Introducció a lora i lorawan: què és lora i com funciona?

La comunicació és una de les parts més importants de qualsevol projecte IoT. La capacitat d'una cosa per comunicar-se amb altres "coses" (un núvol / servidor de dispositius) és el que dóna a la "cosa" el dret de connectar "Internet" al seu nom. Tot i que existeixen un munt de protocols de comunicació, a cadascun d’ells els falta una cosa o l’altra, cosa que els va fer “no totalment adequats” per a aplicacions IoT. Els principals problemes són el consum d'energia, l'abast / cobertura i l'amplada de banda.

La majoria de ràdios de comunicació com Zigbee, BLE, WiFi, entre d’altres, són d’abast curt i d’altres com, 3G i LTE, tenen molta energia i no es pot garantir l’abast de les seves àrees de cobertura, especialment als països en desenvolupament. Tot i que aquests protocols i modes de comunicació funcionen per a determinats projectes, comporta una extensa limitació com; dificultats per desplegar solucions IoT en zones sense cobertura cel·lular (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) i reducció bruta de la durada de la bateria dels dispositius. Per tant, previst el futur de l'IoT i la connexió de tot tipus de "coses", ubicades a tot tipus de llocs, hi havia la necessitat d'un mitjà de comunicació fet a mida per a l'IoT que admeti els seus requisits específics de baixa potència, significativament llarg abast., barat, segur i fàcil de desplegar. Aquí és on entra LoRa.

LoRa (que significa Long Range (Llarg abast)) és una tecnologia de comunicació sense fils patentada que combina un consum d'energia molt baix amb un llarg abast efectiu. Tot i que l’abast depèn en gran mesura de l’entorn i de les possibles obstruccions (LOS o N-LOS), LoRa sol tenir un abast entre 13 i 15 km, el que significa que una única passarel·la LoRa pot proporcionar cobertura a tota una ciutat i, amb un parell més, a un conjunt país. La tecnologia va ser desenvolupada per Cycleo a França i va sortir al dia quan la companyia va ser adquirida per Semtech el 2012. Vam utilitzar mòduls LoRa amb Arduino i amb Raspberry Pi i van funcionar com s’esperava.

Característiques de LoRa

Una ràdio LoRa inclou algunes funcions que l’ajuden a aconseguir una potència efectiva a llarg abast i un baix cost. Algunes d’aquestes característiques inclouen:

1. Tècnica de modulació
2. Freqüència
3. Tarifes de dades adaptatives
4. Nivells de potència adaptatius

Modulació

Les ràdios Lora utilitzen la tècnica de modulació d’espectre de propagació de xips per aconseguir un rang de comunicació significativament alt, mantenint al mateix temps característiques de potència baixes que són similars a les ràdios basades en la capa física de modulació FSK. Tot i que la modulació de l'espectre de propagació de xips ha existit durant un temps amb aplicacions en comunicacions militars i espacials, LoRa presenta la primera aplicació comercial de baix cost de la tècnica de modulació.

Freqüència

Tot i que la tecnologia LoRa és agnòstica de freqüència, la comunicació entre ràdios LoRa es produeix mitjançant l’ús de bandes de freqüència de ràdio sub-GHz sense llicència disponibles a tot el món. Aquestes freqüències varien d'una regió a una altra i sovint també varien segons els països. Per exemple, els 868 MHz s’utilitzen habitualment per a comunicacions LoRa a Europa, mentre que els 915 MHz s’utilitzen a Amèrica del Nord. Independentment de la freqüència, LoRa es pot utilitzar sense cap variació important en la tecnologia.

Bandes de freqüència per LoRa en diferents països

L’ús de freqüències inferiors a les dels mòduls de comunicació com el WiFi basat en les bandes ISM de 2,4 o 5,8 GHz permet una àrea de cobertura molt més gran, especialment per a situacions de NLOS.

És important tenir en compte que encara es requereixen permisos en alguns països abans de poder utilitzar les bandes sense llicència.

Taxa de dades adaptativa

LoRa utilitza una combinació d’amplada de banda variable i factors de distribució (SF7-SF12) per adaptar la velocitat de dades en un compromís amb l’interval de transmissió. Un factor de distribució més alt permet un abast més llarg a costa d’una velocitat de dades més baixa i viceversa. La combinació de l’amplada de banda i el factor de distribució es pot triar segons les condicions de l’enllaç i el nivell de dades a transmetre. Per tant, un factor de propagació més alt millora el rendiment i la sensibilitat de la transmissió per a un ample de banda determinat, però també augmenta el temps de transmissió com a conseqüència de velocitats de dades més baixes. Aquests poden variar des de tan sols 18bps fins a 40Kbp

Nivell de potència adaptativa

El nivell de potència utilitzat per les ràdios LoRa és adaptatiu. Depèn de factors com la velocitat de dades i les condicions d’enllaç, entre d’altres. Quan es necessita una transmissió ràpida, la potència transmesa s’acosta al màxim i viceversa. Així, es maximitza la durada de la bateria i es manté la capacitat de la xarxa. El consum d'energia també depèn de la classe de dispositius, entre d'altres factors.

LoRaWAN

LoRaWAN és un estàndard de xarxa d’àrea ampla oberta de gran abast, de gran abast, de gran potència (LPWAN) dissenyat per LoRa Alliance per a solucions IoT Powered IoT Solutions. És un protocol bidireccional que aprofita totes les funcions de la tecnologia LoRa per oferir serveis, inclosos el lliurament de missatges fiable, seguretat de punt a punt, ubicació i funcions de multidifusió. La norma garanteix la interoperabilitat de les diverses xarxes LoRaWAN a tot el món.

Normalment hi ha una barreja quan la gent intenta definir LoRa i LoRaWAN, que probablement es resol millor examinant el model de pila de referència OSI.

En poques paraules, basat en el model de pila OSI, LoRaWAN correspon al protocol Media Access per a la xarxa de comunicació, mentre que LoRa correspon a la capa física. Així, LoRaWAN defineix el protocol de comunicació i l'arquitectura del sistema per a la xarxa, mentre que l'arquitectura LoRa permet l'enllaç de comunicació de llarg abast. Tots dos es van fusionar per proporcionar la funcionalitat que determina la durada de la bateria d’un node, la capacitat de la xarxa, la qualitat del servei, la seguretat i altres aplicacions servides per la xarxa. Tot i que LoRaWAN és la capa MAC més popular per a LoRa, existeixen altres capes propietàries que també es basen en la tecnologia LoRa. Un bon exemple és Symphony link de Link Labs, desenvolupat especialment per a aplicacions industrials.

L’arquitectura de xarxes LoRaWAN

Oposat a la topologia de xarxa de malla adoptada per la majoria de xarxes, LoRaWAN utilitza l’arquitectura de xarxa estrella, per tant, en lloc de tenir cada dispositiu final en un estat gairebé sempre en estat, repetint la transmissió des d’altres dispositius per augmentar el rang, els dispositius finals de la xarxa LoRaWAN es comuniquen directament amb les passarel·les i només estan activades quan necessiten comunicar-se amb la passarel·la, ja que l'abast no és un problema. Això és un factor que contribueix a les funcions de baixa potència i alta autonomia de la bateria obtingudes als dispositius finals LoRa

L'arquitectura de xarxa LoRa consta de quatre parts principals;

1. Dispositius finals

2. Passarel·les

3. Servidor de xarxa

4. Servidor d'aplicacions

1. Dispositius finals

Es tracta de sensors o actuadors a la vora de la xarxa. Els dispositius finals serveixen diferents aplicacions i tenen requisits diferents. Per tal d'optimitzar una gran varietat de perfils d'aplicacions finals, LoRaWAN ™ utilitza tres classes de dispositius diferents a les quals es poden configurar els dispositius finals. Les classes presenten compensacions entre la latència de la comunicació d’enllaç descendent i la durada de la bateria del dispositiu.

Les tres grans classes són;

1. Dispositius finals bidireccionals (classe A)

2. Dispositius finals bidireccionals amb ranures de recepció programades (classe B)

3. Dispositius finals bidireccionals amb ranures de recepció màximes (classe C)

jo. Dispositius finals de classe A.

Es tracta de dispositius que només requereixen comunicació de baixada des del servei r immediatament després d’un enllaç ascendent. Per exemple, són dispositius que han de rebre confirmació de lliurament de missatges del servidor després d’un enllaç ascendent. Per a aquesta classe de dispositius, han d’esperar fins que s’enviï un enllaç ascendent al servidor abans de rebre qualsevol enllaç descendent. Com a resultat d'això, la comunicació es manté al mínim i, per tant, tenen el funcionament de potència més baix i la durada de la bateria més alta. Un bon exemple de dispositius de classe A és un comptador d’energia intel·ligent basat en LoRa

ii. Dispositius finals de la classe B

Aquests dispositius tenen assignades finestres de baixada addicionals a intervals programats, a més del baixant rebut quan s’envia un enllaç ascendent (classe A + un enllaç descendent extra programat). La naturalesa programada d’aquest enllaç descendent garanteix que l’operació sigui encara de baixa potència, ja que la comunicació només està activa a intervals programats, però la potència addicional consumida durant l’enllaç descendent programat augmenta el consum d’energia més enllà dels dispositius de classe A, ja que tenen una bateria més baixa vida en comparació amb els dispositius finals de la classe A.

iii. Dispositius finals de classe C.

Aquesta classe de dispositius no tenen cap limitació en l'enllaç descendent. Estan dissenyats per estar gairebé sempre oberts a les comunicacions des del servidor. Consumeixen més energia que les altres classes i tenen una durada de bateria mínima. Un bon exemple de dispositius de classe C són els dispositius finals que s’utilitzen en la gestió de flotes o en la supervisió real del trànsit.

2. Passarel·les

Les passarel·les (també anomenats concentradors) són dispositius connectats al servidor de xarxa mitjançant connexions IP estàndard que retransmeten missatges entre el backend del servidor de xarxa central i els dispositius finals mitjançant un protocol de comunicació sense fils de salt simple. Estan dissenyats per donar suport a la comunicació bidireccional i estan equipats amb multidifusió que permet al programari enviar missatges de distribució massiva com actualitzacions per antena.

Al centre de totes les passarel·les LoRa hi ha un demodulador LoRa multicanal capaç de descodificar totes les variants de modulació LoRa en diverses freqüències en paral·lel.

Per a un operador de xarxa a gran escala, els factors distintius principals haurien de ser el rendiment de la ràdio (sensibilitat, potència d’enviament), la connexió del xip SX1301 a la passarel·la MCU (USB a SPI o SPI a SPI) i el suport i distribució de PPS senyal la disponibilitat del qual permet una sincronització horària precisa sobre tota la població de passarel·la d'una xarxa

LoRa difon la comunicació entre dispositius finals i passarel·les a través de múltiples canals de freqüència i velocitats de dades. La tecnologia d’espectre estès utilitza velocitats de dades que van des de 0,3 kbps fins a 50 kbps per evitar que les comunicacions interfereixin entre elles i crea un conjunt de canals “virtuals” que augmenten la capacitat de la passarel·la.

Per maximitzar la durada de la bateria dels dispositius finals i la capacitat global de la xarxa, el servidor de xarxa LoRa gestiona la velocitat de dades i la sortida de RF de cada dispositiu final de manera individual mitjançant un esquema de velocitat de dades adaptativa (ADR).

3. Servidor de xarxa

El servidor de xarxa Lora és la interfície entre el servidor d’aplicacions i les passarel·les. Transmet les ordres del servidor d'aplicacions a la passarel·la mentre transporta dades des de les passarel·les al servidor d'aplicacions. Realitza funcions que inclouen assegurar-se que no hi ha paquets duplicats, programar agraïments i gestionar la velocitat de dades i la sortida de RF per a cada dispositiu final individualment mitjançant un esquema de velocitat de dades adaptativa (ADR).

4. Servidor d'aplicacions

El servidor d'aplicacions determina per a què s'utilitzen les dades dels dispositius finals. La visualització de dades, etc., probablement es fa aquí.

Seguretat i privadesa de LoRaWAN

No es pot subratllar la importància de la seguretat i la privadesa en qualsevol solució IoT. El protocol LoRaWAN especifica el xifratge per garantir que les vostres dades siguin segures, concretament

* Tecles AES128 per dispositiu

* Regeneració / revocació instantània de claus del dispositiu

* Xifratge de càrrega útil per paquet per a la privadesa de les dades

* Protecció contra atacs de repetició

* Protecció contra atacs home-al-mig

LoRa utilitza dues tecles; Les claus de sessió de sessió i sessió d'aplicació proporcionen comunicacions xifrades i dividides per a la gestió de xarxes i la comunicació d'aplicacions.

La clau de sessió de xarxa, compartida entre el dispositiu i la xarxa, és responsable de l’autenticació de les dades del node final, mentre que la clau de sessió de l’aplicació, compartida entre l’aplicació i el node final, és responsable de garantir la privadesa de les dades del dispositiu.

Característiques clau de LoRAWAN

*> Pressupost d’enllaç de 160 dB

* Potència TX de +20 dBm

* IIP3 excepcional

* Millora de la selectivitat de 10 dB respecte a FSK

* Tolerant a la interferència de ràfegues al canal

* Corrent RX més baix: 10 mA

* Corrent de son més baixa

* Despertador ultraràpid (dormir fins a RX / TX)

Avantatges de LoRa

A continuació es mostren alguns dels avantatges associats a LoRa;

1. Cobertura i llarg abast: amb un abast de fins a 15 km, el seu abast no es pot comparar amb el de cap altre protocol de comunicació.

2. Baixa potència: LoRa ofereix ràdios de baixa potència, cosa que els fa ideals per a dispositius que necessiten una durada de deu anys o més