รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ lora และ lorawan: lora คืออะไรและทำงานอย่างไร?

การสื่อสารเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดส่วนหนึ่งของโครงการ IoT ใด ๆ ความสามารถของสิ่งหนึ่งในการสื่อสารกับ“ สิ่งต่างๆ” (คลาวด์ของอุปกรณ์ / เซิร์ฟเวอร์) คือสิ่งที่ทำให้“ สิ่งของ” มีสิทธิ์ที่จะแนบ“ อินเทอร์เน็ต” เข้ากับชื่อของมัน แม้ว่าจะมีโปรโตคอลการสื่อสารมากมาย แต่แต่ละโปรโตคอลก็ขาดสิ่งใดสิ่งหนึ่งซึ่งทำให้“ ไม่เหมาะสมโดยสิ้นเชิง” สำหรับแอปพลิเคชัน IoT ปัญหาสำคัญคือการใช้พลังงานช่วง / ความครอบคลุมและแบนด์วิดท์

วิทยุสื่อสารส่วนใหญ่เช่น Zigbee, BLE, WiFi และอื่น ๆ เช่น 3G และ LTE นั้นใช้พลังงานไม่เพียงพอและไม่สามารถรับประกันช่วงครอบคลุมพื้นที่ได้โดยเฉพาะในประเทศกำลังพัฒนา แม้ว่าโปรโตคอลและโหมดการสื่อสารเหล่านี้จะใช้ได้กับบางโครงการ แต่ก็มีข้อ จำกัด มากมายเช่น ความยากลำบากในการปรับใช้โซลูชัน IoT ในพื้นที่ที่ไม่มีการครอบคลุมเครือข่ายมือถือ (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ที่ลดลงโดยรวม ด้วยเหตุนี้การมองเห็นอนาคตของ IoT และการเชื่อมต่อของ“ สิ่งของ” ทุกชนิดซึ่งตั้งอยู่ในทุกสถานที่จึงจำเป็นต้องมีสื่อการสื่อสารที่ออกแบบมาสำหรับ IoT ซึ่งรองรับความต้องการของพลังงานต่ำโดยเฉพาะและมีระยะยาวมาก ราคาถูกปลอดภัยและใช้งานง่าย นี่คือจุดที่LoRa เข้ามา

Lora (ซึ่งย่อมาจากLong Range) เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายที่จดสิทธิบัตรซึ่งรวมการใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษที่มีระยะยาวที่มีประสิทธิภาพในขณะที่ช่วงขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมและสิ่งกีดขวางที่เป็นไปได้ (LOS หรือ N-LOS) โดยทั่วไปแล้วLoRaจะมีช่วงระหว่าง13-15Kmซึ่งหมายความว่าเกตเวย์ LoRaเดียวสามารถให้ความครอบคลุมสำหรับทั้งเมืองและอีกสองสามอย่างโดยรวม ประเทศ. เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาโดย Cycleo ในฝรั่งเศสและเกิดขึ้นเมื่อ บริษัท Semtech เข้าซื้อกิจการในปี 2555 เราใช้โมดูล LoRa กับ ArduinoและRaspberry Piและทำงานได้ตามที่คาดไว้

คุณสมบัติของ LoRa

วิทยุ LoRa ประกอบด้วยคุณสมบัติบางอย่างที่ช่วยให้ได้พลังงานที่มีประสิทธิภาพระยะไกลและต้นทุนต่ำ คุณสมบัติบางอย่าง ได้แก่;

1. เทคนิคการมอดูเลต
2. ความถี่
3. อัตราข้อมูลที่ปรับเปลี่ยนได้
4. ระดับพลังงานที่ปรับเปลี่ยนได้

การมอดูเลต

วิทยุ Lora ใช้เทคนิคการมอดูเลตสเปกตรัมการแพร่กระจายของ chirp เพื่อให้ได้ช่วงการสื่อสารที่สูงอย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ยังคงรักษาลักษณะการใช้พลังงานต่ำที่คล้ายคลึงกับวิทยุที่ใช้การมอดูเลต FSK ในขณะที่การมอดูเลตสเปกตรัมการแพร่กระจายของ chirp มีมาระยะหนึ่งแล้วสำหรับการใช้งานในการสื่อสารทางทหารและอวกาศ LoRa นำเสนอการประยุกต์ใช้เทคนิคการมอดูเลตเชิงพาณิชย์ต้นทุนต่ำตัวแรก

ความถี่

แม้ว่าเทคโนโลยี LoRa จะไม่เชื่อเรื่องพระเจ้า แต่การสื่อสารระหว่างวิทยุ LoRa เกิดขึ้นโดยใช้คลื่นความถี่วิทยุย่อย GHz ที่ไม่มีใบอนุญาตซึ่งมีอยู่ทั่วโลก ความถี่เหล่านี้แตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาคและมักจะแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ ตัวอย่างเช่น 868MHz มักใช้สำหรับการสื่อสาร LoRa ในยุโรปในขณะที่ 915MHz ใช้ในอเมริกาเหนือ โดยไม่คำนึงถึงความถี่ LoRa สามารถใช้งานได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในเทคโนโลยี

ย่านความถี่สำหรับ LoRa ในประเทศต่างๆ

การใช้ความถี่ต่ำกว่าโมดูลการสื่อสารเช่น WiFi ตามคลื่นความถี่ 2.4 หรือ 5.8GHz ISM ทำให้พื้นที่ครอบคลุมกว้างขึ้นมากโดยเฉพาะสำหรับสถานการณ์ NLOS

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ายังต้องมีการอนุญาตในบางประเทศก่อนจึงจะสามารถใช้แบนด์ที่ไม่มีใบอนุญาต

อัตราข้อมูลที่ปรับเปลี่ยนได้

LoRa ใช้การรวมกันของแบนด์วิธตัวแปรและปัจจัยการแพร่กระจาย (SF7-SF12) เพื่อปรับอัตราข้อมูลในการแลกเปลี่ยนกับช่วงของการส่ง ปัจจัยการแพร่กระจายที่สูงขึ้นช่วยให้สามารถใช้งานได้นานขึ้นโดยมีค่าใช้จ่ายของอัตราข้อมูลที่ต่ำกว่าและในทางกลับกัน การรวมกันของแบนด์วิดท์และปัจจัยการแพร่กระจายสามารถเลือกได้ตามเงื่อนไขการเชื่อมโยงและระดับของข้อมูลที่จะส่ง ดังนั้นปัจจัยการแพร่กระจายที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งและความไวของแบนด์วิดท์ที่กำหนด แต่ยังเพิ่มเวลาในการส่งเนื่องจากอัตราข้อมูลที่ลดลง ซึ่งอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 18bps จนถึง 40Kbp

ระดับพลังงานที่ปรับได้

ระดับพลังงานที่ใช้โดยวิทยุ LoRa เป็นแบบปรับได้ ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆเช่นอัตราข้อมูลและเงื่อนไขการเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน เมื่อต้องการการส่งที่รวดเร็วกำลังส่งจะถูกผลักเข้าใกล้ค่าสูงสุดและในทางกลับกัน ดังนั้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะสูงสุดและรักษาความจุของเครือข่าย การใช้พลังงานยังขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์ท่ามกลางปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมาย

LoRaWAN

LoRaWAN เป็นความจุสูง Long Range เปิดพลังงานต่ำ Wide Area Network (LPWAN) มาตรฐานที่ออกแบบมาสำหรับLora ขับเคลื่อนโซลูชั่น IOTโดยLora พันธมิตร เป็นโปรโตคอลแบบสองทิศทางซึ่งใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทั้งหมดของเทคโนโลยี LoRa เพื่อส่งมอบบริการต่างๆรวมถึงการส่งข้อความที่เชื่อถือได้การรักษาความปลอดภัยแบบครบวงจรตำแหน่งที่ตั้งและความสามารถแบบหลายผู้รับ มาตรฐานนี้ช่วยให้มั่นใจถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันของเครือข่าย LoRaWAN ต่างๆทั่วโลก

มักจะมีการผสมผสานกันเมื่อผู้คนพยายามกำหนด LoRa และ LoRaWANซึ่งน่าจะแก้ไขได้ดีที่สุดโดยการตรวจสอบ OSI reference stack Model

ใส่เพียงแค่ขึ้นอยู่กับสแต็ค OSI Model, LoRaWAN สอดคล้องกับการเข้าถึงสื่อโปรโตคอลสำหรับเครือข่ายการสื่อสารในขณะที่สอดคล้อง Lora ไปยังชั้นทางกายภาพ ดังนั้น LoRaWAN จึงกำหนดโปรโตคอลการสื่อสารและสถาปัตยกรรมระบบสำหรับเครือข่ายในขณะที่สถาปัตยกรรม LoRa ช่วยให้สามารถเชื่อมโยงการสื่อสารระยะไกลได้ ทั้งสองรวมเข้าด้วยกันเพื่อมอบฟังก์ชันการทำงานที่กำหนดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโหนดความจุเครือข่ายคุณภาพของบริการความปลอดภัยและแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่ให้บริการโดยเครือข่าย ในขณะที่ LoRaWAN เป็นเลเยอร์ MAC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับ LoRa เลเยอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์อื่น ๆ ซึ่งสร้างขึ้นจากเทคโนโลยี LoRa ก็มีอยู่เช่นกัน ตัวอย่างที่ดีคือ Symphony link โดย Link Labs ซึ่งพัฒนาขึ้นเป็นพิเศษสำหรับงานอุตสาหกรรม

สถาปัตยกรรมเครือข่าย LoRaWAN

เมื่อเทียบกับโทโพโลยีเครือข่ายตาข่ายที่นำมาใช้โดยเครือข่ายส่วนใหญ่ LoRaWAN ใช้สถาปัตยกรรมเครือข่ายแบบดาวดังนั้นแทนที่จะให้อุปกรณ์ปลายทางแต่ละเครื่องอยู่ในสถานะเกือบตลอดเวลาโดยจะส่งข้อมูลซ้ำจากอุปกรณ์อื่นเพื่อเพิ่มช่วงอุปกรณ์ปลายทางในเครือข่าย LoRaWAN สื่อสารโดยตรงกับเกตเวย์และจะเปิดเฉพาะเมื่อจำเป็นต้องสื่อสารกับเกตเวย์เนื่องจากช่วงไม่ใช่ปัญหา นี่เป็นปัจจัยที่เอื้อต่อคุณสมบัติการใช้พลังงานต่ำและอายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงที่ได้รับในอุปกรณ์ปลายทาง LoRa

สถาปัตยกรรมเครือข่าย LoRa ประกอบด้วยสี่ส่วนหลัก ๆ

1. อุปกรณ์ปลายทาง

2. เกตเวย์

3. เซิร์ฟเวอร์เครือข่าย

4. แอปพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์

1. อุปกรณ์ปลายทาง

สิ่งเหล่านี้คือเซ็นเซอร์หรือตัวกระตุ้นที่ขอบเครือข่าย อุปกรณ์ปลายทางรองรับการใช้งานที่แตกต่างกันและมีข้อกำหนดที่แตกต่างกัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของโปรไฟล์แอปพลิเคชันปลายทางที่หลากหลาย LoRaWAN ™ใช้คลาสอุปกรณ์ที่แตกต่างกันสามคลาสซึ่งอุปกรณ์ปลายทางสามารถกำหนดค่าเป็น คลาสนี้มีการแลกเปลี่ยนระหว่างเวลาแฝงของการสื่อสารดาวน์ลิงค์และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์

สามชั้นเรียนที่สำคัญ ได้แก่

1. อุปกรณ์ปลายทิศทางแบบสองทิศทาง (Class A)

2. อุปกรณ์ปลายทางแบบสองทิศทางพร้อมช่องรับตามกำหนดเวลา (คลาส B)

3. อุปกรณ์ปลายทางแบบสองทิศทางพร้อมช่องรับสูงสุด (คลาส C)

ผม. อุปกรณ์ปลายทางระดับ A

อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ต้องการการสื่อสารดาวน์ลิงค์จากการให้บริการทันทีหลังจากอัปลิงค์ ตัวอย่างเช่นเป็นอุปกรณ์ที่ต้องได้รับการยืนยันการส่งข้อความจากเซิร์ฟเวอร์หลังจากอัปลิงค์ สำหรับอุปกรณ์คลาสนี้พวกเขาต้องรอจนกว่า Uplink จะถูกส่งไปยังเซิร์ฟเวอร์ก่อนจึงจะรับดาวน์ลิงค์ได้ ด้วยเหตุนี้การสื่อสารจึงถูกเก็บไว้อย่างน้อยที่สุดและทำให้การใช้พลังงานต่ำที่สุดและอายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุด ตัวอย่างที่ดีของอุปกรณ์คลาส A คือ Smart Energy Meter ที่ใช้ LoRa

ii. อุปกรณ์ปลายทางคลาส B

อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการจัดสรรหน้าต่างดาวน์ลิงค์พิเศษตามช่วงเวลาที่กำหนดไว้นอกเหนือจากดาวน์ลิงค์ที่ได้รับเมื่อส่งอัปลิงค์ (คลาส A + ดาวน์ลิงค์พิเศษตามกำหนดเวลา) ลักษณะที่กำหนดไว้ของ downlink นี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการทำงานยังคงใช้พลังงานต่ำเนื่องจากการสื่อสารจะทำงานตามช่วงเวลาที่กำหนดไว้เท่านั้น แต่พลังงานที่เพิ่มขึ้นในระหว่างการดาวน์ลิงค์ตามกำหนดเวลาจะเพิ่มการใช้พลังงานนอกเหนือจากอุปกรณ์ Class A ดังนั้นจึงมีแบตเตอรี่ที่ต่ำกว่า อายุการใช้งานเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ปลายทางระดับ A

สาม. อุปกรณ์ปลายทางคลาส C

ระดับอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้มีข้อ จำกัด ในการ downlink ได้รับการออกแบบมาให้เปิดรับการสื่อสารจากเซิร์ฟเวอร์ได้เกือบตลอดเวลา ใช้พลังงานมากกว่าคลาสอื่น ๆ และมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ต่ำที่สุด ตัวอย่างที่ดีของอุปกรณ์คลาส C คืออุปกรณ์ปลายทางที่ใช้ในการจัดการยานพาหนะหรือการตรวจสอบปริมาณการใช้งานจริง

2. เกตเวย์

เกตเวย์ (หรือเรียกอีกอย่างว่าคอนเซนเตรเตอร์) เป็นอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับเซิร์ฟเวอร์เครือข่ายผ่านการเชื่อมต่อ IP มาตรฐานที่ถ่ายทอดข้อความระหว่างแบ็กเอนด์เซิร์ฟเวอร์เครือข่ายส่วนกลางและอุปกรณ์ปลายทางโดยใช้โปรโตคอลการสื่อสารไร้สายแบบ single-hop ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการสื่อสารแบบสองทิศทางและติดตั้งมัลติคาสต์ที่ช่วยให้ซอฟต์แวร์สามารถส่งข้อความการกระจายจำนวนมากเช่นการอัปเดตผ่านอากาศ

หัวใจสำคัญของเกตเวย์ LoRa ทุกตัวคือตัวถอดรหัส LoRa แบบหลายช่องสัญญาณที่สามารถถอดรหัสรูปแบบการมอดูเลต LoRa ทั้งหมดในหลายความถี่แบบขนาน

สำหรับผู้ให้บริการเครือข่ายขนาดใหญ่ปัจจัยที่แตกต่างที่สำคัญควรเป็นประสิทธิภาพของวิทยุ (ความไวการส่งกำลัง) การเชื่อมต่อของชิป SX1301 กับเกตเวย์ MCU (USB เป็น SPI หรือ SPI เป็น SPI) และการสนับสนุนและการกระจายของ PPS สัญญาณที่ความพร้อมใช้งานทำให้สามารถซิงโครไนซ์เวลาได้อย่างแม่นยำเหนือประชากรเกตเวย์ทั้งหมดในเครือข่าย

LoRa กระจายการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ปลายทางและเกตเวย์ผ่านช่องความถี่และอัตราข้อมูลต่างๆ เทคโนโลยีสเปกตรัมการแพร่กระจายใช้อัตราข้อมูลตั้งแต่ 0.3 kbps ถึง 50 kbps เพื่อป้องกันการสื่อสารจากการรบกวนซึ่งกันและกันและสร้างชุดช่องสัญญาณ "เสมือน" ที่เพิ่มความจุของเกตเวย์

เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ปลายทางและความจุเครือข่ายโดยรวมให้สูงสุดเซิร์ฟเวอร์เครือข่าย LoRa จะจัดการอัตราข้อมูลและเอาต์พุต RF สำหรับอุปกรณ์ปลายทางแต่ละเครื่องแยกกันผ่านรูปแบบอัตราข้อมูลแบบปรับได้ (ADR)

3. เซิร์ฟเวอร์เครือข่าย

เซิร์ฟเวอร์ Lora Network เป็นส่วนต่อประสานระหว่างแอ็พพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์และเกตเวย์ มันถ่ายทอดคำสั่งจากแอ็พพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์ไปยังเกตเวย์ในขณะที่ส่งต่อข้อมูลจากเกตเวย์ไปยังแอ็พพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์ มันทำหน้าที่รวมถึงการตรวจสอบว่าไม่มีแพ็กเก็ตที่ซ้ำกันกำหนดการตอบรับและการจัดการอัตราข้อมูลและเอาต์พุต RF สำหรับอุปกรณ์ปลายทางแต่ละเครื่องแยกกันโดยใช้รูปแบบอัตราข้อมูลแบบปรับได้ (ADR)

4. แอปพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์

แอ็พพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์กำหนดว่าข้อมูลจากอุปกรณ์ปลายทางถูกใช้เพื่ออะไร การแสดงข้อมูล ฯลฯ อาจทำได้ที่นี่

LoRaWAN ความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัว

ความสำคัญของความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวในโซลูชัน IoT ไม่สามารถเน้นย้ำได้ โปรโตคอล LoRaWAN ระบุการเข้ารหัสเพื่อให้มั่นใจว่าข้อมูลของคุณปลอดภัยอย่างเป็นรูปธรรม

* คีย์ AES128 ต่ออุปกรณ์

* การสร้างใหม่ / การเพิกถอนคีย์อุปกรณ์ทันที

* การเข้ารหัสเพย์โหลดต่อแพ็คเก็ตเพื่อความเป็นส่วนตัวของข้อมูล

* ป้องกันการโจมตีซ้ำ

* ป้องกันการโจมตีจากคนตรงกลาง

LoRa ใช้สองปุ่ม คีย์เซสชันเครือข่ายและเซสชันแอปพลิเคชันซึ่งทั้งสองคีย์นี้มีการสื่อสารแบบแยกส่วนที่เข้ารหัสสำหรับการจัดการเครือข่ายและการสื่อสารแอปพลิเคชัน

คีย์เซสชันเครือข่ายที่ใช้ร่วมกันระหว่างอุปกรณ์และเครือข่ายมีหน้าที่ในการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลโหนดปลายทางในขณะที่คีย์เซสชันของแอปพลิเคชันที่ใช้ร่วมกันระหว่างแอปพลิเคชันและโหนดปลายทางมีหน้าที่รับประกันความเป็นส่วนตัวของข้อมูลอุปกรณ์

คุณสมบัติที่สำคัญของ LoRAWAN

*> งบประมาณลิงก์ 160 dB

* กำลังไฟ TX +20 dBm

* IIP3 ที่ยอดเยี่ยม

* ปรับปรุงการเลือก 10dB ผ่าน FSK

* ทนทานต่อการรบกวนในช่องสัญญาณ

* กระแส RX ต่ำสุด - 10mA

* กระแสไฟต่ำสุด

* ตื่นขึ้นมาเร็วมาก (นอนหลับเป็น RX / TX)

ข้อดีของ LoRa

ด้านล่างนี้คือข้อดีบางประการที่เกี่ยวข้องกับ LoRa

1. ระยะไกลและการครอบคลุม:ด้วยระยะ LOS สูงสุด 15 กม. ช่วงของมันไม่สามารถเปรียบเทียบกับโปรโตคอลการสื่อสารอื่น ๆ ได้

2. พลังงานต่ำ: LoRa นำเสนอวิทยุที่ใช้พลังงานต่ำมากซึ่งทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องใช้งานเป็นเวลา 10 ปีหรือ