Technische werking van LoRaWAN-technologie

Technische werking van LoRaWAN-technologie

Hoe LoRaWAN Technologie werkt

Met zijn stertopologie en slim geïmplementeerde technologie voor signaaloverdracht, LoRaWAN-technologie is speciaal ontworpen voor de energie-efficiëntie en veilige netwerkverbinding van apparaten in het internet der dingen. We kunnen uitleggen hoe de technologie werkt.

Het internet der dingen stelt veel eisen aan de gebruikte netwerktechnologieën. Wat nodig is, is een architectuur die is ontworpen voor duizenden knooppunten die ver van bevolkte gebieden en op moeilijk bereikbare plaatsen kunnen zijn – van sensoren die de waterstroom en vervuiling in rivieren en kanalen monitoren tot verbruiksmeters in de kelder.

De architectuur moet ook veilig op batterijen werkende sensorknooppunten ondersteunen, terwijl installatie en onderhoud worden vereenvoudigd. Dat spreekt voor de radio. Netwerktechnologie moet rekening houden met de strikte vereisten voor energieverbruik voor eindknooppunten, Velen van hen zullen tientallen jaren met één batterij werken. Hoge beveiliging is essentieel om afluisteren te voorkomen en hackers af te weren.

Het ontwerp van een dergelijke netwerktechnologie begint op fysiek niveau. Vergelijkbaar met een aantal andere radioprotocollen die worden gebruikt voor IoT-toepassingen, LoRaWAN-technologie maakt gebruik van de spread-spectrummodulatie. Een essentieel verschil tussen LoRaWAN en andere protocollen is het gebruik van een adaptieve techniek op basis van chirp-signalen – en niet op conventionele DSSS (signalering van gespreid spectrum met directe sequentie). Deze benadering biedt een compromis tussen ontvangstgevoeligheid en maximale datasnelheid, die deze aanpassing knoop voor knoop ondersteunt dankzij de modulatieconfiguratie.

Met DSSS, de fase van de drager wordt dynamisch verschoven volgens een vooraf berekende codereeks. Op elke te verzenden bit wordt een aantal opeenvolgende codes toegepast. Deze reeks faseverschuivingen voor elke bit produceert een signaal dat veel sneller verandert dan de draaggolf, waardoor de gegevens over een brede frequentieband worden verspreid. Hoe hoger het aantal codepulsen (chips) per bit, hoe hoger de verstrooiingsfactor. Door deze spreiding is het signaal minder storingsgevoelig, maar vermindert de effectieve datasnelheid en verhoogt het energieverbruik per verzonden bit. Omdat de zender beter bestand is tegen interferentie, het kan het algehele vermogensniveau verminderen. DSSS, daarom, biedt een lager energieverbruik met hetzelfde bitfoutenpercentage. DSSS veroorzaakt elektriciteit en investeringskosten, wat de toepassing in IoT-knooppunten beperkt.

De nauwkeurige referentieklok is belangrijk voor LoRaWAN-technologie

Om ervoor te zorgen dat de ontvanger de binnenkomende codechips kan verwerken en de stream weer kan omzetten in data, DSSS vertrouwt op een exacte referentieklok op de printplaat. Dergelijke klokbronnen zijn vrij duur en de toenemende nauwkeurigheid van het klokken verhoogt ook het energieverbruik. De CSS-technologie die wordt gebruikt door LoRaWAN-technologie (tsjirp verspreid spectrum) kan kosteneffectiever worden geïmplementeerd omdat het niet afhankelijk is van een nauwkeurige klokbron. Een chirp-signaal is een signaal waarvan de frequentie in de tijd varieert.
Stuur feedback
Geschiedenis
Opgeslagen
Gemeenschap

In het geval van LoRaWAN-technologienetwerk, de frequentie van het signaal neemt toe over de lengte van de codechips van de respectievelijke databitsgroep. Om de betrouwbaarheid te verbeteren, LoRaWAN voegt informatie over foutcorrectie toe aan de gegevensstroom. Naast de immuniteit van systemen met een gespreid spectrum, CSS biedt een hoge mate van immuniteit voor multipath-vervorming en vervaging, wat problematisch is in stedelijke omgevingen – net zoals Doppler verschuift: overlays veranderen de frequentie. De CSS-techniek is robuuster omdat Doppler-verschuivingen slechts een kleine verandering in de tijdas van het basisbandsignaal veroorzaken.

Meer bereik of hogere datasnelheid

Zoals DSSS, LoRa kan het aantal codechips per bit variëren. De standaard definieert zes verschillende verstrooiingsfactoren (SF). Met een hogere SF, het bereik van een netwerk kan worden vergroot – maar met meer prestaties per bit en een lagere algehele datasnelheid. Met SF7, de maximale datasnelheid is ongeveer 5.4 kbit / s en het signaal kan als sterk genoeg worden beschouwd op een afstand van 2 km – hoewel deze afstand afhankelijk is van het terrein. Met SF10, het geschatte bereik neemt toe tot 8 km met een gegevenssnelheid van iets minder dan 1 kbit / s. Dit is de hoogste SF in een uplink: een transmissie van het knooppunt naar het basisstation. Een downlink kan twee nog grotere SF gebruiken. De SF's zijn orthogonaal. Hierdoor kunnen verschillende knooppunten verschillende kanaalconfiguraties gebruiken zonder elkaar te beïnvloeden. Naast het fysieke niveau dat gegevens voorbereidt op CSS-modulatie en verzending, LoRaWAN definieert twee logische lagen die overeenkomen met niveaus 2 en 3 van het gelaagde OSI-netwerkmodel (Interconnectie van open systemen).

• Niveau 2 is het LoRa-gegevensverbindingsniveau. Het biedt fundamentele bescherming van berichtintegriteit op basis van cyclische redundantiecontroles. LoRaWAN brengt basis point-to-point communicatie tot stand.
• Niveau 3 voegt de netwerkprotocolfunctie toe. Het LoRaWAN-protocol biedt knooppunten de mogelijkheid om elkaar te signaleren of om via internet data naar de cloud te sturen – met behulp van een concentrator of een gateway.

LoRaWAN-technologie maakt gebruik van een stertopologie: Alle bladknooppunten communiceren via de meest geschikte gateway. De gateways nemen de routing over en, als meer dan één gateway zich binnen het bereik van een leaf node bevindt en het lokale netwerk overbelast is, kan de communicatie omleiden naar een alternatief. Sommige IoT-protocollen gebruiken mesh-netwerken om de maximale afstand van een leaf-knooppunt tot een gateway te vergroten. Het gevolg is een hogere energiebehoefte van de knooppunten voor het doorsturen van berichten van en naar de gateways, evenals voor een onvoorspelbare verkorting van de levensduur van de batterij.

De LoRaWAN-architectuur zorgt ervoor dat de batterij van elk IoT-knooppunt geschikt en voorspelbaar kan worden gedimensioneerd voor de toepassing. De gateway fungeert als brug tussen eenvoudigere protocollen, die beter geschikt zijn voor beperkte knooppunten, en het internetprotocol (IK P), die wordt gebruikt om IoT-services te leveren. LoRaWAN-technologie houdt ook rekening met de verschillende functies en energieprofielen van de eindapparaten door drie verschillende toegangsklassen te ondersteunen. Alle apparaten moeten klasse A kunnen ondersteunen. Dit is de gemakkelijkste modus die de levensduur van de batterij verlengt. Deze klasse maakt gebruik van het veelgebruikte Aloha-protocol.

Automatische botsingsvermijding geïntegreerd

Een apparaat kan op elk moment een uplinkbericht naar de gateway verzenden: Het protocol heeft een ingebouwde botsingsvermijding wanneer twee of meer apparaten tegelijkertijd proberen te verzenden. Zodra een verzending is voltooid, het eindknooppunt wacht op een downlinkbericht dat binnen een van de twee beschikbare tijdsleuven moet aankomen. Zodra de reactie is ontvangen, het eindknooppunt kan gaan slapen, wat de levensduur van de batterij maximaliseert.

EEN LoRaWAN-gateway kan een klasse A-eindknooppunt niet activeren als het zich in de ruststand bevindt. Hij moet alleen wakker worden. Dit komt door lokale timers of een gebeurtenisgestuurde activering, die wordt veroorzaakt door een gebeurtenis bij een lokale sensoringang. Actuatoren zoals kleppen in een vloeistofregelsysteem moeten opdrachten kunnen ontvangen die door een netwerktoepassing worden verzonden – zelfs als ze geen lokale gegevens hebben voor verwerking en communicatie. Deze apparaten gebruiken Klasse B- of C-modi.

Met klasse B, elk apparaat krijgt een tijdvenster toegewezen waarin het de ontvanger moet activeren om te zoeken naar downlink-berichten. Het knooppunt kan tussen deze tijdvensters in de slaapstand blijven. Uplink-berichten kunnen worden verzonden als het apparaat niet wacht op een downlink-bericht. Klasse B wordt gebruikt wanneer de latentie tot enkele minuten kan worden getolereerd. Klasse C ondersteunt aanzienlijk lagere latentietijden voor downlink-berichten, aangezien de voorkant van de ontvanger bijna constant actief blijft. Een klasse C-apparaat bevindt zich niet alleen in de ontvangstmodus als het zijn eigen uplink-berichten verzendt. Deze klasse wordt gebruikt door netwerkgevoede eindknooppunten.

Continue versleuteling van de verzonden gebruikersgegevens

In tegenstelling tot andere voor het IoT voorgestelde protocollen, LoRaWAN biedt end-to-end encryptie van de applicatiegegevens – tot en met de cloudservers die worden gebruikt om de services te beheren en te leveren. Naast end-to-end-codering, LoRaWAN-technologie zorgt ervoor dat elk apparaat dat op het netwerk is aangesloten de vereiste referenties heeft en laat IoT-knooppunten controleren of ze geen verbinding maken met een gateway met een valse identiteit. Om het vereiste authenticatieniveau te garanderen, elk LoRaWAN-apparaat wordt tijdens de productie geprogrammeerd met een unieke sleutel, waarnaar in het protocol wordt verwezen als een AppKey.

Het apparaat heeft ook wereldwijd een unieke identificatie. Om het voor apparaten gemakkelijker te maken om hun gateway-verbindingen te identificeren, elk netwerk heeft zijn eigen identificatie in een lijst die wordt beheerd door de LoRa Alliance. Computers die zijn geïdentificeerd als join-servers worden gebruikt om de AppKey te verifiëren van elk apparaat dat zich bij het netwerk wil aansluiten. Zodra de join-server de AppKey heeft geverifieerd, het creëert een paar sessiesleutels die worden gebruikt voor volgende transacties. De NwkSKey wordt gebruikt om berichten te coderen die worden gebruikt om wijzigingen op netwerkniveau te beheersen, bijv. om een ​​apparaat op een specifieke gateway in te stellen. De tweede sleutel (AppSKey) versleutelt alle gegevens op toepassingsniveau. Deze scheiding zorgt ervoor dat de berichten van de gebruiker niet kunnen worden onderschept en ontsleuteld door een derde netwerkoperator.

Een ander beveiligingsniveau wordt bereikt door het gebruik van beveiligde tellers die zijn geïntegreerd in het berichtenprotocol. Deze functie voorkomt packet-playback-aanvallen waarbij een hacker pakketten onderschept en manipuleert voordat ze worden teruggevoerd naar de gegevensstroom. Alle beveiligingsmechanismen worden geïmplementeerd via AES-codering, waarvan is bewezen dat het een hoog beveiligingsniveau garandeert. Vanwege het landelijke aanbod, energie-efficiëntie en veiligheid, LoRaWAN-technologie is geschikt voor veel toepassingen als protocol voor het opzetten van IoT-netwerken.