LoRaWAN伝送速度に関する調査済みトピック

LoRaWAN送信

IoTデバイスの最も重要な機能は、通信の機能です. アプリケーションの異なる分野で異なるプロトコルがあります. WiFi, ブルートゥース, Zigbeeまたは他の無線規格は、家庭内の短距離でよく使用されます, デバイスは別の場所に配置する必要があります代替技術を使用します. そのような技術のグループはLoRaWAN伝送です. しかしながら, これらには、帯域幅を犠牲にして、他のほとんどの無線規格よりも大幅に長い範囲と優れたエネルギー効率という利点があります。. 下の写真は、他のいくつかのワイヤレス通信プロトコルと比較したLoRaWANを示しています. LoRaWANテクノロジーは主に、達成が困難な他のテクノロジーとのみ連携する場所にエンドデバイスがインストールされている場合に使用されます, またはエネルギー効率が非常に重要な場合. このLoRaWANではLPWANテクノロジーとして使用されています.

しかしながら, 範囲と消費電力だけがIoTの重要なポイントではありません. 見過ごされがちな問題の1つは、ネットワーク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デバイスの既知のマルウェアの数はほぼ4倍に増加しました. しかし、脅威はマルウェアだけではありません. 多くのIoTデバイスは、保護が不十分なデータを送信します, そのデータ、ひいてはIoTインフラストラクチャにも攻撃を引き起こします. 諜報活動, データの操作とシステムの完全な乗っ取りは、典型的な攻撃シナリオです。.

IoTセキュリティのもう1つの関連トピックは、ファームウェアの更新です; それらは、メーカーがデバイスに新しい機能をもたらすことを可能にし、, セキュリティインシデントが発生した場合, ユーザーがアクティブになることなくそれらを修正する. 攻撃者が偽のファームウェアをデバイスに挿入できないように、更新も安全な方法で実行されることが非常に重要です。.

データ転送にLoRaWANプロトコルを使用するファームウェアアップデートとエンドデバイスを組み合わせると、まったく新しい課題が発生します. IPベースのテクノロジーの場合, Bなど. W-LAN, 特定のプロトコルについてはすでにいくつかの提案があります, LoRaWANを介した更新はまだほとんど調査されていません. 従来のプロトコルを使用できない理由は、LoRaWANテクノロジーの制限にあります。. LoRaWAN, 例えば, データレートとLoRaWAN伝送速度に関して高い制限があり、標準化されたトランスポートプロトコルがありません, データ送信の損失を補うことができます.

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検討され、IoTセキュリティのさまざまなトピックが検討されます. スマートメールボックスが開発されました, メールボックスにメールが入っているときにスマートフォン経由でユーザーに通知します.

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、ユーザーがメールボックスを開いてメールが入っているかどうかを確認する必要がないようにすることです。. 代わりに, メールボックスにメールが入るとすぐに、モバイルデバイスで通知を受け取る必要があります. これには、メールボックスがユーザーから遠く離れているか、メールがほとんど含まれていないためにユーザーの時間が不要にならないという利点があります。.

セキュリティとエネルギー効率に重点を置いているため、アプリケーションの機能は意図的に小さく保たれています。. 加えて, アプリケーションはとして開発されました “拡張”. レターボックスをインストールするユーザーの側で少しの努力でこれを行うことが可能であるはずです. したがって、バッテリーの動作と小さなフォームファクターもプロジェクトの要件です。.

1.1.2 LoRaWAN送信で検討されたトピック

前述のように, 作業の焦点はIoTセキュリティにあります. 加えて, エネルギー効率が考慮されます. これらの優先順位から, スマートメールボックスを使用して調査されるいくつかのサブトピックがあります最初のポイントは安全です, E2Eで暗号化されたデータLoRaWAN送信. 特に公共エリアのメールボックスで, 攻撃者がメールボックスにメールがあるかどうか、またどれだけのメールがあるかを判断できないことが重要です。. これにより、侵入が価値があるかどうかを誰が簡単に見つけることができなくなります. ユーザーがメールボックスの状態に関する誤った情報を受け取らないようにするための操作に対する保護も重要です。. 加えて, これらのタスクの暗号化キーのネゴシエーションが、デバイスの製造元やサードパーティが知ることなく実行できる安全な方法である程度が調べられます。.

次の主な調査ポイントは、LoRaWANを介した安全なファームウェアアップデートです。. 現在、ファームウェアの転送に関する公式の基準はありません. LoRaWANを介した更新. この点において, それはこの仕事の主な仕事の一つです
設計とテスト. 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にLoRaWANを介してファームウェアの更新を実行できる必要があります. これらの更新は、操作を防ぐために暗号で保護する必要もあります. 最後に, 認識できるメールボックスデバイスにメールがどのようにスローされるかを調べます. さまざまな技術が検討され、適切な技術が特定されました.

2.1 LoRaWAN

LoRaWANは、エネルギー効率の高い少量のデータを備えたIoTアプリケーション向けのLoRaWANソリューションであり、長距離にわたってワイヤレスで送信できます。. LoRaラジオの片手で構成されています, 物理データのLoRaWAN送信用のプロトコル、およびLoRaWAN自体のプロトコル, LoRaに基づくMACプロトコルが構築され、LoRaを介してデータを転送するための標準化された手順を提供します. LoRaWAN, この作品の要点の一つとして, 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む.

2.1.1 LoRaとは

LoRaは、許可された2つの通信パートナー間のSemtechワイヤレス通信によって開発された周波数変調プロセスです。. です, したがって, 物理プロトコル (OSIレイヤー 1), 物理データ送信の変調のみを引き継ぎます. LoRaは、周波数変調チャープを使用してシンボルをエンコードします. 使用されるチャープ変調は、「チャープ」を使用してシンボルを送信します. 周波数は、定義された期間にわたって帯域幅全体で継続的に変更されます. 転送されるシンボルは、チャープの始まりについて定義されています.

この変調がFSKまたはPSKと比較して提供する主な利点は、長距離とノイズに対する堅牢性です。. どちらも使用される拡散率と帯域幅によるものです. 拡散係数は、単一のチャープが続く時間を決定します, つまり、それがどれだけ広がっているか」. 係数が高いほど、シンボルが広くなります, これにより、LoRaWANの送信範囲が長くなります, だけでなく、遅いデータ転送. LoRaでの拡散係数 7 に 12 定義されています, これは、LoRaWANの伝送速度が最大 37.5 キロビット / sから最小 300 ビット / sを達成することができます. 帯域幅はに固定されています 125 kHz, 250 kHzまたは 500 kHzであり、信号の範囲と速度にも影響します. 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.

LoRaが使用する周波数は地域によって異なります. ヨーロッパで, あなたはできる 868 MHzまたは 433 MHzを送信できます. これらの周波数はライセンスフリーのスペクトルであることに言及することが重要です, したがって、それらを使用するためのライセンス料はありません. これを補うために, 一時的に適用する, すべてのデバイスが遵守しなければならない制限を送信する. これらは間にあります 0.1% そして 10%, 使用する周波数に応じて.

2.1.2 とは LoRaWAN

LoRaWANはMACプロトコルです (OSIレイヤー 2), LoRaに基づいています (FSKでも使用できます), また、ネットワークプロトコルのいくつかの要素 (OSIレイヤー 3) 含まれています. メッセージフォーマットを定義します, 転送を制御するためのMACコマンドと同様に. 基盤となるLoRa送信のパラメータもLoRaWANによって決定されます. 最初の部分は実際の仕様です, メッセージフォーマットを定義します, MACコマンド, とシーケンス. 地域パラメータ, LoRaの特定の設定, LoRaWANプロトコルへのいくつかの調整または追加と同様に, それぞれの地域に応じて拡張定義として利用可能です.

LoRaWANネットワークは、参加者の複数のグループで構成され、スターごとのトポロジで編成されています, 図に示すように 5. 真ん中にはネットワークサーバーがあります, これはLoRaWANネットワークのサーバー側管理であり、クライアントアプリケーション用のAPIを提供します. LoRaWANアプリケーションを管理し、メッセージを送受信して受信します. このサーバーは、IP接続を介して複数のゲートウェイと通信します. 彼らの主なタスクは、ネットワークサーバーから受信したLoRaWANパケットをLoRa経由でエンドデバイスに転送することです。. したがって, それらは、物理媒体を変更するためのインターフェースとして機能します. 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最後に立ってください. LoRaWANプロトコルは、ゲートウェイと使用されるエンドデバイス間でのみ使用されます. 残りのパスとその形式の標準は定義されていません, したがって, 使用する特定のアプリケーションによって異なります.

この文脈では, LoRaWANはいくつかのタスクを引き受けます, 以下でさらに説明します. これには、使用されるさまざまな通信クラスが含まれます。データはさまざまな方法で送信できます。, 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, 送信されたデータの暗号化と整合性チェック, および接続を制御するためのさまざまなMACコマンド. 後者は非常に具体的であり、この作業に関連しないため、これ以上説明しません。.

2.1.3 LoRaWANデータ送信モード

LoRaWANは、データ送信用に3つの異なるモードをサポートしています. これらのモディにはそれぞれ特定のユースケースがあります, だけでなく、長所と短所, 以下にリストされています.

クラスA

クラスA モード は、すべてのエンドデバイスで使用されるプライマリLoRaWAN伝送モードであり、ゲートウェイをサポートする必要があります. ALOHAの原理に基づいて端末とゲートウェイ間の双方向通信を可能にします. LoRaWANの場合, これは、端末がいつでもデータを送信できることを意味します, ただし、データパケットを送信した後、2つの短い間隔でのみデータを受信することもできます.

このモードの利点は、端末デバイスがデータを送信している間だけであり、この直後にLoRaトランシーバーをオンにして応答を受信することです。. これは、ほとんどの場合、非アクティブ化されたままになる可能性があることを意味します, エネルギーを節約します. 不利な点, しかしながら, 端末には、他のすべての時間に受信できるデータがないということです. 加えて, 送信されるデータパケットごとに1つだけを受信できます。.

クラスA操作, したがって, 主にアップリンクメッセージを送信し、まれにダウンリンクメッセージを送信する場合に最も意味があります. LoRaWANは、センサーや、通常はエンドアプリケーションのステータス情報のみを提供する同様の低パフォーマンスのエンドデバイスで使用されることが望ましいため、ほとんどのエンドデバイスでは優先データ転送モードが使用されます。.

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する必要のない拡張機能です。. このモードでは、クラスAに加えてエンドデバイスでも定期的に使用できます。. 最初に自分で送信しなくても、ゲートウェイからデータを受信する. ビーコンに、いわゆるビーコンを毎回送信します 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. これを受信するエンドデバイスは、ビーコンとpingスロットの周期性を使用して、データを受信できる時間を計算できます。. これにより、LoRaトランシーバーのスイッチを少しの間適切なタイミングでオンにして、存在する可能性のあるデータを受信できます。. プロセスを以下に示します.

LoRaWAN伝送クラスb

クラスBは、pingスロットの周期性を調整して受信頻度を制御できるため、アクセシビリティとエネルギー消費のバランスが取れています。. これは、純粋なクラスA操作よりも多くのエネルギーが使用されることを意味します, ただし、LoRaトランシーバーをオフにできる期間はまだ長いです. クラスBのもう1つの利点は、データをに格納できることです。 8 複数のデバイスに同時にマルチキャストを送信できるようにする, アドレスとキーが同じである限り. マルチキャストグループは, したがって, 作成される.

クラスBの使用は、デバイスがデータ自体を送信せずにデータをより頻繁に受信する必要がある場合に意味があります, しかし、デバイスは依然としてエネルギー効率よく動作する必要があります. 典型的なアプリケーションは、タイムクリティカルになることなく制御できる定期的なエンドデバイスです。.

クラスC

最後, オプション, 送信モードはClass-Cです. これで, ゲートウェイからいつでもデータを受信できるように、スイッチ端末は受信時に永続的になります. クラスAでの送信のオプションは下の写真のように残ります.

LoRaWAN伝送クラスc

Class-Cの利点は、いつでもデータを受信できることです。. しかしながら, これの代償は高いエネルギー消費です, エンドデバイスはLoRaトランシーバーを常にアクティブに保つ必要があるためです. ここではマルチキャストLoRaWAN送信も可能です.

クラスCは、大量のデータを短期間で転送する必要がある場合、またはタイムクリティカルな転送が発生する場合にのみ使用してください。. このモードはバッテリーの動作にエネルギーを消費しすぎるため、このようなエンドデバイスには永続的な電源が必要です。.

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