Техническая работа технологии LoRaWAN

Техническая работа технологии LoRaWAN

Как LoRaWAN Технология работает

Благодаря звездообразной топологии и грамотно реализованной технологии передачи сигналов, Технология LoRaWAN специально разработана для энергоэффективного и безопасного сетевого взаимодействия устройств в Интернете вещей.. Мы можем объяснить, как работает технология.

Интернет вещей предъявляет множество требований к используемым сетевым технологиям.. Необходима архитектура, рассчитанная на тысячи узлов, которые могут находиться вдали от населенных пунктов и в труднодоступных местах. – от датчиков, контролирующих расход воды и загрязнение в реках и каналах, до счетчиков расхода в подвале.

Архитектура также должна безопасно поддерживать узлы датчиков с батарейным питанием, упрощая установку и обслуживание.. Это говорит о работе радио. Сетевые технологии должны учитывать строгие требования к энергопотреблению для конечных узлов., многие из них будут работать от одной батареи в течение десятилетий. Высокая безопасность важна для предотвращения подслушивания и защиты от хакеров..

Проектирование такой сетевой технологии начинается на физическом уровне.. Подобен ряду других радиопротоколов, которые используются для приложений Интернета вещей., Технология LoRaWAN использует модуляцию расширенного спектра. Существенным отличием LoRaWAN от других протоколов является использование адаптивного метода, основанного на чирп-сигналах. – а не на обычном DSSS (сигнализация с расширенным спектром прямой последовательности). Такой подход предлагает компромисс между чувствительностью приема и максимальной скоростью передачи данных., который поддерживает этот узел адаптации узел за узлом благодаря конфигурации модуляции.

С DSSS, фаза несущей динамически сдвигается согласно предварительно рассчитанной кодовой последовательности. К каждому передаваемому биту применяется ряд последовательных кодов.. Эта последовательность фазовых сдвигов для каждого бита создает сигнал, который изменяется намного быстрее, чем несущая., Таким образом, данные распределяются по широкой полосе частот. Чем больше количество кодовых импульсов (чипсы) за бит, чем выше коэффициент разброса. Такой разброс делает сигнал менее восприимчивым к помехам., но снижает эффективную скорость передачи данных и увеличивает потребление энергии на передаваемый бит. Поскольку передатчик более устойчив к помехам, это может снизить общий уровень мощности. DSSS, следовательно, предлагает более низкое энергопотребление при той же частоте ошибок по битам. DSSS вызывает затраты на электроэнергию и инвестиции, что ограничивает приложение в узлах IoT.

Точные эталонные часы важны для технологии LoRaWAN

Чтобы получатель мог обработать входящие чипы кода и преобразовать поток обратно в данные, DSSS полагается на точные опорные часы на печатной плате. Такие источники тактовой частоты довольно дороги, а повышение точности тактирования также увеличивает энергопотребление.. Технология CSS, используемая технологией LoRaWAN (спектр распространения щебета) может быть реализован более рентабельно, поскольку не зависит от точного источника синхронизации. ЛЧМ-сигнал - это сигнал, частота которого меняется со временем..
Отправить отзыв
история
Сохраненный
сообщество

В случае технологической сети LoRaWAN, частота сигнала увеличивается по длине кодовых чипов соответствующей группы битов данных. Для повышения надежности, LoRaWAN добавляет информацию об исправлении ошибок в поток данных. В дополнение к невосприимчивости систем с расширенным спектром, CSS обеспечивает высокий уровень устойчивости к многолучевым искажениям и замираниям., что проблематично в городских условиях – точно так же, как сдвиги Доплера: оверлеи меняют частоту. Метод CSS более надежен, потому что доплеровские сдвиги вызывают только небольшое изменение временной оси сигнала основной полосы частот..

Более широкий диапазон или более высокая скорость передачи данных

Как DSSS, LoRa может изменять количество кодовых чипов на бит. Стандарт определяет шесть различных факторов рассеяния. (SF). С более высокой SF, дальность действия сети может быть увеличена – но с большей производительностью на бит и более низкой общей скоростью передачи данных. С SF7, максимальная скорость передачи данных составляет приблизительно 5.4 кбит / s и сигнал можно считать достаточно сильным на расстоянии 2 км – хотя это расстояние зависит от местности. С SF10, расчетный диапазон увеличивается до 8 км при скорости передачи данных чуть меньше 1 кбит / s. Это самый высокий SF в восходящем канале.: передача от узла к базовой станции. В нисходящем канале могут использоваться два более крупных SF. СФ ортогональны. Это позволяет различным узлам использовать разные конфигурации каналов, не влияя друг на друга.. В дополнение к физическому уровню, который подготавливает данные для модуляции и передачи CSS, LoRaWAN определяет два логических уровня, которые соответствуют уровням 2 и 3 многоуровневой сетевой модели OSI (Взаимодействие открытых систем).

• Уровень 2 уровень подключения к данным LoRa. Он предлагает фундаментальную защиту целостности сообщений, основанную на циклических проверках избыточности.. LoRaWAN устанавливает базовую связь точка-точка.
• Уровень 3 добавляет функцию сетевого протокола. Протокол LoRaWAN предлагает узлам возможность сигнализировать друг другу или отправлять данные в облако через Интернет. – с помощью концентратора или шлюза.

В технологии LoRaWAN используется звездообразная топология: Все конечные узлы обмениваются данными через наиболее подходящий шлюз. Шлюзы берут на себя маршрутизацию и, если более одного шлюза находится в пределах диапазона листового узла и локальная сеть перегружена, может перенаправить общение на альтернативный. Некоторые протоколы IoT используют ячеистые сети для увеличения максимального расстояния конечного узла от шлюза.. Следствием этого является более высокая потребность узлов в энергии для пересылки сообщений на шлюзы и от них., а также за непредсказуемое сокращение срока службы батареи.

Архитектура LoRaWAN гарантирует, что размер батареи каждого узла IoT может быть рассчитан надлежащим и предсказуемым образом для приложения.. Шлюз действует как мост между более простыми протоколами., которые лучше подходят для конечных узлов с ограниченными ресурсами, и Интернет-протокол (IP), который используется для предоставления услуг Интернета вещей. Технология LoRaWAN также учитывает различные функции и энергетические профили конечных устройств, поддерживая три разных класса доступа.. Все устройства должны поддерживать класс А.. Это самый простой режим, который помогает продлить срок службы батареи.. Этот класс использует широко используемый протокол Aloha.

Встроенное автоматическое предотвращение столкновений

Устройство может отправить на шлюз сообщение восходящего канала в любое время.: Протокол имеет встроенное предотвращение столкновений, когда два или более устройства пытаются отправить одновременно. После завершения передачи, конечный узел ожидает сообщения нисходящей линии связи, которое должно прибыть в течение одного из двух доступных временных интервалов. После получения ответа, конечный узел может заснуть, что увеличивает срок службы батареи.

А LoRaWAN шлюз не может активировать конечный узел класса A, если он находится в состоянии ожидания. Он должен проснуться сам. Это связано с местными таймерами или активацией, управляемой событиями., который запускается событием на входе локального датчика. Приводы, такие как клапаны в системе управления текучей средой, должны иметь возможность получать команды, отправленные сетевым приложением. – даже если у них нет локальных данных для обработки и передачи. Эти устройства используют режимы класса B или C.

С классом B, каждому устройству назначается временное окно, в течение которого оно должно активировать своего получателя, чтобы искать сообщения нисходящего канала. Узел может оставаться в спящем режиме между этими временными окнами.. Сообщения восходящего канала могут быть отправлены, если устройство не ожидает сообщения нисходящего канала.. Класс B используется, когда допускается задержка до нескольких минут.. Класс C поддерживает значительно меньшее время задержки для сообщений нисходящей линии связи, поскольку интерфейс получателя остается почти постоянно активным.. Устройство класса C не находится в режиме приема, только если оно отправляет свои собственные сообщения восходящей линии связи.. Этот класс используется оконечными узлами с питанием от сети..

Непрерывное шифрование передаваемых пользовательских данных

В отличие от других протоколов, предлагаемых для IoT, LoRaWAN предлагает сквозное шифрование данных приложения – вплоть до облачных серверов, которые используются для управления и предоставления услуг. В дополнение к сквозному шифрованию, Технология LoRaWAN гарантирует, что каждое устройство, подключенное к сети, имеет необходимые учетные данные, и позволяет узлам Интернета вещей проверять, не подключаются ли они к шлюзу с ложной идентификацией.. Для обеспечения необходимого уровня аутентификации, каждое устройство LoRaWAN программируется во время производства с помощью уникального ключа, который упоминается в протоколе как AppKey.

Устройство также имеет уникальный идентификатор по всему миру.. Чтобы устройствам было проще идентифицировать свои межсетевые соединения., каждая сеть имеет свой идентификатор в списке, управляемом LoRa Alliance. Компьютеры, которые определены как присоединяющиеся серверы, используются для аутентификации ключа приложения любого устройства, которое хочет присоединиться к сети.. После того, как сервер присоединения аутентифицировал AppKey, он создает пару сеансовых ключей, которые используются для последующих транзакций. NwkSKey используется для шифрования сообщений, которые используются для управления изменениями на сетевом уровне., например. настроить устройство на конкретный шлюз. Второй ключ (AppSKey) шифрует все данные на уровне приложения. Такое разделение гарантирует, что сообщения пользователя не могут быть перехвачены и дешифрованы третьим оператором сети..

Другой уровень безопасности достигается за счет использования защищенных счетчиков, интегрированных в протокол сообщений.. Эта функция предотвращает атаки воспроизведения пакетов, в которых хакер перехватывает пакеты и манипулирует ими, прежде чем отправить их обратно в поток данных.. Все механизмы безопасности реализованы через шифрование AES., доказано, что гарантирует высокий уровень безопасности. Благодаря общенациональной поставке, энергоэффективность и безопасность, Технология LoRaWAN подходит для многих приложений в качестве протокола для настройки сетей IoT..