Введення в LoRa

Long Range, є запатентованою модуляцією з розширеним спектром, для бездротового зв'язку з низькою швидкістю передачі даних, низьким енергоспоживанням і великою дальністю. 

Новини >> Публікації >> 23.04.2019

LoRa, створений на «далекій відстані» ( "long range"), є запатентованою модуляцією з розширеним спектром, розробленої Semtech для бездротового зв'язку з низькою швидкістю передачі даних, низьким енергоспоживанням і великою дальністю. Це альтернатива іншим модуляціям, таким як FSK і PSK, що адаптована до унікальних вимогам, необхідним для Інтернету речей.

LoRaWAN - це специфікація протоколу глобальної мережі для використання з модуляцією LoRa. LoRaWAN призначений для безпечної двобічної зв'язку, мобільності і локалізації. Специфікація LoRaWAN публікується Альянсом LoRa.

Мережева архітектура

Публічні мережі LoRaWAN зазвичай представляють собою топологію типу «зірка», де шлюзи передають повідомлення між кінцевими пристроями і сервером центральної мережі. У цій конфігурації кінцеві пристрої обмінюються даними через бездротовий зв'язок з одним або декількома шлюзами, які, в свою чергу, підключаються до сервера центральної мережі через стандартні IP-з'єднання. Точка доступу MultiConnect Conduit є шлюзом для мереж загального користування

В приватній мережі LoRaWAN від MultiRech, MultiConnect Conduit (з LoRa mCard) функціонує як шлюз та сервер центральної мережі. Conduit має широкі можливості налаштуваннь і може публікувати дані у хмарі через вбудоване мобільне радіо чи Ethernet. Крім того, Conduit може бути налаштований як шлюз для пересилання пакетів на віддалений сервер центральної мережі. Операції LoRaWAN, такі як передача багатоадресних повідомленнь і оновлення FOTA кінцевих пристроїв mDot, доступні в Conduit.

За замовчуванням пристрій налаштований в режимі Public LoRaWAN, де радіостанція може приймати пакети, призначені для великої глобальної мережі з сервером центральної мережі. Але його можна налаштувати для роботи в режимі Private LoRaWAN для фільтрації пакетів загальнодоступної мережі на радіо.

Приватний режим MTS є традиційним режимом за замовчуванням для кінцевих пристроїв Multitech до версії 3.1, затримка з'єднання була скорочена до 1 секунди, щоб використовувати з локальним сервером з'єднання, а частоти низхідній лінії зв'язку США / АС встановлені відповідно до Frequency Sub Band (uplink / 8 ), а не відповідно до LoRaWAN (uplink% 8). Цей режим призначений для забезпечення сумісності з існуючим вбудованим ПО кінцевого пристрою. Він призначений для 8-канальної мережі LoRaWAN. Якщо потрібна підтримка більше 8 каналів або сервера хмарного з'єднання в майбутньому може використовуватися режим Public або Private LoRaWAN.

Відмінності між Private LoRaWAN, Public LoRaWAN і Private MTS полягають в наступному:

Режим

Private LoRaWAN

Public LoRaWAN (за замовчуванням)

Private MTS

Синхронізувати слово

0×12

0×34

0×12

Затримка з'єднання (секунди)

5

5

1

Частоти низхідній лінії зв'язку

По LoRaWAN

По LoRaWAN

US/AU per FrequencySubBand

AS/EU/IN/KR по LoRaWAN

Мережеве спілкування

Зв'язок між кінцевими пристроями LoRa і шлюзом поширюється по численним частотним каналах і швидкостям передачі даних, тому один шлюз може розмістити велику кількість кінцевих пристроїв в складних бездротових середовищах.

З точки зору продуктивності, ви можете вибрати один показник для оптимізації: великий діапазон, високу пропускну здатність і швидку передачу. Оптимізація одного принесе в жертву два інших.

Залежно від регіону роботи швидкість передачі даних налаштовується від 0,25 кбіт / с до 11 Кбіт / с і впливає як на діапазон, так і на максимальний розмір навантаження. Найдовший діапазон досягається при використанні найнижчої швидкості передачі даних і розміру навантаження. І навпаки, досягнення максимальної швидкості передачі даних і розміру навантаження призводить до найкоротшому діапазону.

Швидкість передачі даних безпосередньо пов'язана з коефіцієнтом поширення. Коефіцієнт поширення визначає кількість надлишкових даних, розподілених по передачі. Високий коефіцієнт поширення означає, що передається великий обсяг даних, що призводить до збільшення дальності, але до більш низької швидкості передачі даних.

Специфікація LoRaWAN деталізує схему адаптивної швидкості передачі даних (ADR), яка максимізує термін служби батареї кінцевого пристрою і ємність мережі шляхом динамічного регулювання швидкості передачі даних для кожного кінцевого пристрою на основі поточних умов мережі.

Для підтвердження прийому пакета, від пристрою одержувача можуть запитуватися підтвердження, але зменшується ефективна пропускна здатність.

Класи кінцевих пристроїв

ПРИМІТКА. Кінцеві точки mDot і xDot версії 2.0.14 і новіше підтримують класи A і C. Код мережевого сервера MultiTech Conduit версії 1.0.8 і новіше підтримують класи A і C. Більш ранні версії кінцевих точок і Conduit підтримують тільки клас A. MultiTech буде додавати підтримку для класу B в майбутньому.

Клас A: Отримати слот після передачі

Кінцеві пристрої класу A ідеальні для додатків з мінімальним енергоспоживанням, де велика частина даних передається на мережевий сервер тільки по випадковим низхідним лініях. За кожною передачею по висхідній лінії зв'язку слідують два коротких вікна прийому по низхідній лінії зв'язку, в яких може бути прийнятий тільки один пакет. Друге вікно прийому відкривається тільки тоді, коли пакет не отримано в першому вікні. Зв'язок по низхідній лінії зв'язку з сервером повинна чекати наступного прийнятого висхідній лінії зв'язку.

Клас B: Слоти за розкладом

Кінцеві пристрої класу B працюють відповідно до класу A і додатково відкривають вікна прийому в запланований час.

Клас C: Постійне прослуховування

Кінцеві пристрої класу C мають завжди відкрите вікно прийому, крім випадків передачі.

Відмінності між Північною Америкою і Європою

За суті, в Європі можливий довшій діапазон через більш високий допустимий коефіцієнт поширення. Проте, пропускна здатність даних до Північній Амеріці, як правило, вищє через обмеження робочого циклу в Європі,але майте на увазі, що використання найвищого коефіцієнта розширення висхідній лінії зв'язку для Північної Америки (10) обмежує розмір навантаження до 11 байтів. У той час як в Європі навантаження може становити 51 байт при найвищому коефіцієнті розширення (12)

Регіон

Пвнічна Америка

Європа

ISM Band

902-928 МГц

863-870 МГц

Регулюється

FCC

ETSI

TX обмеження

Час передачі 400 мс

Як правило, 1% TX робочого циклу

Розміри навантаження

11 - 242 байта

51 – 242 байта

Фактори поширення

7 – 10

7 – 12

Швидкість передачі даних

1 - 12,5 кбіт / с

0,3 - 5,5 кбит / с

Максимальна потужність передачі

21 дБм

В основному 14 дБм

Коефіцєнт поширення та пропускна здатність

Передача

Швидкість передачі даних

Максимальний розмір навантажнення висхідної лінії з'язку

Пвнічна Америка

Європа

SF_8 500 кГц

12,5 кбіт / с

242 байта

-

SF_7 125 кГц

5,47 кбіт / с

242 байта

242 байта

SF_8 125 кГц

3,125 кбіт / с

129 байтів

242 байта

SF_9 125 кГц

1,76 кбіт / с

53 байта

115 байтів

SF_10 125 кГц

0,98 кбіт / с

11 байтів

51 байт

SF_11 125 кГц

0,44 кбіт / с

-

51 байт

SF_12 125 кГц

0,25 кбіт / с

-

51 байт

ПРИМІТКА. Ефективна швидкість передачі даних в Європі - це, як правило, швидкість передачі даних, поділена на 10 після врахування обмежень робочого циклу. Отже, пропускна здатність з SF_12 буде близько 25 біт / с.

Плани каналів

У наведеній нижче таблиці описано плани каналів, які підтримуються бібліотекою MultiTech DOT і мережевим сервером LoRa. Перераховано мінімальні версії прошивки програмного забезпечення, що підтримують різні плани каналів. Двійкові файли вбудованих програм для AT-команд можна завантажити для mDot або для xDot. Мережевий сервер LoRa Conduit також може бути оновлений в міру необхідності.

План каналів

Мінімальна бібліотека mDot / xDot

Мінімальний мережевий сервер LoRa

US915 (Північна Америка)

1.0.8/2.0.16

0.0.9

EU868 (Європа)

1.0.8/2.0.16

0.0.9

AU915 (Австралія, LoRaWAN 1.0.1)

1.0.12/2.0.16

1.0.13

AU915 (Австралія, LoRaWAN 1.0.2)

[Ще не підтримується]

1.0.37

AS923 (Азія/Тихоокеанський)

3.0.0

1.0.26

AS923 (Японія)

3.1.0

1.0.26 (без LBT)

KR920 (Корея)

3.1.0

1.0.26 (без LBT)

IN865 (Індія)

3.1.0

1.0.31

RU864 (Росія)

3.2.0

2.2.0

Библіотеки разробки точок підтримуєть усі вище перераховані плани каналів для LoRaWAN 1.0.3

Адаптивна швидкість передачі даних (ADR)

LoRaWAN надає MAC-команди для підтримки адаптивної швидкості передачі даних (ADR)

Команди ADR MAC LinkADRReq і LinkADRAns дозволяють мережному серверу змінювати параметри пристрою Datarate, Tx Power і Repetition.

Мережевий сервер виробляє вибірку SNR з кожного пакета і обчислює можливий набір даних на основі кожної вибірки. Шість пакетів повинні бути отримані мережевим сервером, перш ніж він буде коригувати дані пристрої. Семпли для останніх 11 пакетів зберігаються, і при відправленні LinkADRAns максимальну кількість даних буде відправлено на пристрій для зміни.

Потужність Tx повинна бути встановлена ​​на максимум, щоб ADR міг правильно оцінити SNR. Велика економія енергії досягається за рахунок найвищої потужності / найвищого рівня даних, ніж при найнижчій потужності / найнижчому рівні даних. Кожен крок у SF / BW буде збільшувати бюджет каналу приблизно на 3 дБ.

Мережева аутентифікація та безпека

Для участі в мережі LoRaWAN кінцевий пристрій повинен бути аутентифікуватися за допомогою бездротової технології або через автономну конфігурацію.

MultiTech DOT призначається на заводі унікальним 8-байтовий DevEUI. На додаток до DevEUI для аутентифікації потрібні 8-байтовий ідентифікатор мережі (AppEUI) і 16-байтовий ключ (AppKey).

AppEUI і AppKey визначаються користувачем і повинні бути встановлені на мережевому сервері і на кожному кінцевому пристрої. AppEUI передається по повітрю і використовується для розрізнення мереж. Це можна порівняти з Wi-Fi SSID. Однак AppKey ніколи не передається по повітрю і використовується для незалежної генерації ключів шифрування AES-128 на мережевому сервері і на кінцевому пристрої. Ці ключі шифрування також ніколи не передаються по повітрю.

Кожне кінцеве пристрій має свій набір ключів шифрування. Це гарантує, що інша частина мережі залишиться захищеної, якщо один набір ключів буде зламаний. Після об'єднання, всі пакети, що передаються між кінцевим пристроєм і сервером, шифруються цими ключами.

MultiTech надає простий інтерфейс для налаштування AppEUI і AppKey. Замість створення 8- і 16-байтових шістнадцятирічних ключів ви можете встановити рядки для ідентифікатора мережі (AppEUI) і мережевого ключа (AppKey), і ми сгенерируємо для вас шістнадцятиричні ключі.