LoRaWAN伝送速度で調べトピックス

LoRaWAN transmission

IoTデバイスの最も重要な能力は、コミュニケーションのことです. アプリケーションのさまざまな分野で異なるプロトコルがあります. 無線LANながら, ブルートゥース, ジグビーまたは他の無線規格は、多くの場合、家庭での短い距離のために使用されています, デバイスは、他の場所に代替技術を使用する必要があります. 技術のこのようなグループは、LoRaWAN送信であります. しかしながら, これらは、帯域幅を犠牲にして他のほとんどの無線規格よりも有意に長いレンジと優れたエネルギー効率の利点を持っています. LoRaWANは、いくつかの他の無線通信プロトコルに比べ示す下図. エンドデバイスが場所に設置されている場合LoRaWAN技術は、ほとんど使用されていることを達成することは困難である他の技術を有する唯一の仕事, または、エネルギー効率が非常に重要であるとき、. このLoRaWANでLPWAN技術として使用されています.

しかしながら, 範囲と消費電力はIoTを唯一の重要なポイントではありません. しばしば無視される問題の1つは、ネットワーク接続されたデバイスのセキュリティです. の間に 2017 そして 2018 一人で, IoTデバイス用の既知のマルウェアの数は、ほぼ四倍に増加します. しかし、マルウェアは唯一の脅威ではありません. IoTデバイスの多くは不十分な保護されたデータを送信します, IoTインフラストラクチャ上でも、このようにそのデータへの攻撃を引き起こし、. スパイ行為, データの操作やシステムの完全買収は、例示的な攻撃シナリオです.

IoTセキュリティのもう一つの関連するトピックは、ファームウェアの更新です; 彼らはデバイスに新たな機能をもたらすために、メーカーを可能にし、, セキュリティインシデントが発生した場合に, アクティブになるために持つユーザーなく、それらを改善するために. その攻撃者がデバイスに偽のファームウェアを注入することができないので、更新がまた、安全な方法で行われることが極めて重要です.

データ伝送のためのLoRaWANプロトコルを使用してファームウェアのアップデートとエンドデバイスを組み合わせることにより、完全に新たな挑戦を作成し、. IPベースの技術のためにしばらく, そのようなBとして. W-LAN, 特定のプロトコルのためのいくつかの提案が既に存在しています, LoRaWAN経由でのアップデートはまだ大部分は未踏です. 古典的なプロトコルを使用することができない理由はLoRaWAN技術の制約で見つけることができます. LoRaWAN, 例えば, データレートとLoRaWAN伝送速度の点で高い限界を有しており、標準化トランスポート・プロトコルを有していません, これは可能性のデータ伝送における損失を補償.

1.1 スマートメールボックス

この仕事で, 特定のアプリケーションが考えられているとのIoTセキュリティのさまざまなトピックが検討されています. スマートメールボックスが開発されました, そのメールのメールボックスにあるが受信されたとき、スマートフォンを介してユーザに通知.

1.1.1 使用事例

スマートメールボックスの基本的な考え方は、すべてのメールがそれに存在する場合、ユーザーは常に見つけるために自分のメールボックスを開く必要がないことを確認することです. その代わり, メールがあるように彼はすぐに自分のモバイルデバイスに通知を受信するメールボックスにあります. これは、ユーザーの時間がユーザから遠く離れているか、めったにメールが含まれていないことを主張されているメールボックスへの不要な原因ではないという利点があります.

アプリケーションの機能は、故意ため、セキュリティとエネルギー効率に焦点を小さく維持されています. 加えて, アプリケーションは、次のように開発されました “拡張”. 任意のレターボックスをインストールするには、ユーザーの一部に少しの努力でこれを行うことが可能であるべきです. バッテリー動作や小型フォームファクタはまた、このようにプロジェクトの要件です.

1.1.2 LoRaWAN伝送で調べトピック

先に述べたように, 仕事の焦点は、IoTをセキュリティにあります. 加えて, エネルギー効率を考えます. これらの優先順位から、, 最初のポイントとなっているスマートメールボックスを使用して調査しているいくつかのサブトピックがしっかり固定されています, E2E-暗号化されたデータLoRaWAN伝送. 特に、公共エリアでのメールボックスを持ちます, 攻撃者が見つけていないことが重要であることは、どのくらいのメールがメールボックスにあるかどうかを判断することができます. ブレークインが価値があるかどう簡単に見つけることができます。この防止. 保護は、メールボックスの状態について虚偽の情報を受信するからユーザーを防ぐために、操作に対しても重要です. 加えて, それは、これらのタスクのための暗号鍵の交渉は安全な方法を見つけることができ、デバイスまたは第三者の製造元せずに実施することができるでどの程度まで調べられ.

調査の次の主なポイントはLoRaWAN経由でセキュアなファームウェアアップデートであります. ファームウェアの転送に関していかなる公式の標準は現在ありません. LoRaWAN経由でのアップデート. この点において, それがこの作品の主な課題の一つであります
設計とテストへ. 最終的には, スマートメールボックスは、ユーザーの介入なしLoRaWAN経由でファームウェアのアップデートを実行することができるはずです. これらのアップデートはまた、暗号操作を防ぐために確保されなければなりません. 最後に, メールが認識できるメールボックスのデバイスに投げ込まれ、どのように検討されています. 様々な技術が検討され、適切なものを同定しました。.

2.1 LoRaWAN

LoRaWANデータ・エネルギー効率の少量のIoTアプリケーション用LoRaWAN溶液であり、大きな距離にわたって無線で送信することができます. これは、LORAラジオの片手で構成されてい, 物理データLoRaWAN送信およびLoRaWAN自体の一方のプロトコル, LORAに基づいているMACプロトコルは、構築とLORAを介してデータの転送のための標準化された手順を提供します. LoRaWAN, この作品の重要なポイントの一つとして、, エンドデバイスとの通信に使用されました, スマートメールボックスを含みます.

2.1.1 LORAは何ですか

LORAは、二つの通信相手との間でセムテック無線通信によって開発された周波数変調処理許可され. それはあります, 故に, 物理的なプロトコル (泥棒レイヤ 1), その唯一の物理的なデータ伝送の変調を引き継ぎます. LORAはエンコードシンボルに周波数変調チャープを使用します. 用途に使用チャープ変調は、送信シンボルに「チャープ」. 周波数を連続的に定義された期間にわたって帯域幅にわたって変化します. チャープの始まりについてされている転送されるシンボルが定義されています.

FSK又はPSKと比較して、この変調オファーは長距離及びノイズに対してロバストであることが主な利点. どちらも、使用拡散率と帯域幅からです. 拡散率は、単一のチャープの持続時間を決定し, つまり、どのように広いそれが「広がっています. 高い要因は、より広いシンボルを意味します, これは長いLoRaWAN伝送範囲を確保, だけでなく、低速のデータ伝送. LORAでの拡散率 7 に 12 定義されています, その最大値からLoRaWAN伝送速度を意味 37.5 キロビット / の最小秒 300 ビット / sが達成可能. 帯域幅は固定され 125 kHzの, 250 kHzのか 500 キロヘルツと、信号の範囲および速度に影響を与えます. これらのパラメータの具体的な選択はLoRaWANによって決定されます.

周波数LORAの用途は、地域に依存していること. ヨーロッパで, あなたはできる 868 MHz以上で 433 MHzのは、送信することができます. これらの周波数は、ライセンスフリースペクトルであることを言及することは重要です, ので、それらを使用するためにはライセンス料はありません. これを補うために、, 一時的な適用, すべてのデバイスが付着しなければならないという制約を送信. これらは、間にあります 0.1% そして 10%, 使用頻度に応じて、.

2.1.2 とは LoRaWAN

LoRaWANは、MACプロトコルであります (泥棒レイヤ 2), LORAに基づいています (だけでなく、FSKを使用することができて), また、ネットワーク・プロトコルのいくつかの要素 (泥棒レイヤ 3) 含まれています. これは、メッセージのフォーマットを定義します, だけでなく、MACは、転送を制御するためのコマンド. 基礎となるLORA送信のためのパラメータもLoRaWANによって決定されます. 最初の部分は、実際の仕様であります, どのメッセージ・フォーマットを定義します, MACコマンド, そして、シーケンス. 地域のパラメータ, これは、特定のLORAの設定, LoRaWANプロトコルに加え、いくつかの調整や追加など, エクステンションは、それぞれの領域に応じて定義するように利用可能です.

LoRaWANネットワークは、参加者のいくつかのグループで構成されており、スター・バイ・スタートポロジで編成されています, 図に示すように 5. 途中でネットワーク・サーバであります, これLoRaWANネットワークのサーバー側の管理で、クライアントアプリケーションのためのAPIを提供しています. LoRaWANアプリケーションとの両方の送信を管理し、受信するメッセージを送信. このサーバは、IP接続を介して複数のゲートウェイと通信します. その主なタスクは、LORAおよびその逆を介して、エンドデバイスへのネットワークサーバから受信LoRaWANパケットを転送することです. したがって, 彼らは物理的な媒体を変更するためのインターフェイスとして機能します. それらのデータを送信するために1つ以上のゲートウェイと通信するエンドデバイスよりも端に立っ. LoRaWANプロトコルのみを使用するゲートウェイとエンドデバイスの間であります. 標準的には残りのパスとそのフォーマットのために定義されていません, 故に, 使用される特定のアプリケーションに依存します.

これに関連して, LoRaWANは、いくつかのタスクにかかります, これは以下にさらに説明されています. これは、データが様々な方法で送信することができる使用される異なる通信クラスを含みます, LoRaWANアプリケーションにデバイスを追加するための2つのオプション, 送信データの暗号化と整合性チェック, そして、の接続を制御するための様々なMACコマンド. 後者は、彼らは非常に特殊であり、この作業には関係がないので、さらに説明されることはありません.

2.1.3 LoRaWANデータ伝送モード

LoRaWANは、データ伝送のための3つの異なるモードをサポートしています. これらのモディのそれぞれは、特定のユースケースを持っています, だけでなく、長所と短所, その下に記載されています.

クラスA

クラスA モード すべてのエンドデバイスとゲートウェイによって使用される主要LoRaWAN送信モードがサポートされている必要がありさ. これは、ALOHA原理に基づいて、端末とゲートウェイの間の双方向通信を可能にします. LoRaWANの場合, この手段は、端末は、いつでもデータを送信することができます, 2回のだけの短い1の間隔でデータパケットを送信した後もデータを受け取ることができます.

このモードの利点は、端末装置だけになった応答を受信するLORAトランシーバで、このターンの後すぐにデータを送信している間ということです. それはほとんどの時間を無効にしたままできることをこれは意味, エネルギーを節約します. 不利, しかしながら, 端末が受信可能な他のすべての回ですべてのデータを持っていないということです. 加えて, 一つはなって送られた各データパケットのために受信することができますのみ.

クラスA操作, 故に, 主にアップリンクメッセージとまれダウンリンクメッセージを送信するとき、最も理にかなっています. LoRaWANは、好ましくは、センサ、通常のみエンド・アプリケーションのステータス情報を提供する同様の低性能エンドデバイスに最もエンドデバイスの好ましいデータ転送モードのために使用されているので.

LoRaWAN伝送クラスA

クラスB

クラスBは、エンドデバイスでサポートされていなくても拡張したものです. このモードにより、定期的にクラスAに加えて、エンドデバイスで使用することができます. 最初にそれを自分で送信しなくても、ゲートウェイからデータを受け取ります. ビーコンには、いわゆるすべてのビーコンを送信 128 S, ゲートウェイに関するいくつかのステータス情報が含まれています. これを受信側デバイスは、データを受信することが可能な時間を計算するために、ビーコンおよびpingスロット周期を使用することができ. これは、短い瞬間が存在することができる任意のデータを受信するLORAトランシーバに切り替えるためにそれらが適切な時期にあることを可能にします. プロセスを以下に示します。.

LoRaWAN伝送クラスB

クラスBの提供ピングスロット周期以降のアクセシビリティとエネルギー消費の間の良好なバランスが、それを受信する頻度を制御するために調整することができます. より多くのエネルギーを純粋なクラスA動作のためのより使用されていることを、この手段, しかしLORAトランシーバをオフにすることができる長い期間が残っています. クラスBのもう一つの利点は、データを格納する機能であります 8 同時に複数のデバイスにマルチキャスト送信することができるようにします, 限り、アドレスとキーが同じであるとして. マルチキャストグループすることができます, 故に, 作成されます.

デバイスは、データ自体を送信せずに、より頻繁にデータを受信しなければならない場合、クラスBの使用は理にかなっています, しかし、デバイスは、まだエネルギー効率的に仕事を持っています. 典型的なアプリケーションは、タイムクリティカルせずに制御することができる規則的であるエンドデバイスになります.

クラスC

最後, また、オプション, 送信モードではクラスCであります. この中, いつでもゲートウェイからデータを受信することができるように恒久的に受信端末に切り替えます. クラスAとトランスミッションのオプションは、下図のように残っています.

LoRaWAN伝送クラスc

クラスCの利点は、データがいつでも受信することができることです. しかしながら, このため価格が高いエネルギー消費であります, エンドデバイスは常にアクティブLORAトランシーバを維持しなければならないので、. マルチキャストLoRaWAN伝送がここにも可能です.

大量のデータを短時間で転送する必要があるか、タイムクリティカルな転送が発生したときときのClass-Cにのみ使用してください. このモードは、バッテリ動作のためにあまりにも多くのエネルギーを消費するので、このようなエンドデバイスは、永久的な電源供給が必要です.