L'Internet delle cose (IoT) sta stimolando la domanda di connettività wireless in tutti i settori. Le aziende che operano in settori che vanno dalla catena di fornitura alle infrastrutture desiderano monitorare in modalità wireless le risorse remote, monitorare le spedizioni, digitalizzare le apparecchiature, e altro ancora. Ma molte tecnologie wireless come WiFi e Bluetooth da sole non sono all’altezza di questi casi d’uso a lungo raggio. Entra in LoRa, uno standard wireless emergente che è come il Bluetooth con steroidi. Sembra adatto per implementazioni di reti IoT su larga scala grazie alle sue capacità a lungo raggio e a basso consumo. In questo blog, Darò una panoramica di cosa è LoRa, come funziona, i suoi principali vantaggi, applicazioni, e suggerimenti per provarlo tu stesso.
La definizione della tecnologia LoRa
LoRa sta per Long Range Radio e si rivolge principalmente all'Internet delle cose (IoT) e reti M2M. Si tratta di una sorta di nuovo approccio di modulazione wireless progettato proprio per la connettività a lungo raggio e le comunicazioni a basso consumo. Questa tecnologia consentirà a reti multi-tenant o pubbliche di connettere un numero di applicazioni in esecuzione sulla stessa rete.
Il protocollo LoRa include una serie di livelli diversi tra cui l'applicazione e il livello del dispositivo per comunicazioni sicure, crittografia in rete. Ogni singolo gateway LoRa ha la capacità di gestire fino a milioni di nodi. I segnali possono estendere una distanza significativa, il che significa che c'è meno struttura richiesta, rendere la costruzione di una rete più veloce e molto più economica da implementare.
Inizialmente è stato sviluppato da Cycleo di Grenoble, Francia, acquisita da Semtech nel 2012. Dopo, un'alleanza senza scopo di lucro ha standardizzato LoRaWAN – un protocollo di comunicazione costruito sulla modulazione LoRa. LoRaWAN definisce l'architettura del sistema mentre LoRa fornisce connettività fisica a lungo raggio.
Architettura di rete LoRa
L'architettura LoRaWAN è composta da nodi finali, gateway, il server di rete e il server delle applicazioni. In termini di architettura autentica per la rete LoRa, i nodi sono tipicamente in una topologia a stella di stelle con gateway che formano un ponte trasparente. Questi messaggi di inoltro tra il server di rete centrale e i dispositivi finali nel back-end. La comunicazione con i nodi del punto finale è generalmente bidirezionale, ma è anche possibile supportare il funzionamento multicast, e questo è utile per funzionalità come messaggi simili o altri messaggi di distribuzione di massa o aggiornamenti software.
- Sensore LoRa: Gli endpoint sono gli elementi della rete LoRa in cui viene effettuato il controllo o il rilevamento. Si trovano normalmente in remoto.
- Gateway LoRa: Il gateway riceve le infrastrutture dagli endpoint LoRa e quindi le trasferisce sul sistema di backhaul. Questa parte della rete LoRa può essere cellulare, Ethernet, o qualsiasi altro collegamento di telecomunicazione wireless o cablato. I gateway sono collegati al server di rete utilizzando connessioni IP tipiche. In questo modo, i dati utilizzano un protocollo tipico ma possono essere collegati a qualsiasi rete di telecomunicazioni, privato o pubblico. In vista della somiglianza di una rete LoRa con quella di una rete cellulare, I gateway LoRaWAN possono spesso essere collocati in una stazione base cellulare. In questo modo, sono in grado di utilizzare una capacità aggiuntiva sulla rete di backhaul.
- Server di rete LoRa: Il server di rete LoRa riesce nella rete e come parte della sua funzione, agisce per rimuovere i pacchetti duplicati, adatta la velocità dei dati, e il riconoscimento degli orari. La valutazione del modo in cui può essere distribuita e connessa rende molto semplice la distribuzione di una rete LoRa.
- Server delle applicazioni: Poi, un computer remoto può controllare le azioni degli endpoint o raccogliere dati dagli endpoint: la rete LoRa è quasi traslucida.
Come funziona la tecnologia LoRa
Il wireless LoRa utilizza la modulazione dello spettro diffuso, che diffonde un segnale a banda stretta su una larghezza di banda del canale più ampia. La sua magia wireless a lungo raggio deriva da alcune ottimizzazioni intelligenti:
Chirp Spread Spectrum (CSS)
Questa è la tecnica di modulazione del livello fisico utilizzata dalla radio LoRa. I CSS funzionano prendendo un segnale sinusoidale e cambiando la sua frequenza in modo lineare nel tempo, creando un segnale acustico. Questo segnale viene quindi modulato su una frequenza portante.
Emettendo il cinguettio del segnale su una larghezza di banda più ampia, LoRa distribuisce l'energia su una gamma di frequenze più ampia. Ciò aumenta la resistenza alle interferenze e al rumore, migliorando al contempo la ricezione del segnale al gateway.
Velocità dati adattiva (ADR)
Questo è il metodo di LoRa per ottimizzare dinamicamente la velocità dei dati tra i dispositivi del nodo finale e i gateway. Utilizzo dell'ADR, i nodi possono passare a velocità dati più elevate quando l'interferenza è bassa e passare a velocità dati più robuste quando l'interferenza aumenta.
Questa ottimizzazione garantisce le migliori velocità di trasmissione dati in condizioni di canale mutevoli, massimizzando sia la durata della batteria dei nodi che la capacità complessiva della rete.
Insieme, CSS e ADR conferiscono a LoRa una portata e una resilienza impressionanti con un consumo minimo di energia. I segnali appaiono come rumore ad altri sistemi, migliorare la sicurezza.
Caratteristiche principali e vantaggi della tecnologia LoRa
Diamo uno sguardo più approfondito ad alcuni dei principali vantaggi della tecnologia radio LoRa:
- Connettività a lungo raggio– Intervalli di abilitazione di 15+ km in ambienti rurali e 5+ km nelle aree urbane. Consente la copertura su scala cittadina, e si ottiene una buona penetrazione negli edifici.
- Bassa potenza– Fra 10 mA e 100 nA in modalità sospensione. A seconda dell'applicazione, la durata della batteria è 2 per 15 anni. Riduce drasticamente i costi di manutenzione.
- Trasmissioni sicure– La crittografia AES-128 bit protegge i dati e impedisce la manomissione.
- Geolocalizzazione accurata– I segnali possono individuare la posizione entro decine di metri senza GPS. Utile per il monitoraggio delle risorse.
- Bande dello spettro globale – 868 MHz (863–870 MHz, diviso in più sottobande) in Europa e 915 MHz negli USA. Il periodo di utilizzo del canale è limitato dalle normative di molti paesi (ciclo di lavoro).
- Comunicazione bidirezionale– Invia i dati e spingi la configurazione verso il basso. I dispositivi di comunicazione LoRa consentono il controllo remoto.
- Alta capacità– Un singolo gateway LoRa può gestire milioni di messaggi ogni giorno da migliaia di dispositivi.
- Norma aperta– LoRaWAN è una specifica aperta supervisionata dalla LoRa Alliance senza fini di lucro. Promuove l'adozione e l'interoperabilità.
Nozioni di base sulla tecnologia LoRa
Esistono diversi elementi chiave della tecnologia LoRa. Alcune delle sue caratteristiche principali includono quanto segue:
- Fino a milioni di nodi
- Batteria a lunga durata; in meno di dieci anni
- Lungo raggio; 15-20 km.
Esistono vari elementi della tecnologia LoRa che forniscono connettività e funzionalità complessive.
Stack di protocollo LoRa: LoRa Alliance ha anche definito uno stack di protocollo aperto. La creazione di questo stack open source ha permesso al concetto di LoRa di elevarsi perché tutti i diversi tipi di aziende coinvolte nello sviluppo di LoRa, distribuzione, e l'utilizzo sono stati in grado di unirsi per creare una soluzione a basso costo e facile da usare per la connettività a tutti i tipi di dispositivi IoT connessi.
Progettazione della rete LoRa: Oltre agli elementi RF del sistema wireless LoRa, ci sono alcuni altri elementi dell'architettura di rete, compresa la presenza dell'architettura di sistema complessiva, server, backhaul, e computer applicativi. L'architettura complessiva è spesso citata come LoRaWAN.
LoRa PHY / Interfaccia RF: Il livello fisico LoRa o PHY è la chiave per il funzionamento del sistema. Regola gli aspetti del segnale RF che viene trasmesso tra i nodi o gli endpoint, vale a dire. Il gateway LoRa e i sensori sono i punti in cui vengono ricevuti i segnali. Lo strato fisico o l'interfaccia radio governa aspetti del segnale incluso il formato di modulazione, livelli di potenza, frequenze, segnalazione tra gli elementi di trasmissione e ricezione, e altri argomenti correlati.
Modulazione LoRa
La tecnologia LoRa è la modulazione wireless o fisica (PHY) strato di silicio, utilizzato per creare il collegamento di comunicazione a lungo raggio.
Lo strato fisico LoRa utilizza una forma di modulazione dello spettro di diffusione. Il sistema di modulazione LoRa utilizza impulsi lineari a frequenza controllata a banda larga. Il livello di aumento o diminuzione della frequenza nel tempo viene utilizzato per codificare i dati da trasmettere, ad esempio; una forma di modulazione del cinguettio.
Questo tipo di modulazione consente ai sistemi wireless LoRa di demodulare segnali che si trovano 20 dB al di sotto del rumore di fondo quando la demodulazione è combinata con la correzione dell'errore di inoltro, FEC. Rispetto ad un sistema tradizionale FSK; il budget di collegamento per un sistema LoRa può offrire un miglioramento di oltre 25 dB.
Come risultato del punto in cui la trasmissione è diffusa in modo pseudo-casuale, potrebbe essere difficile da rilevare per gli utenti non LoRa e apparire come rumore. Ciò può supportare la sicurezza del sistema.
Un ulteriore vantaggio del sistema è che la modulazione del cinguettio e il sistema, in generale, tollerano gli offset di frequenza e di conseguenza, è possibile utilizzare un oscillatore a cristallo di base con a 20-30 Accettazione ppm piuttosto che un oscillatore che paga la temperatura, TCXO. Ciò può fornire alcuni buoni risparmi sui costi all'interno dei circuiti elettronici del nodo.
Sicurezza della rete LoRa
La questione della sicurezza della rete sta diventando gradualmente importante. Pertanto, le reti LoRa richiedono elevati livelli di sicurezza per prevenire i problemi di qualsiasi sistema.
Per raggiungere i livelli di sicurezza richiesti per le reti LoRa, sono stati utilizzati diversi livelli di crittografia:
Chiave specifica del dispositivo (EUI128).
La chiave di rete univoca (EUI64) garantisce sicurezza a livello di rete.
Chiave unica dell'applicazione (EUI64) certificare la sicurezza end-to-end.
L'uso di questi livelli di crittografia garantisce che la rete LoRa rimanga adeguatamente sicura.
Applicazioni della tecnologia LoRa
La tecnologia wireless LoRa è preferibilmente posizionata per essere utilizzata in una varietà di applicazioni. Le funzionalità a lungo raggio e a basso consumo fanno sì che gli endpoint possano essere distribuiti in un'ampia varietà di luoghi, all'esterno e all'interno degli edifici e hanno ancora la capacità di essere in grado di comunicare con il gateway. Poiché il sistema è facile da implementare e può essere utilizzato per un gran numero di IoT, Cose su Internet, e da macchina a macchina, applicazioni, M2M. Ecco alcune applicazioni LoRa comuni:
Città intelligenti – Misurazione intelligente, monitoraggio ambientale, parcheggio intelligente, illuminazione stradale, gestione dei rifiuti e altro ancora.
Catena di fornitura/logistica – Tracciamento e monitoraggio delle risorse, monitoraggio della catena del freddo, gestione della flotta.
agricoltura – Monitoraggio del suolo, controllo dell'irrigazione, tracciamento del bestiame.
IoT industriale – Monitoraggio delle apparecchiature, manutenzione predittiva, automazione.
Monitoraggio delle infrastrutture – Monitorare i binari ferroviari, ponti, tunnel per eventuali cambiamenti fisici.
Utilità – Rete intelligente, contabilizzazione gas/acqua, rilevamento perdite, generazione di energia distribuita.
Automazione degli edifici – HVAC e controllo dell'illuminazione, gestione dell'energia, monitoraggio dell'occupazione della stanza.
Assistenza sanitaria – Tracciamento delle risorse, sensori di dispositivi medici, monitoraggio del paziente.
Al dettaglio – Gestione delle scorte nei magazzini, geomarketing tramite beacon.
LoRa contro LoRaWAN – Qual è la differenza?
LoRa descrive il livello fisico inferiore, gli strati di rete superiori erano assenti. LoRaWAN è uno dei numerosi protocolli che sono stati sviluppati per descrivere gli strati superiori della rete. LoRaWAN è un controllo di accesso multimediale basato su cloud (MAC) protocollo di livello ma agisce principalmente come protocollo di livello di rete per gestire la comunicazione tra dispositivi end-node e gateway LPWAN, come protocollo di governo, gestito da LoRa Alliance. Versione specifica LoRaWAN 1.0 è stato rilasciato a giugno 2015.
LoRaWAN definisce l'architettura del sistema e il protocollo di comunicazione per la rete, mentre il livello fisico LoRa consente il collegamento di comunicazione a lungo raggio.
Quindi in sintesi:
LoRa = modulazione dello strato fisico
LoRaWAN = protocollo e architettura di comunicazione
Insieme forniscono la soluzione completa che include sia la connettività a lungo raggio che l'architettura di comunicazione di rete flessibile.
Cos'è l'Alleanza LoRa?
Come con molti altri sistemi, è stato istituito un ente industriale per sviluppare e promuovere il sistema wireless LoRa in tutto il settore chiamato Alleanza LoRa. È stato lanciato a marzo 2015. Come afferma l'Alleanza, è stato creato per fornire uno standard globale aperto per la sicurezza, connettività LPWAN IoT di livello carrier.
Sebbene LoRa fosse stato essenzialmente sviluppato da Semtech, l'apertura dello standard ne ha consentito l'adozione da parte di un ampio numero di aziende, accrescendo così l'ecosistema e ottenendo un coinvolgimento significativamente maggiore, una più ampia varietà di prodotti e un aumento generale nell'uso e nell'accettazione.
I membri fondatori di LoRa Alliance includono Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech, e tecnologia Microchip, così come i principali operatori di telecomunicazioni: Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom, e FastNet (parte di Telkom Sudafrica).
Iniziare con la tecnologia LoRa
Fondamentalmente, tutti possono gestire le proprie comunicazioni LoRa. Poiché LoRa funziona nella gamma di frequenza non assegnata, non sono necessari costi di licenza per le frequenze. Se devi solo impostare un LoRaWAN in un'area limitata, il funzionamento dei propri gateway e server può avere senso. Stai cercando di creare le tue soluzioni LoRa e LoRaWAN? Ecco alcuni modi in cui MOKOSmart può aiutarti a iniziare con la tecnologia LoRa:
– MOKOSmart offre una varietà di Sensori LoRaWAN per il monitoraggio delle risorse, monitoraggio ambientale, rilevamento del parcheggio e altro ancora.
– I nostri gateway LoRaWAN sono dotati di involucri IP66 e prestazioni LoRa e Bluetooth integrate.
– Forniamo gateway Bluetooth LoRaWAN per la connessione di dispositivi Bluetooth.
– Assicurati di effettuare piccole implementazioni di prova per valutare la copertura e le prestazioni nel mondo reale.
– Prendetevi il tempo necessario per progettare l'intera architettura del sistema end-to-end.
– Unisciti alla LoRa Alliance per collaborare e accedere alle risorse.
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