العمل الفني لتكنولوجيا LoRaWAN

العمل الفني لتكنولوجيا LoRaWAN

كيف LoRaWAN تعمل التكنولوجيا

مع طوبولوجيا النجمة وتكنولوجيا نقل الإشارات التي يتم تنفيذها بذكاء, تم تصميم تقنية LoRaWAN خصيصًا لتحقيق كفاءة استخدام الطاقة وتأمين الشبكات للأجهزة في إنترنت الأشياء. يمكننا شرح كيفية عمل التكنولوجيا.

تفرض إنترنت الأشياء العديد من المتطلبات على تقنيات الشبكة المستخدمة. ما هو مطلوب هو بنية مصممة لآلاف العقد التي يمكن أن تكون بعيدة عن المناطق المأهولة وفي الأماكن التي يصعب الوصول إليها – من أجهزة الاستشعار التي ترصد تدفق المياه والتلوث في الأنهار والقنوات إلى عدادات الاستهلاك في الطابق السفلي.

يجب أن تدعم البنية بأمان عقد الاستشعار التي تعمل بالبطارية مع تبسيط التركيب والصيانة. هذا يتحدث عن عملية الراديو. يجب أن تأخذ تقنية الشبكة في الاعتبار متطلبات استهلاك الطاقة الصارمة للعقد الطرفية, الكثير منها سيعمل ببطارية واحدة لعقود. الأمان العالي ضروري لمنع التنصت ودرء المتسللين.

يبدأ تصميم تقنية الشبكة هذه على المستوى المادي. على غرار عدد من البروتوكولات الراديوية الأخرى المستخدمة لتطبيقات إنترنت الأشياء, تستخدم تقنية LoRaWAN تعديل طيف الانتشار. الفرق الأساسي بين LoRaWAN والبروتوكولات الأخرى هو استخدام تقنية التكيف على أساس إشارات الغرد – وليس على DSSS التقليدية (تسلسل مباشر نشر إشارات الطيف). يقدم هذا النهج حلا وسطا بين حساسية الاستقبال والحد الأقصى لمعدل البيانات, والذي يدعم عقدة التكيف هذه بالعقدة بفضل تكوين التشكيل.

مع DSSS, يتم تغيير طور الموجة الحاملة ديناميكيًا وفقًا لتسلسل كود محسوب مسبقًا. يتم تطبيق عدد من الرموز المتتالية على كل بت لإرسالها. هذا التسلسل من التحولات الطورية لكل بت ينتج إشارة تتغير بسرعة أكبر بكثير من الناقل, وبالتالي نشر البيانات عبر نطاق تردد واسع. كلما زاد عدد نبضات الكود (رقائق) لكل بت, كلما زاد عامل الانتثار. هذا الانتشار يجعل الإشارة أقل عرضة للتداخل, لكنه يقلل من معدل البيانات الفعال ويزيد من استهلاك الطاقة لكل بتة مرسلة. لأن جهاز الإرسال أكثر مقاومة للتداخل, يمكن أن تقلل من مستوى الطاقة الكلي. DSSS, وبالتالي, يوفر استهلاكًا أقل للطاقة مع نفس معدل أخطاء البتات. تتسبب DSSS في تكاليف الكهرباء والاستثمار, مما يحد من التطبيق في عقد إنترنت الأشياء.

تعد الساعة المرجعية الدقيقة مهمة لتقنية LoRaWAN

للتأكد من أن جهاز الاستقبال يمكنه معالجة رقائق التعليمات البرمجية الواردة وتحويل الدفق إلى بيانات, يعتمد DSSS على ساعة مرجعية دقيقة على لوحة الدائرة. مصادر الساعة هذه مكلفة إلى حد ما ، كما أن الدقة المتزايدة للساعة تزيد أيضًا من استهلاك الطاقة. تقنية CSS المستخدمة من قبل تقنية LoRaWAN (طيف غرد ينتشر) يمكن تنفيذها بشكل أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنها لا تعتمد على مصدر ساعة دقيق. إشارة الغرد هي إشارة يختلف ترددها بمرور الوقت.
ارسل رأيك
التاريخ
تم الحفظ
تواصل اجتماعي

في حالة شبكة تكنولوجيا LoRaWAN, يزداد تواتر الإشارة على طول رقائق شفرة مجموعة بتات البيانات المعنية. لتحسين الموثوقية, يضيف LoRaWAN معلومات تصحيح الخطأ إلى دفق البيانات. بالإضافة إلى حصانة الأنظمة ذات الطيف المنتشر, يوفر CSS مستوى عالٍ من المناعة ضد التشويه والتلاشي عبر المسيرات المتعددة, وهو أمر إشكالي في البيئات الحضرية – تمامًا مثل نوبات دوبلر: التراكبات تغير التردد. تقنية CSS أكثر قوة لأن تحولات دوبلر تتسبب فقط في تغيير طفيف في المحور الزمني لإشارة النطاق الأساسي.

نطاق أكثر أو معدل بيانات أعلى

مثل DSSS, يمكن أن يغير LoRa عدد رقائق الكود لكل بت. يحدد المعيار ستة عوامل تشتت مختلفة (SF). مع SF أعلى, يمكن زيادة نطاق الشبكة – ولكن مع المزيد من الأداء لكل بت ومعدل بيانات إجمالي أقل. مع SF7, الحد الأقصى لمعدل البيانات هو تقريبا 5.4 كيلوبايت / s والإشارة يمكن اعتبارها قوية بما فيه الكفاية على مسافة 2 كم – على الرغم من أن هذه المسافة تعتمد على التضاريس. مع SF10, يزيد النطاق المقدر إلى 8 كم بمعدل بيانات أقل بقليل من 1 كيلوبايت / س. هذا هو أعلى SF في وصلة صاعدة: إرسال من العقدة إلى المحطة الأساسية. يمكن للوصلة الهابطة استخدام اثنين أكبر من SF. إن المحطات الحرجية متعامدة. هذا يسمح للعقد المختلفة باستخدام تكوينات قنوات مختلفة دون التأثير على بعضها البعض. بالإضافة إلى المستوى المادي الذي يعد البيانات لتشكيل CSS وإرسالها, يحدد LoRaWAN طبقتين منطقيتين تتوافقان مع المستويات 2 و 3 لنموذج شبكة طبقات OSI (ربط الأنظمة المفتوحة).

• مستوى 2 هو مستوى اتصال بيانات LoRa. يوفر حماية أساسية لتكامل الرسائل بناءً على فحوصات التكرار الدوري. يؤسس LoRaWAN اتصالات أساسية من نقطة إلى نقطة.
• مستوى 3 يضيف ميزة بروتوكول الشبكة. يوفر بروتوكول LoRaWAN للعقد الفرصة للإشارة إلى بعضها البعض أو لإرسال البيانات إلى السحابة عبر الإنترنت – باستخدام مكثف أو بوابة.

تستخدم تقنية LoRaWAN طبولوجيا النجوم: تتواصل جميع العقد الورقية عبر البوابة الأنسب. بوابات تولي التوجيه و, إذا كان هناك أكثر من بوابة ضمن نطاق عقدة طرفية وكانت الشبكة المحلية مثقلة, يمكن إعادة توجيه الاتصال إلى بديل. تستخدم بعض بروتوكولات إنترنت الأشياء شبكات متداخلة لزيادة المسافة القصوى لعقدة طرفية من البوابة. والنتيجة هي متطلبات طاقة أعلى للعقد لإعادة توجيه الرسائل من وإلى العبّارات, بالإضافة إلى تقصير لا يمكن التنبؤ به لعمر البطارية.

تضمن بنية LoRaWAN أن بطارية كل عقدة إنترنت الأشياء يمكن تحديد أبعادها بشكل مناسب ويمكن التنبؤ به للتطبيق. تعمل البوابة كجسر بين البروتوكولات الأبسط, وهي مناسبة بشكل أفضل لعقد الأوراق المقيدة الموارد, وبروتوكول الإنترنت (IP), الذي يستخدم لتقديم خدمات إنترنت الأشياء. تأخذ تقنية LoRaWAN في الاعتبار الوظائف المختلفة وملفات تعريف الطاقة للأجهزة النهائية من خلال دعم ثلاث فئات وصول مختلفة. يجب أن تكون جميع الأجهزة قادرة على دعم الفئة أ. هذا هو الوضع الأسهل الذي يساعد على زيادة عمر البطارية. تستخدم هذه الفئة بروتوكول Aloha المستخدم على نطاق واسع.

تفادي الاصطدام التلقائي متكامل

يمكن للجهاز إرسال رسالة ارتباط إلى البوابة في أي وقت: يحتوي البروتوكول على ميزة تجنب التصادم مضمنة عندما يحاول جهازان أو أكثر الإرسال في نفس الوقت. بمجرد اكتمال الإرسال, العقدة النهائية تنتظر رسالة من الوصلة الهابطة يجب أن تصل في غضون فترتين زمنيتين متاحتين. بمجرد استلام الرد, يمكن أن تذهب العقدة النهائية إلى النوم, مما يزيد من عمر البطارية.

أ بوابة LoRaWAN لا يمكن تنشيط عقدة نهاية فئة A إذا كانت في حالة خمول. عليه أن يستيقظ بنفسه. ويرجع ذلك إلى الموقتات المحلية أو التنشيط الذي يتم التحكم فيه في الحدث, والذي يتم تشغيله بواسطة حدث عند إدخال مستشعر محلي. يجب أن تكون المشغلات مثل الصمامات في نظام التحكم بالسوائل قادرة على تلقي الأوامر المرسلة بواسطة تطبيق شبكة – حتى لو لم يكن لديهم بيانات محلية للمعالجة والاتصال. تستخدم هذه الأجهزة أوضاع الفئة ب أو ج.

مع الفئة ب, يتم تعيين نافذة زمنية لكل جهاز يجب عليه تنشيط المستلم من أجل البحث عن رسائل الوصلة الهابطة. يمكن أن تظل العقدة في وضع السكون بين هذه النوافذ الزمنية. يمكن إرسال رسائل الإرسال إذا كان الجهاز لا ينتظر رسالة الوصلة الهابطة. يتم استخدام الفئة B عندما يمكن تحمل الكمون حتى عدة دقائق. تدعم الفئة C أوقات زمن انتظار أقل بكثير لرسائل الوصلة الهابطة حيث تظل الواجهة الأمامية للمستقبل نشطة بشكل شبه دائم. لا يكون جهاز الفئة C في وضع الاستلام إلا إذا أرسل رسائل الارتباط الخاصة به. يتم استخدام هذا الفصل من قبل العقد الطرفية المدعومة بالشبكة.

التشفير المستمر لبيانات المستخدم المرسلة

على النقيض من البروتوكولات الأخرى المقترحة لإنترنت الأشياء, يقدم LoRaWAN تشفيرًا كاملاً لبيانات التطبيق – وصولاً إلى خوادم السحابة التي تُستخدم لإدارة الخدمات وتقديمها. بالإضافة إلى التشفير من طرف إلى طرف, تضمن تقنية LoRaWAN أن كل جهاز متصل بالشبكة لديه بيانات الاعتماد المطلوبة ويتيح عقد إنترنت الأشياء التحقق مما إذا كان لا يتصل ببوابة بهوية خاطئة. لضمان المستوى المطلوب للمصادقة, تتم برمجة كل جهاز LoRaWAN أثناء الإنتاج بمفتاح فريد, والذي يشار إليه في البروتوكول باسم AppKey.

يحتوي الجهاز أيضًا على معرف فريد في جميع أنحاء العالم. لتسهيل تحديد الأجهزة لاتصالات البوابة الخاصة بهم, لكل شبكة معرفها الخاص في قائمة يديرها تحالف LoRa. يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر التي تم تحديدها على أنها خوادم الانضمام لمصادقة AppKey لأي جهاز يريد الانضمام إلى الشبكة. بمجرد مصادقة خادم الانضمام على AppKey, يقوم بإنشاء زوج من مفاتيح الجلسة التي يتم استخدامها للمعاملات اللاحقة. يتم استخدام NwkSKey لتشفير الرسائل المستخدمة للتحكم في التغييرات على مستوى الشبكة, على سبيل المثال. لإعداد جهاز على بوابة محددة. المفتاح الثاني (AppSKey) يشفر جميع البيانات على مستوى التطبيق. يضمن هذا الفصل أن رسائل المستخدم لا يمكن اعتراضها وفك تشفيرها بواسطة مشغل شبكة ثالث.

يتم تحقيق مستوى آخر من الأمان من خلال استخدام عدادات آمنة مدمجة في بروتوكول الرسائل. تمنع هذه الميزة هجمات تشغيل الحزم التي يعترض فيها أحد المتسللين الحزم ويعالجها قبل إعادتها مرة أخرى إلى تدفق البيانات. يتم تنفيذ جميع آليات الأمن عبر تشفير AES, والتي ثبت أنها تضمن مستوى عال من الأمان. نظرا لتوريدها على الصعيد الوطني, كفاءة الطاقة والأمن, تعد تقنية LoRaWAN مناسبة للعديد من التطبيقات كبروتوكول لإعداد شبكات إنترنت الأشياء.