עבודה טכנית של טכנולוגיית LoRaWAN

עבודה טכנית של טכנולוגיית LoRaWAN

אֵיך LoRaWAN הטכנולוגיה עובדת

עם הטופולוגיה הכוכבית שלה וטכנולוגיית העברת אותות המיושמת בצורה חכמה, טכנולוגיית LoRaWAN תוכננה במיוחד עבור יעילות אנרגיה ורשת מאובטחת של מכשירים באינטרנט של הדברים. אנו יכולים להסביר כיצד הטכנולוגיה עובדת.

האינטרנט של הדברים מטיל דרישות רבות על טכנולוגיות הרשת בהן נעשה שימוש. מה שנדרש הוא ארכיטקטורה שתוכננה לאלפי צמתים שיכולים להיות רחוקים מאזורים מיושבים ובמקומות שקשה להגיע אליהם – החל מחיישנים העוקבים אחר זרימת מים וזיהום בנהרות ובתעלות וכלה במדי צריכה במרתף.

הארכיטקטורה חייבת גם לתמוך בבטחה בצמתי חיישנים המופעלים על ידי סוללה תוך פשטות ההתקנה והתחזוקה. זה מדבר על הפעלת רדיו. על טכנולוגיית הרשת לקחת בחשבון את הדרישות המחמירות של צריכת החשמל עבור צמתים סופיים, רבים מהם אמורים להיות מופעלים באמצעות סוללה אחת במשך עשרות שנים. אבטחה גבוהה היא חיונית למניעת האזנות סתר ולהדחת האקרים.

העיצוב של טכנולוגיית רשת כזו מתחיל ברמה הפיזית. בדומה למספר פרוטוקולי רדיו אחרים המשמשים ליישומי IoT, טכנולוגיית LoRaWAN משתמשת באפנון ספקטרום מורחב. הבדל מהותי בין LoRaWAN לפרוטוקולים אחרים הוא השימוש בטכניקה אדפטיבית המבוססת על אותות ציוץ – ולא ב- DSSS קונבנציונאלי (איתות ספקטרום התפשטות רצף ישיר). גישה זו מציעה פשרה בין רגישות הקליטה לקצב הנתונים המרבי, התומך בצומת הסתגלות זה אחר צומת הודות לתצורת האפנון.

עם DSSS, שלב המוביל מועבר באופן דינמי על פי רצף קוד מחושב מראש. מספר קודים עוקבים מוחלים על כל ביט שיועבר. רצף זה של העברת פאזה לכל ביט מייצר אות שמשתנה הרבה יותר מהר מהנשא, ובכך להפיץ את הנתונים על פני תדרים רחבים. ככל שמספר פעימות הקוד גבוה יותר (צ'יפס) למעט, ככל שפקטור הפיזור גבוה יותר. התפשטות זו הופכת את האות לפחות רגיש להפרעות, אך מפחית את קצב הנתונים האפקטיבי ומגדיל את צריכת החשמל לביט המועבר. מכיוון שהמשדר עמיד יותר בפני הפרעות, זה יכול להפחית את רמת ההספק הכוללת. DSSS, לָכֵן, מציע צריכת חשמל נמוכה יותר עם אותו שגיאת סיביות זהה. DSSS גורם לעלויות חשמל והשקעה, המגביל את היישום בצמתים של IoT.

שעון הייחוס המדויק חשוב לטכנולוגיית LoRaWAN

כדי להבטיח שהמקלט יכול לעבד את שבבי הקוד הנכנס ולהמיר את הזרם בחזרה לנתונים, DSSS מסתמך על שעון ייחוס מדויק על גבי המעגל. מקורות שעון כאלה הם יקרים למדי והדיוק הגובר של השעון מגביר גם את צריכת החשמל. טכנולוגיית CSS המשמשת את טכנולוגיית LoRaWAN (ספקטרום התפשטות) יכול להיות מיושם בצורה חסכונית יותר מכיוון שהוא אינו מסתמך על מקור שעון מדויק. אות ציוץ הוא אות שתדירותו משתנה לאורך זמן.
שלח משוב
הִיסטוֹרִיָה
שמור
קהילה

במקרה של רשת טכנולוגית LoRaWAN, תדר האות עולה לאורך שבבי הקוד של קבוצת סיביות הנתונים בהתאמה. לשיפור האמינות, LoRaWAN מוסיף מידע לתיקון שגיאות לזרם הנתונים. בנוסף לחסינות של מערכות עם ספקטרום מורחב, CSS מציע רמה גבוהה של חסינות בפני עיוות ודהייה מרובת נתיבים, שהוא בעייתי בסביבות עירוניות – בדיוק כמו משמרות דופלר: שכבות-על משנות את התדירות. הטכניקה של CSS חזקה יותר מכיוון שההשתנות של דופלר גורמות לשינוי קטן בלבד בציר הזמן של האות.

טווח נתונים גדול יותר או גבוה יותר

כמו DSSS, LoRa יכול לשנות את מספר שבבי הקוד לביט. התקן מגדיר שישה גורמי פיזור שונים (SF). עם SF גבוה יותר, ניתן להגדיל את טווח הרשת – אך עם יותר ביצועים לכל ביט וקצב נתונים כולל נמוך יותר. עם SF7, קצב הנתונים המרבי הוא בערך 5.4 קביט / s והאות יכול להיחשב חזק מספיק במרחק של 2 קמ – אם כי מרחק זה תלוי בשטח. עם SF10, הטווח המשוער גדל ל 8 ק"מ עם קצב נתונים של מעט פחות מ 1 קביט / s. זהו ה- SF הגבוה ביותר ב- uplink: שידור מהצומת לתחנת הבסיס. קישור למטה יכול להשתמש בשני SF גדולים עוד יותר. ה- SFs הם אורתוגונליים. זה מאפשר לצמתים שונים להשתמש בתצורות ערוצים שונות מבלי להשפיע זה על זה. בנוסף לרמה הפיזית המכינה נתונים לאפנון והעברת CSS, LoRaWAN מגדיר שתי שכבות לוגיות המתאימות לרמות 2 ו 3 של מודל רשת OSI שכבתי (חיבור בין מערכות פתוחות).

• רמה 2 היא רמת חיבור הנתונים LoRa. הוא מציע הגנה בסיסית על שלמות המסרים על סמך בדיקות יתירות מחזוריות. LoRaWAN קובע תקשורת בסיסית מנקודה לנקודה.
• רמה 3 מוסיף את תכונת פרוטוקול הרשת. פרוטוקול LoRaWAN מציע לצמתים אפשרות לאותת זה לזה או לשלוח נתונים לענן דרך האינטרנט – באמצעות רכז או שער.

טכנולוגיית LoRaWAN משתמשת בטופולוגיית כוכבים: כל צמתים העלים מתקשרים דרך השער המתאים ביותר. השערים משתלטים על הניתוב ו, אם יותר משער אחד נמצא בטווח של צומת עלים והרשת המקומית עמוסה יתר על המידה, יכול להפנות את התקשורת לחלופה. חלק מפרוטוקולי ה- IoT משתמשים ברשתות רשת כדי להגדיל את המרחק המרבי של צומת עלים משער. התוצאה היא דרישת אנרגיה גבוהה יותר של הצמתים להעברת מסרים לשערים וממנה, כמו גם לקיצור בלתי צפוי של חיי הסוללה.

ארכיטקטורת LoRaWAN מבטיחה כי ניתן לממד את הסוללה של כל צומת IoT באופן מתאים וצפוי ליישום.. השער משמש כגשר בין פרוטוקולים פשוטים יותר, המתאימים יותר לבלוטות עלים מוגבלות משאבים, ופרוטוקול האינטרנט (IP), המשמש לספק שירותי IoT. טכנולוגיית LoRaWAN גם מתחשבת בפונקציות השונות ובפרופילי האנרגיה של מכשירי הקצה על ידי תמיכה בשלושה מחלקות גישה שונות. כל המכשירים חייבים להיות מסוגלים לתמוך בכיתה א '. זהו המצב הקל ביותר המסייע למקסם את חיי הסוללה. מחלקה זו משתמשת בפרוטוקול Aloha הנרחב.

משולב הימנעות מהתנגשות אוטומטית

מכשיר יכול לשלוח הודעת העלאה לשער בכל עת: לפרוטוקול יש הימנעות מהתנגשות מובנית כאשר שני מכשירים או יותר מנסים לשלוח בו זמנית. לאחר סיום השידור, צומת הקצה ממתין להודעת downlink שעליה להגיע בתוך אחד משני משבצות הזמן הזמינות. לאחר שהתגובה מתקבלת, הצומת הסופי יכול ללכת לישון, שממקסם את חיי הסוללה.

א שער LoRaWAN אינו יכול להפעיל צומת סיום מחלקה A אם הוא במצב סרק. הוא צריך להתעורר לבד. הסיבה לכך היא טיימרים מקומיים או הפעלה מבוקרת של אירוע, שמופעל על ידי אירוע בכניסת חיישנים מקומית. מפעילים כגון שסתומים במערכת בקרת נוזלים חייבים להיות מסוגלים לקבל פקודות שנשלחות על ידי יישום רשת – גם אם אין להם נתונים מקומיים לעיבוד ולתקשורת. מכשירים אלה משתמשים במצבי Class B או C.

עם כיתה ב ', לכל מכשיר מוקצה חלון זמן שבתוכו עליו להפעיל את מקבלו על מנת לחפש הודעות downlink. הצומת יכול להישאר במצב שינה בין חלונות הזמן הללו. ניתן לשלוח הודעות Uplink אם המכשיר לא ממתין להודעת Downlink. מחלקה B משמשת כאשר ניתן לסבול את החביון של עד מספר דקות. Class C תומך בזמני חביון נמוכים משמעותית עבור הודעות Downlink מכיוון שהקצה הקדמי של המקלט נשאר פעיל כמעט כל הזמן. מכשיר מחלקה C אינו נמצא במצב קבלה רק אם הוא שולח הודעות העלאה משלו. מחלקה זו משמשת את צמתי הקצה המופעלים ברשת.

הצפנה רציפה של נתוני המשתמשים המועברים

בניגוד לפרוטוקולים אחרים שהוצעו עבור ה- IoT, LoRaWAN מציעה הצפנה מקצה לקצה של נתוני היישום – ממש עד שרתי הענן המשמשים לניהול ולספקת השירותים. בנוסף להצפנה מקצה לקצה, טכנולוגיית LoRaWAN מבטיחה שלכל מכשיר המחובר לרשת יש את האישורים הנדרשים ומאפשרת לצמתי IoT לבדוק אם הם אינם מתחברים לשער עם זהות בדויה. כדי להבטיח את רמת האימות הנדרשת, כל מכשיר LoRaWAN מתוכנת במהלך ההפקה עם מפתח ייחודי, המכונה בפרוטוקול AppKey.

למכשיר יש גם מזהה ייחודי ברחבי העולם. כדי להקל על המכשירים לזהות את חיבורי השער שלהם, לכל רשת מזהה משלה ברשימה המנוהלת על ידי ברית LoRa. מחשבים שמזוהים כשרתי הצטרפות משמשים לאימות ה- AppKey של כל מכשיר שרוצה להצטרף לרשת. לאחר ששרת ההצטרפות אימת את ה- AppKey, זה יוצר זוג מפתחות הפעלה המשמשים לעסקאות עוקבות. NwkSKey משמש להצפנת הודעות המשמשות לבקרת שינויים ברמת הרשת, לְמָשָׁל. להגדרת מכשיר בשער ספציפי. המפתח השני (AppSKey) מצפין את כל הנתונים ברמת היישום. הפרדה זו מבטיחה שלא ניתן ליירט ולהפענח את הודעות המשתמש על ידי מפעיל רשת שלישי.

רמת אבטחה נוספת מושגת באמצעות דלפקים מאובטחים המשולבים בפרוטוקול המסרים. תכונה זו מונעת התקפות השמעת מנות בהן האקר מיירט חבילות ומטפל בהן לפני שהוא מחזיר אותן לזרם הנתונים.. כל מנגנוני האבטחה מיושמים באמצעות הצפנת AES, אשר הוכח כמבטיח רמת אבטחה גבוהה. בשל היצעו הארצי, יעילות אנרגיה וביטחון, טכנולוגיית LoRaWAN מתאימה ליישומים רבים כפרוטוקול להקמת רשתות IoT.