Технология
Ако се интересувате от "Интернет на нещата" или технологии за свързани устройства, може би вече сте чували за LoRaWAN повече от веднъж. Това е протокол за радиочестотни далечни разстояния, който позволява устройствата да се свързват с Интернет директно с голям обхват и с ниска консумация на енергия. Това е разрешило голям проблем в сегашната екосистема "Интернет на нещата". С дълъг живот на батерията, до 5 години, съчетан с намалена цена за поддръжка на сензорната мрежа, LoRaWAN придвижва напред всички видове нови случаи на употреба.
Накратко, това е, което носи LoRaWAN и в тази статия ще разгледаме архитектурата, ключовите характеристики на основната технология и новите възникващи случаи на употреба, където се използва.
Стандартът и LoRa Alliance
Красотата на тази технология е, че тя се основава на отворен стандарт. Той използва нелицензирания спектър като част от радиочестотната лента ISM (Индустриална, научна и медицинска). В цяла Европа LoRaWAN използва радиочестотен диапазон 868Mhz, докато в САЩ се използва диапазонът 915Mhz. Използването на нелицензирания спектър улеснява всеки да настрои собствената си мрежа и да се възползва от нея. Много телекомуникационни оператори започнаха да приемат LoRaWAN като технология и предоставят връзка и услуги в много страни по света. KPN, Orange, SK Telecom, Comcast и много други са активно ангажирани с пускането в действие на мащабни инсталации в техния район.Това прави LoRaWAN технологията още по-интересна, тъй като тя е съвместима с мрежите, разгърнати от различни оператори, от малки до големи.
Стандартът LoRaWAN се управлява от LoRa Alliance - група от над 500 членове, сред които всички поддържат протокола и правят компоненти, продукти и услуги, свързани с LoRaWAN. Фирми като Microchip, ST, Cisco, Softbank и ARM са членове. Повече информация тук .
LoRa Alliance™
LoRa Alliance ™ е отворена, нестопанска асоциация от членове, които вярват, че ерата на Интернет на нещата е сега! Нашите членове си сътрудничат и споделят опит, за да направят успеха на протокола LoRa, LoRaWAN ™, като отворен глобален стандарт за сигурна връзка с IoT LPWA.
LoRaWAN ™ е протоколен слой, който определя комуникационния протокол и системната архитектура за Low Power Wide Area Network мрежа (LPWAN). Протоколът и мрежовата архитектура имат най-голямо влияние при определяне на живота на батерията на даден възел, капацитета на мрежата, качеството на услугата, сигурността и разнообразието от приложения, обслужвани от мрежата.
LoRa® е физическият слой или безжичната модулация, използвани за създаване на комуникационната връзка с дълъг обхват (следователно LoRa). LoRa® е патентована технология на Семтек, базирана на модулацията с разширен спектър, която поддържа едни и същи характеристики на ниска мощност като FSK модулация, но значително увеличава обхвата на комуникация. LoRa® предлага на IoT мрежи забележителна комбинация от дълъг обхват, ниска консумация на енергия и сигурно предаване на данни.
LoRaWan ™ технология
LoRa ™ = LongRange е безжична технология за предаване на данни и се отнася до радикална VHF / UHF двупосочна безжична модулация за пренос на данни по LoRaWan протокол,използваща разширен спектър, която наскоро бе разработена и патентована от фирма Semtech - създадена през 1960 в САЩ и с дългогодишни традиции в производството на електроника.
Технологията зад LoRA ™ е разработенa от Cycleo, френска компания, придобита от Semtech през 2012 г. LoRa ™ е специализирана технология, но използва по-прост вид CSS (Chirp Spread Spectrum) импулсна FM модулация, а не стандартните DSSS (Direct Sequence SS) или FHSS (Frequency Hopping SS) модулации с промяна на честотата.
В уеб-сайта на Semtech се посочва, че технологията LoRa ™ предлага "повишаване качеството на радио сигнала с 20db в сравнение със съществуващите решения, като значително разширява обхвата на всяко приложение, докато предоставя най-ниската консумация на ток и съответно удължаване живота на батерията".
Заявените диапазони за работа на LoRa мрежите са обикновено x10 в сравнение със стандартните свръх-високочестотни (UHF) системи за безжичен пренос на данни. И наистина, сравнена с разпространените теснолентови системи за пренос на данни, LoRa ™ дава стотици метри в сравнение с десетките при обикновените технологии, или хиляди метри, а не стандардтните стотици метри.
LoRaWAN мрежовата архитектура обикновено е изградена в топология звезда-от-звезди, в която базовите станции са прозрачни мостове препращащи съобщения между крайни устройства и централния мрежови сървър. Базовите станции са свързани с мрежовия сървър чрез стандартни IP връзки, докато крайните устройства използват директна безжична връзка към една или няколко базови станции. Комуникацията между крайните точки е обикновено двупосочна, но също така поддържа мултикаст режим, позволява и обновяване на софтуера по въздуха или изпращането на други съобщения за масово разпространение с цел намаляване на комуникационното време през радио частта.
Комуникацията между крайните устройства и базовите станции е разпределена върху различни честотни канали и скорости на предаване на данни. Изборът на скоростта за предаване на данните е компромис между комуникационния обхват и продължителността за предаване на съобщение. Благодарение на технологията за разширен спектър, комуникации с различни скорости на предаване на данни не пречат една на друга и създаването на набор от "виртуални" канали увеличава капацитета на базовата станция. Скоростите за предаване на данни на мрежата, използваща LoRaWAN протокол, варират от 0,3 Kbps до 50 Kbps. За увеличаване както живота на батерията на крайните устройства, така и цялостния капацитет на мрежата, мрежовият сървър на LoRaWAN мрежата управлява скоростта на данните и параметрите на радио изхода на всяко крайно устройство поотделно с помощта на схема за адаптивна скорост на данните (ADR).
В националните широколентови мрежи, насочени към Интернет На Нещата (IoT) като критична инфраструктура, поверителни лични данни или критични функции за обществото, има особена необходимост за сигурна и защитена комуникация. Това е решено от няколко слоя на криптиране:
- Уникален мрежови ключ (NetworkSessionKey - 128 bits) за всяко устройство за да се гарантира сигурността и защитеността на комуникацията на мрежово ниво
- Уникален ключ за приложения (ApplicationSessionKey – 128 bits) гарантира защитеност на комуникацията от край до край между крайното устройство и приложението за данни
- Уникален идентификатор на всяко устройство (DeviceEUI – 64 bits) в LoRa мрежата
LORAWAN ™ АРХИТЕКТУРА
LoRaWAN определя протокола за комуникация и архитектурата на системата, докато LoRa определя физическия слой.
Повечето от съвременните технологии за Интернет На Нещата използват "Напълно Свързана" мрежова архитектура. Чрез използването "Напълно Свързана" мрежова архитектура, системата може да увеличава комуникационния обхват и размера на мрежата си. Но елементите в една "Напълно Свързана" мрежа имат и допълнителна отговорност на изпращане на съобщения до други елементи, даже и да не се отнасят за тях. Това, естествено, се отразява значително на живота на батерията на устройството.
LoRaWAN използва топология звезда-от-звезди, което увеличава живота на батерията при свързаност на дълги разстояния
LoRaWan ™ компоненти
LoRaWan ™ мрежата се състои от няколко елемента.
LoRaWan ™ крайни устройства/възли: LoRaWan ™ крайни устройства/възли са сензорите или приложенията, които агрегират данните за наблюдение. Тези устройства/възли често са разположени отдалечено. Примери: сензори за екологичен мониторинг, устройства за проследяване и т.н.
LoRaWan ™ Базови Станции: За разлика от клетъчната комуникация, при която мобилните устройства са "закачени" с конкретната обслужваща ги базова станция в момента, при LoRaWAN устройствата/възлите не са свързани с конкретна Базова Станция. Вместо това всички данни, предавани от устройство, се изпращат до всички Базови Станции и всяка Базова Станция, която получава сигнал, препредава информацията към мрежовия сървър (обикновено базиран на облачно решение).
Базовите станции и мрежовите сървъри са свързани чрез един или няколко типа методи за пренос на данни и технологии (клетъчни, Wi-Fi, Ethernet или сателит).
Мрежови сървъри: Мрежовият сървър осъществява и притежава цялата интелигентност на LoRaWan ™ мрежата. Мрежовият сървър филтрира дублиращите пакети от различните базови станции, прави проверка за защитеност и последователност, изпраща отговори на Базовите станции за потвърждение или отхвърляне на получената информация. След всички проверки, ако дадени данни са предназначени за реално крайно приложение, мрежовият сървър изпраща данните към конкретното приложение за последваща обработка.
Използването на този тип мрежа, в която всички Базови Станции могат да изпращат едни и същи данни към мрежовия сървър, изключва необходмистта за превключване на комуникацията от една на друга станция. Това е полезно за прилагане на активно проследяване например, при което обектите се придвижват от едно място на друго.
LORAWAN ™ ТИПОВЕ УСТРОЙСТВА
Подобно на други мрежи, в които крайните устройства могат да имат различни възможности в зависимост от класа устройства, крайните устройства в LoRaWAN мрежата могат да имат различен клас на работа.
Всеки клас на работа е компромис между закъснението в мрежа при предаване на даните и живота на батерията.
Типове Устройства
| клас А | Най-подходящи за сензори за състояние на батерии
|
| клас B | Крайните устройства с предварително определен график за приемане на информация
|
| клас C | Крайно устройство с максимален брой интервали за получаване на информация
|
LoRaWan ™ честотни ленти
LoRaWAN работи в честотните обхвати под 1GHz, а точният диапазон варира в различните региони според регулаторните изисквания.
LoRaWAN Европа Frequency Band
- EU 863 – 870 MHz
- 8 канала в ширина 125 kHz,
- 6 вида скорост на предаване на данни с LoRa модулация всеки
- Скорост на предаване на данни: при предаване в 250kHz канал или излползване на FSK модулация е възможно постигането на 50Kbps при определени условия
- Максималната мощност на предаване – 0.025 W (+ 14dBm).
LoRaWAN за Северна Америка
- US 902 – 928 MHz
- 64канала по 125 kHzот 902.3 до 914.9MHzсъс стъпка 200 kHz.
- 8 канала по 500 KHzот 903 MHz до 914 MHzсъс стъпка 1.6 МHz
- Максималната мощност на предаване за Северна Америка е 30 dBm
LoRaWAN за Китай
- CN 779 - 787 MHz
- Максималната мощност за Китай е 10 dBm
LoRaWAN за Китай II
- CN 470 - 510 MHz
- Максималната мощност за Китай е 17dBm (0.05 W), препоръчителната 14 dBm
LoRaWAN за Европа II
- EU 433 - 434 MHz
- Максималната мощност за Европа за този диапазон е 10 dBm
LoRaWAN за Австралия
- AU 915 – 928 MHz
- 64 канала по 125 kHz от 915.2 до 927.8MHzсъс стъпка 200 kHz.
- 8 канала по 500 KHzот 915.9MHz до 927.1MHzсъс стъпка 1.6 МHz
- Максималната мощност за Австралия е 30 dBm, но препоръчителната 20 dBm
LoRaWAN за Южна Корея
- KR 920 - 923 MHz
- Максималната мощност за Южна Корев за този диапазон е 10 или 14 dBm
