Lora ve Lorawan'a Giriş: Lora nedir ve nasıl çalışır?

İletişim, herhangi bir IoT projesinin en önemli bölümlerinden biridir. Bir şeyin diğer "şeylerle" (bir cihaz bulutu / sunucusu) iletişim kurma yeteneği, "şeye" "interneti" adına ekleme hakkını veren şeydir. Tonlarca iletişim protokolü varken, bunların her birinde, IoT uygulamaları için "tamamen uygun olmadıklarına" neden olan bir şey ya da diğer eksiktir. Başlıca sorunlar güç tüketimi, menzil / kapsama alanı ve bant genişliğidir.

Diğerlerinin yanı sıra Zigbee, BLE, WiFi gibi çoğu iletişim radyosu kısa menzilli ve 3G ve LTE gibi diğerleri güç aç ve özellikle gelişmekte olan ülkelerde kapsama alanlarının kapsama alanı garanti edilemez. Bu protokoller ve iletişim modları belirli projeler için çalışırken, aşağıdaki gibi kapsamlı bir sınırlama getirmektedir; hücresel (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) kapsama alanı olmayan alanlarda IoT çözümlerinin dağıtımında zorluklar ve cihazların pil ömründe brüt azalma. Bu nedenle, IoT'nin geleceğini ve her tür yerde bulunan her tür "nesnenin" bağlantısını öngören, özellikle düşük güç, önemli ölçüde uzun menzilli gereksinimlerini destekleyen IoT için özel olarak tasarlanmış bir iletişim ortamına ihtiyaç vardı., ucuz, güvenli ve kurulumu kolay. LoRa burada devreye giriyor.

LoRa (Uzun Menzilli anlamına gelir), ultra düşük güç tüketimini etkili bir uzun menzil ile birleştiren patentli bir kablosuz iletişim teknolojisidir. Menzil büyük ölçüde ortama ve olası engellere (LOS veya N-LOS) bağlı olsa da, LoRa tipik olarak 13-15Km arasında bir menzile sahiptir; bu, tek bir LoRa ağ geçidinin tüm şehri ve birkaç tane daha ile bir bütün için kapsama sağlayabileceği anlamına gelir. ülke. Teknoloji, Fransa'da Cycleo tarafından geliştirildi ve şirketin 2012 yılında Semtech tarafından satın alınmasıyla gündeme geldi. LoRa modüllerini Arduino ve Raspberry Pi ile kullandık ve beklendiği gibi çalıştı.

LoRa'nın Özellikleri

Bir LoRa telsiz, uzun menzilli etkili güç ve Düşük maliyet elde etmesine yardımcı olan birkaç özellikten oluşur. Bu özelliklerden bazıları;

1. Modülasyon Tekniği
2. Sıklık
3. Uyarlanabilir Veri Hızları
4. Uyarlanabilir Güç Seviyeleri

Modülasyon

Lora telsizleri, FSK modülasyonlu fiziksel katman tabanlı telsizlere benzer düşük güç özelliklerini korurken, önemli ölçüde yüksek bir iletişim aralığı elde etmek için cıvıltı yayılı spektrum modülasyon tekniğini kullanır. Chirp yayılmış spektrum modülasyonu, askeri ve uzay iletişimindeki uygulamalarla bir süredir ortalıktayken, LoRa modülasyon tekniğinin ilk, düşük maliyetli ticari uygulamasını sunuyor.

Sıklık

LoRa teknolojisi frekanstan bağımsız iken, LoRa telsizleri arasındaki iletişim, dünya çapında mevcut olan lisanssız alt GHz radyo frekansı bantlarının kullanımıyla gerçekleşir. Bu frekanslar bölgeden bölgeye değişir ve genellikle ülkeler arasında da farklılık gösterir. Örneğin 868MHz, Avrupa'da LoRa iletişimi için yaygın olarak kullanılırken, 915MHz Kuzey Amerika'da kullanılır. Frekansa bakılmaksızın, LoRa teknolojide büyük bir değişiklik olmadan kullanılabilir.

LoRa için Farklı Ülkelerde Frekans Bantları

2,4 veya 5,8 GHz ISM bantlarına dayalı WiFi gibi iletişim modüllerinden daha düşük frekansların kullanılması, özellikle NLOS durumları için çok daha geniş bir kapsama alanı sağlar.

Lisanssız bantların kullanılabilmesi için bazı ülkelerde izinlerin hala gerekli olduğuna dikkat etmek önemlidir.

Uyarlanabilir Veri Hızı

LoRa, veri hızını iletim aralığıyla bir değiş tokuşta uyarlamak için değişken bant genişliği ve yayma faktörlerinin (SF7-SF12) bir kombinasyonunu kullanır. Daha yüksek yayma faktörü, daha düşük veri hızı pahasına daha uzun menzil sağlar ve bunun tersi de geçerlidir. Bant genişliği ve yayılma faktörünün kombinasyonu, bağlantı koşullarına ve iletilecek veri düzeyine göre seçilebilir. Dolayısıyla, daha yüksek bir yayılma faktörü, belirli bir bant genişliği için iletim performansını ve hassasiyeti geliştirir, ancak aynı zamanda daha düşük veri hızlarının bir sonucu olarak iletim süresini de artırır. Bunlar 18bps'den 40Kbp'ye kadar değişebilir

Uyarlanabilir Güç Seviyesi

LoRa radyoları tarafından kullanılan güç seviyesi uyarlanabilirdir. Veri hızı ve diğerlerinin yanı sıra bağlantı koşulları gibi faktörlere bağlıdır. Hızlı bir aktarım gerektiğinde, iletilen güç maksimuma yaklaştırılır ve bunun tersi de geçerlidir. Böylece pil ömrü en üst düzeye çıkarılır ve ağ kapasitesi korunur. Güç tüketimi, diğer birkaç faktörün yanı sıra cihazların sınıfına da bağlıdır.

LoRaWAN

LoRaWAN, LoRa Alliance tarafından LoRa Powered IoT Çözümleri için tasarlanmış yüksek kapasiteli, Uzun Menzilli, açık, Düşük Güçlü Geniş Alan Ağı (LPWAN) standardıdır. Güvenilir mesaj teslimi, uçtan uca güvenlik, konum ve çok noktaya yayın yetenekleri dahil olmak üzere hizmetler sunmak için LoRa teknolojisinin tüm özelliklerinden tam olarak yararlanan iki yönlü bir protokoldür. Standart, dünya çapında çeşitli LoRaWAN ağlarının birlikte çalışabilirliğini sağlar.

İnsanlar LoRa ve LoRaWAN'ı tanımlamaya çalıştıklarında genellikle en iyi OSI referans yığını Modelini inceleyerek çözülen bir karışıklık vardır.

Basitçe söylemek gerekirse, OSI yığın Modeline göre, LoRaWAN iletişim ağı için Ortam Erişim protokolüne karşılık gelirken, LoRa Fiziksel katmana karşılık gelir. Böylece LoRaWAN, ağ için iletişim protokolünü ve sistem mimarisini tanımlarken, LoRa mimarisi uzun menzilli iletişim bağlantısını sağlar. İkisi, bir düğümün pil ömrünü, ağ kapasitesini, hizmet kalitesini, güvenliği ve ağ tarafından sunulan diğer uygulamaları belirleyen işlevselliği sağlamak için bir araya getirildi. LoRaWAN, LoRa için en popüler MAC katmanı olsa da, LoRa teknolojisi üzerine inşa edilmiş diğer tescilli katmanlar da mevcuttur. Buna iyi bir örnek, endüstriyel uygulamalar için özel olarak geliştirilen Link Labs'ın Symphony bağlantısıdır.

LoRaWAN Ağ Mimarisi

Çoğu ağ tarafından benimsenen örgü ağ topolojisinin aksine, LoRaWAN yıldız ağ mimarisini kullanır, bu nedenle her bir uç cihazı neredeyse her zaman açık durumda tutmak yerine, LoRaWAN ağındaki uç cihazları, menzili artırmak için diğer cihazlardan iletimi tekrarlayarak doğrudan ağ geçitleriyle iletişim kurar ve yalnızca ağ geçidi ile iletişim kurmaları gerektiğinde açıktır, çünkü menzil bir sorun değildir. Bu, LoRa uç cihazlarında elde edilen Düşük güç özelliklerine ve Yüksek pil ömrüne katkıda bulunan bir faktördür

LoRa Ağ Mimarisi dört ana bölümden oluşur;

1. Son Cihazlar

2. Ağ geçitleri

3. Ağ sunucusu

4. Uygulama Sunucusu

1. Son Cihazlar

Bunlar, ağ ucundaki sensörler veya aktüatörlerdir. Uç cihazlar farklı uygulamalara hizmet eder ve farklı gereksinimleri vardır. LoRaWAN ™, çeşitli son uygulama profillerini optimize etmek için uç cihazların yapılandırılabileceği üç farklı cihaz sınıfını kullanır. Sınıflar, aşağı bağlantı iletişim gecikmesi ve cihazın pil ömrü arasındaki değiş tokuşlara sahiptir.

Üç ana sınıf;

1. Çift Yönlü uç cihazlar (Sınıf A)

2. Planlanmış alma yuvalarına sahip çift yönlü uç cihazlar (Sınıf B)

3. Maksimum alım yuvalarına sahip çift yönlü uç cihazlar (Sınıf C)

ben. A Sınıfı Uç Cihazlar

Bunlar, yalnızca bir Yukarı Bağlantıdan hemen sonra sunucudan aşağı bağlantı iletişimini gerektiren cihazlardır. Örneğin, bir yukarı bağlantıdan sonra sunucudan mesaj teslim onayı alması gereken cihazlardır. Bu cihaz sınıfı için, herhangi bir aşağı bağlantı alınmadan önce sunucuya bir Yukarı Bağlantı gönderilinceye kadar beklemeleri gerekir. Bunun bir sonucu olarak, iletişim minimumda tutulur ve bu nedenle en düşük güçle çalışmaya ve en yüksek pil ömrüne sahiptirler. A sınıfı cihazlara güzel bir örnek, LoRa tabanlı bir Akıllı Enerji Ölçerdir

ii. B Sınıfı Uç Cihazlar

Bu cihazlara, bir yukarı bağlantı gönderildiğinde alınan aşağı bağlantıya ek olarak planlanan aralıklarla fazladan aşağı bağlantı pencereleri tahsis edilir (A Sınıfı + planlanmış bir ekstra aşağı bağlantı). Bu aşağı bağlantının planlanan yapısı, iletişim yalnızca planlanan aralıklarda etkin olduğundan, ancak planlanan aşağı bağlantı sırasında tüketilen ekstra güç, A Sınıfı cihazlarınkinin ötesinde güç tüketimini arttırdığından, işlemin hala düşük güçte olmasını sağlar, bu nedenle pilleri daha düşüktür. A sınıfı uç cihazlara kıyasla ömür.

iii. C Sınıfı Uç Cihazlar

Bu sınıftaki cihazların , aşağı bağlantı üzerinde bir sınırlaması yoktur. Neredeyse her zaman sunucudan gelen iletişime açık olacak şekilde tasarlanmıştır. Diğer sınıflardan daha fazla güç tüketirler ve en düşük pil ömrüne sahiptirler. C sınıfı cihazların iyi örnekleri, filo yönetiminde veya gerçek trafik izlemede kullanılan uç cihazlardır.

2. Ağ geçitleri

Ağ geçitleri (yoğunlaştırıcılar olarak da adlandırılır), tek sekmeli kablosuz iletişim protokolü kullanarak merkezi ağ sunucusu arka ucu ile uç cihazlar arasında mesajları aktaran standart IP bağlantıları aracılığıyla ağ sunucusuna bağlanan cihazlardır. Çift yönlü iletişimi desteklemek için tasarlanmışlardır ve yazılımın kablosuz güncellemeler gibi toplu dağıtım mesajları göndermesini sağlayan çok noktaya yayın ile donatılmıştır.

Her LoRa ağ geçidinin merkezinde, tüm LoRa modülasyon varyantlarını paralel olarak birkaç frekansta çözebilen çok kanallı bir LoRa demodülatör vardır.

Büyük ölçekli bir ağ operatörü için temel ayırt edici faktörler, radyo performansı (hassasiyet, gönderme gücü), SX1301 yongasının ağ geçidi MCU'ya bağlantısı (USB'den SPI'ye veya SPI'dan SPI'ye) ve PPS'nin desteği ve dağıtımı olmalıdır. kullanılabilirliği bir ağdaki tüm ağ geçidi popülasyonu üzerinde hassas zaman senkronizasyonuna izin veren sinyal

LoRa, uç cihazlar ve ağ geçitleri arasındaki iletişimi birden çok frekans kanalı ve veri hızına yayar. Yaygın spektrum teknolojisi, iletişimin birbirini engellemesini önlemek için 0.3 kbps ila 50 kbps arasında değişen veri hızları kullanır ve ağ geçidinin kapasitesini artıran bir dizi "sanal" kanal oluşturur.

LoRa ağ sunucusu, hem son cihazların pil ömrünü hem de genel ağ kapasitesini en üst düzeye çıkarmak için, bir uyarlanabilir veri hızı (ADR) şeması aracılığıyla her bir son cihaz için veri hızını ve RF çıkışını ayrı ayrı yönetir.

3. Ağ Sunucusu

Lora Network sunucusu, Uygulama sunucusu ile Ağ Geçitleri arasındaki arayüzdür. Ağ geçitlerinden uygulama sunucusuna veri aktarırken Uygulama sunucusundan ağ geçidine komutları aktarır. Yinelenen paketlerin olmamasını sağlamak, onayları zamanlamak ve bir uyarlanabilir veri hızı (ADR) şeması kullanarak her bir uç cihaz için veri hızını ve RF çıkışını ayrı ayrı yönetmek gibi işlevleri yerine getirir.

4. Uygulama Sunucusu

Uygulama sunucusu, uç cihazlardan gelen verilerin ne için kullanıldığını belirler. Veri Görselleştirme vb. Muhtemelen burada yapılır.

LoRaWAN Güvenliği ve Gizlilik

Herhangi bir IoT çözümünde güvenlik ve gizliliğin önemi fazla vurgulanamaz. LoRaWAN protokolü, verilerinizin güvenli ve somut bir şekilde güvende olmasını sağlamak için şifrelemeyi belirtir

* Cihaz başına AES128 tuşları

* Cihaz anahtarlarının anında yenilenmesi / iptali

* Veri gizliliği için paket başına yük şifreleme

* Tekrar saldırılara karşı koruma

* Ortadaki adam saldırılarına karşı koruma

LoRa iki anahtar kullanır; Ağ Oturumu ve Uygulama Oturumu anahtarlarının her ikisi de ağ yönetimi ve uygulama iletişimi için bölünmüş, şifreli iletişim sağlar.

Cihaz ve ağ arasında paylaşılan ağ oturumu anahtarı, uç düğüm verilerinin kimlik doğrulamasından sorumluyken, uygulama ile uç düğüm arasında paylaşılan uygulama oturum anahtarı, aygıt verilerinin gizliliğini garanti etmekten sorumludur.

LoRAWAN'ın Temel Özellikleri

*> 160 dB bağlantı bütçesi

* +20 dBm TX gücü

* Olağanüstü IIP3

* FSK'ya göre 10dB seçicilik iyileştirmesi

* Kanal içi patlama girişimi için toleranslı

* En düşük RX akımı - 10mA

* En düşük uyku akımı

* Ultra hızlı uyandırma (RX / TX'e kadar uyku)

LoRa'nın Avantajları

Aşağıda LoRa ile ilişkili avantajlardan bazıları verilmiştir;

1. Uzun Menzil ve Kapsama: 15 km'ye kadar LOS Menzili ile, menzili başka herhangi bir İletişim protokolü ile karşılaştırılamaz.

2. Düşük Güç: LoRa, aşırı düşük güçlü telsizler sunar ve bu da onları 10 yıl veya daha uzun süre dayanan cihazlar için ideal hale getirir.