swoich odpowiedników. Zastosowania takie jak oświetlenie uliczne i liczniki elektryczne z przełącznikami to niektóre z popularnych aplikacji wykorzystujących urządzenia klasy C. 

Bezpieczeństwo sieci LoRaWAN

Bezpieczeństwo jest głównym czynnikiem w kontekście aplikacji IoT, które zazwyczaj mają do czynienia z wrażliwymi informacjami. Poniżej przedstawiono główne środki bezpieczeństwa stosowane w sieci LoRaWAN: 

• Procedura dołączania 
• Uwierzytelnianie wiadomości 
• Urządzenie Commissioning 

Te środki bezpieczeństwa sieci zapewniają ochronę sieci przed atakami osób trzecich i zapewniają integralność podłączonych urządzeń bez narażania cennych informacji. Zapewniają również zarządzalny ruch danych w sieci, biorąc pod uwagę ograniczenie zasobów sieci. 

Procedura dołączania to procedura, w której urządzenia końcowe są połączone z odpowiednim serwerem aplikacji za pomocą serwera dołączania. Początkowo urządzenie końcowe wysyła żądanie dołączenia do serwera dołączania, które jest uwierzytelniane przez serwer dołączania. Po prawidłowym uwierzytelnieniu serwer dołączania wysyła komunikat akceptacji dołączenia do urządzenia końcowego, umożliwiając połączenie między urządzeniem końcowym a odpowiednim serwerem aplikacji. Po zaakceptowaniu połączenia zarówno urządzenie końcowe, jak i serwer dołączania generują indywidualne klucze sesji na podstawie otrzymanych metadanych. Serwer dołączający udostępnia swoje klucze sesji serwerom sieciowym i aplikacyjnym. Podczas transmisji ruch danych jest zabezpieczony na dwóch różnych poziomach bezpieczeństwa. Urządzenie końcowe miałoby inny 128-bitowy klucz sesji aplikacji współdzielony z serwerem aplikacji, który różni się od 128-bitowego klucza sesji sieciowej AES współdzielonego z serwerem sieciowym. W ten sposób ani brama, ani serwer sieciowy nie mogą bezpośrednio odczytać danych użytkownika przesyłanych między urządzeniem końcowym a serwerem aplikacji. 

Sieć LoRaWAN dziedziczy zdolność uwierzytelniania wiadomości ze względu na opcje warstwy MAC, które są uwierzytelniane na poziomie bramy przed przesłaniem do serwera sieciowego. Co więcej, w sieciach LoRaWAN obowiązkowa jest aktywacja urządzenia (commissioning). Sieci LoRaWAN zapewniają dwa rodzaje aktywacji urządzeń: 

• Aktywacja bezprzewodowa (OTA) 
• Aktywacja przez personalizację (ABP) 

Użytkownik miałby możliwość wyboru jednej z opcji, jednak preferowaną opcją jest OTA. 

Modulacja LoRa

W całym artykule omówiliśmy właściwości sieci LoRaWAN, w tej sekcji omówimy pokrótce schemat modulacji LoRa RF i niektóre ważne właściwości LoRa. LoRa to zastrzeżony schemat modulacji widma rozproszonego oparty na Chirp Spread Spectrum (CSS). LoRa ma na celu realizację komunikacji o niskiej przepustowości i niskiej szybkości transmisji danych. Ponieważ jest on oparty na mechanizmie CSS, zwiększając częstotliwość chirp, można zwiększyć zasięg komunikacji co1TP14. Teraz, ponieważ współczynnik rozprzestrzeniania zwiększa się wraz ze wzrostem częstotliwości chirp, można by zadać pytanie o możliwą interferencję składowych częstotliwości. Jednak LoRa wykorzystuje ortogonalne rozprzestrzenianie się chirpów, unikając kolizji różnych składowych częstotliwości. Zapewnia to również odporność sygnałów LoRa, czyniąc je immune na wielościeżkowe zanikanie. Immune to multipath fading sprawia, że LoRa jest odpowiednim kandydatem, jeśli chodzi o środowisko miejskie, w którym propagacja wielościeżkowa jest widoczna. Szerokość pasma dla LoRa wynosi 125 KHz lub 500 KHz (dla łącza w górę) i 500 KHz (dla łącza w dół) i w zależności od regionu działania to spektrum częstotliwości ulega zmianie. 

LoRa Alliance

LoRa Alliance jest otwartą organizacją non-profit, której celem jest osiągnięcie masowych zastosowań IoT poprzez przyjęcie sieci LoRaWAN opartych na modulacji LoRa RF. LoRa Alliance współpracuje z ponad 150 operatorami sieci LoRaWAN na całym świecie z ponad 500 firmami, zapewniając w ten sposób globalny zasięg. Sprawia to, że sieci LoRaWAN są interesującym kandydatem do masowych zastosowań IoT w kontekście globalnym. Mapa zasięgu sieci pokazująca aktualny globalny zasięg i aktualne branże z aplikacjami opartymi na LoRa jest dostępna pod adresem: https://lora-alliance.org/ . 

Zalety i wady LoRaWAN

Sieci LoRaWAN stały się popularne z wielu powodów, ponieważ mają wiele zalet w kontekście IoT i masowych aplikacji IoT. Niektóre z kluczowych zalet LoRaWAN to: 

• Sieci LoRaWAN zużywają mało energii, ponieważ urządzenia oparte na LoRa są zoptymalizowane pod kątem niskiego zużycia energii.  
• Urządzenia oparte na LoRa mają długi czas pracy na baterii 
• Dzięki zastosowaniu modulacji LoRa RF opartej na CSS, sieci LoRaWAN mogą rozszerzyć się na duży zasięg. Jest to około 10 km w kontekście środowiska wiejskiego i około 3 km w kontekście środowiska miejskiego 
• Dzięki obecności znormalizowanych organów, takich jak LoRa Alliance, urządzenia oparte na LoRa są widoczne na całym świecie, dzięki czemu są łatwo dostępne 
• Nieodłączne funkcje bezpieczeństwa w urządzeniach opartych na LoRa to kolejna zaleta sieci LoRaWAN. Sieci te wykorzystują również 128-bitowe techniki szyfrowania AES  

Pomimo swoich atrakcyjnych cech, sieci LoRaWAN zawsze nie są najlepszym rozwiązaniem. Sieci LoRaWAN są w stanie obsługiwać tylko niskie szybkości transmisji danych i mogą przesyłać małe próbki danych w danym czasie. W związku z tym musimy kodować typy danych, takie jak tekst w postaci binarnej, aby dorównać niewielkiej ładowności sieci LoRaWAN. Co więcej, sieci LoRaWAN nie nadają się idealnie do obsługi danych w czasie rzeczywistym, ponieważ urządzenia oparte na LoRa mogą wysyłać dane w określonych odstępach czasu. 

Kiedy używać LoRa i LoRaWAN? (Aplikacje) 

LoRa i LoRaWAN są odpowiednie do realizacji IoT i masowych aplikacji IoT, które wymagają następujących cech: 

• Niski koszt wdrożenia 
• Niski pobór mocy 
• Niższa przepustowość i transmisja małych ładunków 
• Bezpieczeństwo i duży zasięg działania 

Cechy te są widoczne w takich obszarach jak: 

• Inteligentne aplikacje parkingowe 
• Monitorowanie środowiska i aplikacje do pomiaru zużycia mediów 
• Śledzenie lokalizacji 
• Oświetlenie uliczne  
• Zastosowania rolnicze i zarządzanie żywym inwentarzem 
• Aplikacje do przewidywania katastrof, takie jak przewidywanie trzęsień ziemi 

Jednak sieci LoRa i LoRaWAN nie są idealnym kandydatem do zastosowań takich jak podłączone domy i zautomatyzowane aplikacje domowe, w których przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym i sterowanie różnymi siłownikami. Aplikacje oparte na LoRa nie są również najlepszym kandydatem do zastosowań wymagających wyższych przepustowości, takich jak przesyłanie obrazów lub filmów. 

Wnioski

Podsumowując, LoRa to schemat modulacji RF, który jest główną warstwą fizyczną w stosie sieci LoRaWAN. Co więcej, dzięki obecności znormalizowanych organów, takich jak LoRa Alliance, sieci LoRaWAN stają się popularne w zastosowaniach IoT i IoT o niskim poborze mocy i dużym zasięgu.