Введение в LoRa

LoRa  (“long range”), является запатентованной модуляцией с расширенным спектром для беспроводной связи с низкой скоростью передачи данных, низким энергопотреблением и большой дальностью

LoRa, созданный на «дальнем расстоянии» (“long range”), является запатентованной модуляцией с расширенным спектром, разработанной Semtech для беспроводной связи с низкой скоростью передачи данных, низким энергопотреблением и большой дальностью. Это альтернатива другим модуляциям, таким как FSK и PSK, что адаптирована к уникальным требованиям, необходимым для Интернета вещей.

LoRaWAN - это спецификация протокола глобальной сети для использования с модуляцией LoRa. LoRaWAN предназначен для безопасной двунаправленной связи, мобильности и локализации. Спецификация LoRaWAN публикуется Альянсом LoRa. Отправьте электронное письмо администрации Альянса LoRa, чтобы запросить спецификацию LoRaWAN и региональные параметры LoRaWAN.

Публичные сети LoRaWAN обычно представляют собой топологию типа «звезда», где шлюзы передают сообщения между конечными устройствами и сервером центральной сети. В этой конфигурации конечные устройства обмениваются данными через беспроводную связь с одним или несколькими шлюзами, которые, в свою очередь, подключаются к серверу центральной сети через стандартные IP-соединения. Точка доступа MultiConnect Conduit является шлюзом для сетей общего пользования.

В частной сети LoRaWAN от MultiRech, MultiConnect Conduit (с LoRa mCard) функционирует как шлюз и сервер центральной сети. Conduit имеет широкие возможности настройки и может публиковать данные в облаке через встроенное мобильное радио или соединение Ethernet. Кроме того, Conduit может быть настроен как шлюз для пересылки пакетов на удаленный сервер центральной сети. Операции LoRaWAN, такие как передача многоадресных сообщений и обновления FOTA конечных устройств mDot, доступны в Conduit.

По умолчанию устройство настроено в режиме Public LoRaWAN, где радиостанция может принимать пакеты, предназначенные для большой глобальной сети с сервером центральной сети. Но его можно настроить для работы в режиме Private LoRaWAN для фильтрации пакетов общедоступной сети на радио.

Частный режим MTS является традиционным режимом по умолчанию для конечных устройств Multitech до версии 3.1, задержка соединения была сокращена до 1 секунды, чтобы использовать с локальным сервером соединения, а частоты нисходящей линии связи США / АС установлены в соответствии с Frequency Sub Band (uplink / 8), а не в соответствии с LoRaWAN (uplink% 8). Этот режим предназначен для обратной совместимости с существующим встроенным ПО конечного устройства. Он предназначен для 8-канальной сети LoRaWAN. Если требуется поддержка более 8 каналов или сервера облачного соединения в будущем может использоваться режим Public или Private LoRaWAN.

Различия между Private LoRaWAN, Public LoRaWAN и Private MTS заключаются в следующем:

Режим	Private LoRaWAN	Public LoRaWAN (по умолчанию)	Private MTS
Синхронизировать слово	0×12	0×34	0×12
Задержка соединения (секунды)	5	5	1
Частоты нисходящей линии связи	По LoRaWAN	По LoRaWAN	US/AU per FrequencySubBand AS/EU/IN/KR по LoRaWAN

Связь между конечными устройствами LoRa и шлюзом распространяется по многочисленным частотным каналам и скоростям передачи данных, поэтому один шлюз может разместить большое количество конечных устройств в сложных беспроводных средах.

С точки зрения производительности, вы можете выбрать один показатель для оптимизации: большой диапазон, высокую пропускную способность и быструю передачу. Оптимизация одного принесет в жертву два других.

В зависимости от региона работы скорость передачи данных настраивается от 0,25 кбит / с до 11 кбит / с и влияет как на диапазон, так и на максимальный размер нагрузки. Самый длинный диапазон достигается при использовании самой низкой скорости передачи данных и размера нагрузки. И наоборот, достижение максимальной скорости передачи данных и размера нагрузки приводит к кратчайшему диапазону.

Скорость передачи данных напрямую связана с коэффициентом распространения. Коэффициент распространения определяет количество избыточных данных, распределенных по передаче. Высокий коэффициент распространения означает, что передается большой объем данных, что приводит к увеличению дальности, но к более низкой скорости передачи данных.

Спецификация LoRaWAN детализирует схему адаптивной скорости передачи данных (ADR), которая максимизирует срок службы батареи конечного устройства и емкость сети путем динамической регулировки скорости передачи данных для каждого конечного устройства на основе текущих условий сети.

Для подтверждения приема пакета, от принимающего устройства могут запрашиваться подтверждения, но уменьшается эффективная пропускная способность.

ПРИМЕЧАНИЕ. Конечные точки mDot и xDot версии 2.0.14 и новее поддерживают классы A и C. Код сетевого сервера MultiTech Conduit версии 1.0.8 и новее поддерживают классы A и C. Более ранние версии конечных точек и Conduit поддерживают только класс A. MultiTech будет добавлять поддержку для класса B в будущем.

Класс A: Получить слот после передачи

Конечные устройства класса A идеальны для приложений с минимальным энергопотреблением, где большая часть данных передается на сетевой сервер только по случайным нисходящим линиям. За каждой передачей по восходящей линии связи следуют два коротких окна приема по нисходящей линии связи, в которых может быть принят только один пакет. Второе окно приема открывается только тогда, когда пакет не получен в первом окне. Связь по нисходящей линии связи с сервером должна ожидать следующего принятого восходящей линии связи.

Класс B: Слоты по расписанию

Конечные устройства класса B работают в соответствии с классом A и дополнительно открывают окна приема в запланированное время.

Класс C: Постоянное прослушивание

Конечные устройства класса C имеют всегда открытое окно приема, кроме случаев передачи.

По сути, в Европе возможен более длинный диапазон из-за более высокого допустимого коэффициента распространения. Тем не менее, пропускная способность данных в Северной Америке, как правило, выше из-за ограничения рабочего цикла в Европе, но имейте в виду, что использование самого высокого коэффициента расширения восходящей линии связи для Северной Америки (10) ограничивает размер нагрузки до 11 байтов. В то время как в Европе нагрузка может составлять 51 байт при самом высоком коэффициенте расширения (12).

Регион	Северная Америка	Европа
ISM Band	902-928 МГц	863-870 МГц
Регулируется	FCC	ETSI
TX ограничение	Время передачи 400 мс	Как правило, 1% TX рабочего цикла
Размеры нагрузки	11 - 242 байта	51 – 242 байта
Факторы распространения	7 – 10	7 – 12
Скорость передачи данных	1 - 12,5 кбит / с	0,3 - 5,5 кбит / с
Максимальная мощность передачи	21 дБм	В основном 14 дБм

Коэффициент распространения и пропускная способность	Передача Скорость передачи данных	Максимальный размер нагрузки восходящей линии связи
		Северная Америка	Европа
SF_8 500 кГц	12,5 кбит / с	242 байта	-
SF_7 125 кГц	5,47 кбит / с	242 байта	242 байта
SF_8 125 кГц	3,125 кбит / с	129 байтов	242 байта
SF_9 125 кГц	1,76 кбит / с	53 байта	115 байтов
SF_10 125 кГц	0,98 кбит / с	11 байтов	51 байт
SF_11 125 кГц	0,44 кбит / с	-	51 байт
SF_12 125 кГц	0,25 кбит / с	-	51 байт

ПРИМЕЧАНИЕ. Эффективная скорость передачи данных в Европе - это, как правило, скорость передачи данных, деленная на 10 после учета ограничений рабочего цикла. Следовательно, пропускная способность с SF_12 будет около 25 бит / с.

В следующей таблице описаны планы каналов, поддерживаемые библиотекой MultiTech DOT и сетевым сервером LoRa. Перечислены минимальные версии прошивки / программного обеспечения, поддерживающие различные планы каналов. Двоичные файлы встроенных программ для AT-команд можно загрузить для mDot или для xDot. Сетевой сервер LoRa Conduit также может быть обновлен по мере необходимости.

План каналов	Минимальная библиотека mDot / xDot	Минимальный сетевой сервер LoRa
US915 (Северная Америка	1.0.8/2.0.16	0.0.9
EU868 (Европа)	1.0.8/2.0.16	0.0.9
AU915 (Австралия, LoRaWAN 1.0.1)	1.0.12/2.0.16	1.0.13
AU915 (Австралия, LoRaWAN 1.0.2)	[Еще не поддерживается]	1.0.37
AS923 (Азия/Тихоокеанский)	3.0.0	1.0.26
AS923 (Япония)	3.1.0	1.0.26 (без LBT)
KR920 (Корея)	3.1.0	1.0.26 (без LBT)
IN865 (Индия)	3.1.0	1.0.31
RU864 (Россия)	3.2.0	2.2.0

Библиотеки разработки точек поддерживают все вышеперечисленные планы каналов для LoRaWAN 1.0.3

• libmDot-dev-mbed5
• libxDot-dev-mbed5

LoRaWAN предоставляет MAC-команды для поддержки адаптивной скорости передачи данных (ADR)

Команды ADR MAC LinkADRReq и LinkADRAns позволяют сетевому серверу изменять параметры устройства Datarate, Tx Power и Repetition.

Сетевой сервер производит выборку SNR из каждого пакета и вычисляет возможный набор данных на основе каждой выборки. Шесть пакетов должны быть получены сетевым сервером, прежде чем он будет корректировать данные устройства. Сэмплы для последних 11 пакетов сохраняются, и при отправке LinkADRAns максимальное количество данных будет отправлено на устройство для изменения.

Мощность Tx должна быть установлена на максимум, чтобы ADR мог правильно оценить SNR. Большая экономия энергии достигается за счет самой высокой мощности / самого высокого уровня данных, чем при самой низкой мощности / самом низком уровне данных. Каждый шаг в SF / BW будет увеличивать бюджет канала примерно на 3 дБ.

Для участия в сети LoRaWAN конечное устройство должно быть аутентифицировано через беспроводное соединение или через автономную конфигурацию.

MultiTech DOT назначается на заводе уникальным 8-байтовым DevEUI. В дополнение к DevEUI для аутентификации требуются 8-байтовый идентификатор сети (AppEUI) и 16-байтовый ключ (AppKey).

AppEUI и AppKey определяются пользователем и должны быть установлены на сетевом сервере и на каждом конечном устройстве. AppEUI передается по воздуху и используется для различения сетей. Это сопоставимо с Wi-Fi SSID. Однако AppKey никогда не передается по воздуху и используется для независимой генерации ключей шифрования AES-128 на сетевом сервере и на конечном устройстве. Эти ключи шифрования также никогда не передаются по воздуху.

Каждое конечное устройство имеет свой набор ключей шифрования. Это гарантирует, что остальная часть сети останется защищенной, если один набор ключей будет взломан. После объединения, все пакеты, передаваемые между конечным устройством и сервером, шифруются этими ключами.

MultiTech предоставляет простой интерфейс для настройки AppEUI и AppKey. Вместо создания 8- и 16-байтовых шестнадцатеричных ключей вы можете установить строки для идентификатора сети (AppEUI) и сетевого ключа (AppKey), и мы сгенерируем для вас шестнадцатеричные ключи.