Kỹ thuật làm việc của công nghệ LoRaWAN

Kỹ thuật làm việc của công nghệ LoRaWAN

Làm sao LoRaWAN Công nghệ

Với cấu trúc liên kết sao và công nghệ truyền tín hiệu được thực hiện khéo léo, Công nghệ LoRaWAN được thiết kế đặc biệt cho việc kết nối mạng an toàn của các thiết bị trong Internet of Things. Chúng tôi có thể giải thích cách thức hoạt động của công nghệ.

Internet của mọi thứ đặt ra nhiều yêu cầu đối với các công nghệ mạng được sử dụng. Điều cần thiết là một kiến ​​trúc được thiết kế cho hàng ngàn nút có thể ở xa khu vực đông dân cư và ở những nơi khó tiếp cận – từ các cảm biến theo dõi lưu lượng nước và ô nhiễm ở các sông và kênh rạch đến đồng hồ tiêu thụ trong tầng hầm.

Kiến trúc cũng phải hỗ trợ một cách an toàn các nút cảm biến chạy bằng pin trong khi đơn giản hóa việc cài đặt và bảo trì. Điều đó nói lên hoạt động của đài phát thanh. Công nghệ mạng phải tính đến các yêu cầu tiêu thụ năng lượng nghiêm ngặt cho các nút cuối, nhiều trong số đó sẽ được vận hành với một pin duy nhất trong nhiều thập kỷ. Bảo mật cao là điều cần thiết để ngăn chặn việc nghe lén và xua đuổi tin tặc.

Thiết kế của một công nghệ mạng như vậy bắt đầu ở cấp độ vật lý. Tương tự như một số giao thức vô tuyến khác được sử dụng cho các ứng dụng IoT, Công nghệ LoRaWAN sử dụng điều chế trải phổ. Một sự khác biệt cơ bản giữa LoRaWAN và các giao thức khác là việc sử dụng một kỹ thuật thích ứng dựa trên tín hiệu chirp – và không phải trên DSSS thông thường (chuỗi tín hiệu trải phổ trực tiếp). Cách tiếp cận này cung cấp một sự thỏa hiệp giữa độ nhạy tiếp nhận và tốc độ dữ liệu tối đa, hỗ trợ nút thích ứng này theo nút nhờ cấu hình điều chế.

Với DSSS, pha của sóng mang được dịch chuyển động theo một chuỗi mã được tính toán trước. Một số mã liên tiếp được áp dụng cho mỗi bit được truyền. Chuỗi dịch chuyển pha này cho mỗi bit tạo ra tín hiệu thay đổi nhanh hơn nhiều so với sóng mang, do đó trải dữ liệu trên một dải tần số rộng. Số lượng xung mã càng cao (khoai tây chiên) mỗi bit, hệ số phân tán càng cao. Sự lan truyền này làm cho tín hiệu ít bị nhiễu hơn, nhưng làm giảm tốc độ dữ liệu hiệu quả và tăng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi bit được truyền. Bởi vì máy phát có khả năng chống nhiễu tốt hơn, nó có thể làm giảm mức năng lượng tổng thể. DSSS, vì thế, cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp hơn với cùng tỷ lệ lỗi bit. DSSS gây ra chi phí điện và đầu tư, làm hạn chế ứng dụng trong các nút IoT.

Đồng hồ tham chiếu chính xác rất quan trọng đối với công nghệ LoRaWAN

Để đảm bảo rằng người nhận có thể xử lý các chip mã đến và chuyển đổi luồng trở lại thành dữ liệu, DSSS dựa vào đồng hồ tham chiếu chính xác trên bảng mạch. Các nguồn đồng hồ như vậy khá đắt và độ chính xác ngày càng tăng của đồng hồ cũng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng. Công nghệ CSS được sử dụng bởi công nghệ LoRaWAN (phổ trải chirp) có thể được thực hiện hiệu quả hơn về chi phí vì nó không dựa vào nguồn đồng hồ chính xác. Tín hiệu chirp là tín hiệu có tần số thay đổi theo thời gian.
Gửi thông tin phản hồi
Lịch sử
Đã lưu
cộng đồng

Trong trường hợp mạng công nghệ LoRaWAN, tần số của tín hiệu tăng theo chiều dài của các chip mã của nhóm bit dữ liệu tương ứng. Để cải thiện độ tin cậy, LoRaWAN thêm thông tin sửa lỗi vào luồng dữ liệu. Ngoài khả năng miễn dịch của các hệ thống có phổ trải rộng, CSS cung cấp mức độ miễn dịch cao đối với biến dạng đa luồng và mờ dần, đó là vấn đề trong môi trường đô thị – giống như sự thay đổi của Doppler: lớp phủ thay đổi tần số. Kỹ thuật CSS mạnh mẽ hơn vì dịch chuyển Doppler chỉ gây ra một thay đổi nhỏ trong trục thời gian của tín hiệu dải cơ sở.

Nhiều phạm vi hoặc tốc độ dữ liệu cao hơn

Giống như DSSS, LoRa có thể thay đổi số lượng chip mã trên mỗi bit. Tiêu chuẩn xác định sáu yếu tố tán xạ khác nhau (SF). Với SF cao hơn, phạm vi của một mạng có thể được tăng lên – nhưng với hiệu suất cao hơn trên mỗi bit và tốc độ dữ liệu tổng thể thấp hơn. Với SF7, tốc độ dữ liệu tối đa là khoảng 5.4 kbit / s và tín hiệu có thể được coi là đủ mạnh ở khoảng cách 2 km – mặc dù khoảng cách này phụ thuộc vào địa hình. Với SF10, phạm vi ước tính tăng lên 8 km với tốc độ dữ liệu ít hơn một chút 1 kbit / S. Đây là SF cao nhất trong một đường lên: truyền từ nút đến trạm gốc. Một đường xuống có thể sử dụng hai SF thậm chí còn lớn hơn. Các SF là trực giao. Điều này cho phép các nút khác nhau sử dụng các cấu hình kênh khác nhau mà không ảnh hưởng lẫn nhau. Ngoài mức vật lý chuẩn bị dữ liệu cho điều chế và truyền CSS, LoRaWAN định nghĩa hai lớp logic tương ứng với các cấp 2 và 3 của mô hình mạng OSI phân lớp (Kết nối hệ thống mở).

• Cấp độ 2 là mức kết nối dữ liệu LoRa. Nó cung cấp bảo vệ cơ bản tính toàn vẹn của thông điệp dựa trên kiểm tra dự phòng theo chu kỳ. LoRaWAN thiết lập giao tiếp điểm-điểm cơ bản.
• Cấp độ 3 thêm tính năng giao thức mạng. Giao thức LoRaWAN cung cấp cho các nút cơ hội để báo hiệu cho nhau hoặc gửi dữ liệu lên đám mây qua Internet – sử dụng một bộ tập trung hoặc một cổng.

Công nghệ LoRaWAN sử dụng cấu trúc liên kết sao: Tất cả các nút lá giao tiếp qua cổng phù hợp nhất. Các cổng tiếp quản định tuyến và, nếu có nhiều hơn một cổng nằm trong phạm vi của một nút lá và mạng cục bộ bị quá tải, có thể chuyển hướng truyền thông đến một sự thay thế. Một số giao thức IoT sử dụng mạng lưới để tăng khoảng cách tối đa của nút lá từ cổng. Hậu quả là yêu cầu năng lượng cao hơn của các nút để chuyển tiếp tin nhắn đến và đi từ các cổng, cũng như để rút ngắn tuổi thọ pin không thể đoán trước.

Kiến trúc LoRaWAN đảm bảo rằng pin của mỗi nút IoT có thể được định kích thước phù hợp và có thể dự đoán được cho ứng dụng. Cổng hoạt động như một cầu nối giữa các giao thức đơn giản hơn, phù hợp hơn với các nút lá bị hạn chế tài nguyên, và giao thức Internet (IP), được sử dụng để cung cấp dịch vụ IoT. Công nghệ LoRaWAN cũng tính đến các chức năng và cấu hình năng lượng khác nhau của các thiết bị đầu cuối bằng cách hỗ trợ ba lớp truy cập khác nhau. Tất cả các thiết bị phải có khả năng hỗ trợ lớp A. Đây là chế độ đơn giản nhất giúp tối đa hóa tuổi thọ pin. Lớp này sử dụng giao thức Aloha được sử dụng rộng rãi.

Tự động tránh va chạm tích hợp

Một thiết bị có thể gửi tin nhắn đường lên tới cổng bất cứ lúc nào: Giao thức có tính năng tránh va chạm tích hợp khi hai hoặc nhiều thiết bị cố gắng gửi cùng một lúc. Khi truyền xong, nút kết thúc chờ thông báo đường xuống phải đến trong một trong hai khe thời gian có sẵn. Sau khi nhận được phản hồi, nút cuối có thể đi ngủ, giúp tối đa hóa tuổi thọ pin.

Một Cổng LoRaWAN không thể kích hoạt nút kết thúc lớp A nếu nó ở trạng thái không hoạt động. Anh phải tự thức dậy. Điều này là do bộ định thời cục bộ hoặc kích hoạt do sự kiện kiểm soát, được kích hoạt bởi một sự kiện ở đầu vào cảm biến cục bộ. Các bộ truyền động như van trong hệ thống kiểm soát chất lỏng phải có khả năng nhận lệnh được gửi bởi ứng dụng mạng – ngay cả khi họ không có dữ liệu cục bộ để xử lý và liên lạc. Các thiết bị này sử dụng chế độ Class B hoặc C.

Với lớp B, mỗi thiết bị được gán một cửa sổ thời gian trong đó nó phải kích hoạt người nhận để tìm kiếm tin nhắn đường xuống. Nút có thể vẫn ở chế độ ngủ giữa các cửa sổ thời gian này. Tin nhắn đường lên có thể được gửi nếu thiết bị không chờ tin nhắn đường xuống. Lớp B được sử dụng khi độ trễ lên đến vài phút có thể được chấp nhận. Lớp C hỗ trợ thời gian trễ thấp hơn đáng kể cho các tin nhắn đường xuống vì giao diện người nhận vẫn hoạt động gần như liên tục. Thiết bị lớp C không ở chế độ nhận chỉ khi nó gửi tin nhắn đường lên của chính nó. Lớp này được sử dụng bởi các nút cuối cung cấp mạng.

Mã hóa liên tục dữ liệu người dùng được truyền

Ngược lại với các giao thức khác được đề xuất cho IoT, LoRaWAN cung cấp mã hóa đầu cuối của dữ liệu ứng dụng – ngay xuống các máy chủ đám mây được sử dụng để quản lý và cung cấp dịch vụ. Ngoài mã hóa đầu cuối, Công nghệ LoRaWAN đảm bảo rằng mọi thiết bị được kết nối với mạng đều có thông tin đăng nhập cần thiết và cho phép các nút IoT kiểm tra xem chúng có kết nối với cổng có nhận dạng sai hay không. Để đảm bảo mức độ xác thực cần thiết, mỗi thiết bị LoRaWAN được lập trình trong quá trình sản xuất với một khóa duy nhất, được gọi trong giao thức là AppKey.

Thiết bị này cũng có một định danh duy nhất trên toàn thế giới. Để giúp các thiết bị dễ dàng hơn trong việc xác định các kết nối cổng của họ, mỗi mạng có mã định danh riêng trong danh sách được quản lý bởi Liên minh LoRa. Các máy tính được xác định là máy chủ tham gia được sử dụng để xác thực AppKey của bất kỳ thiết bị nào muốn tham gia mạng. Khi máy chủ tham gia đã xác thực AppKey, nó tạo ra một cặp khóa phiên được sử dụng cho các giao dịch tiếp theo. NwkSKey được sử dụng để mã hóa các tin nhắn được sử dụng để kiểm soát các thay đổi ở cấp độ mạng, ví dụ. để thiết lập một thiết bị trên một cổng cụ thể. Khóa thứ hai (AppSKey) mã hóa tất cả dữ liệu ở cấp ứng dụng. Sự tách biệt này đảm bảo rằng các tin nhắn của người dùng có thể bị chặn và giải mã bởi nhà điều hành mạng thứ ba.

Một mức độ bảo mật khác đạt được thông qua việc sử dụng các bộ đếm an toàn được tích hợp vào giao thức tin nhắn. Tính năng này ngăn chặn các cuộc tấn công phát lại gói trong đó tin tặc chặn các gói và thao tác chúng trước khi đưa chúng trở lại luồng dữ liệu. Tất cả các cơ chế bảo mật được thực hiện thông qua mã hóa AES, đã được chứng minh là đảm bảo mức độ bảo mật cao. Do nguồn cung toàn quốc, hiệu quả năng lượng và an ninh, Công nghệ LoRaWAN phù hợp với nhiều ứng dụng như một giao thức để thiết lập mạng IoT.