- Đặc điểm của LoRa
- LoRaWAN
- Kiến trúc mạng LoRaWAN
- 1. Kết thúc thiết bị
- 2. Cổng vào
- 3. Máy chủ mạng
- 4. Máy chủ ứng dụng
- LoRaWAN Bảo mật và Quyền riêng tư
- Các tính năng chính của LoRAWAN
- Ưu điểm của LoRa
Giao tiếp là một trong những phần quan trọng nhất của bất kỳ dự án IoT nào. Khả năng giao tiếp của một thứ với “những thứ” khác (đám mây thiết bị / máy chủ) là thứ cấp cho “sự vật” quyền gắn “internet” vào tên của nó. Mặc dù có rất nhiều giao thức truyền thông tồn tại, nhưng mỗi giao thức lại thiếu cái này hay cái kia khiến chúng “không hoàn toàn phù hợp” cho các ứng dụng IoT. Các vấn đề chính là tiêu thụ điện năng, phạm vi / vùng phủ sóng và băng thông.
Hầu hết các bộ đàm liên lạc như Zigbee, BLE, WiFi trong số những bộ đàm khác đều có phạm vi hoạt động ngắn và những bộ đàm khác như 3G và LTE, rất tốn điện và không thể đảm bảo phạm vi vùng phủ sóng của chúng, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Trong khi các giao thức và phương thức giao tiếp này hoạt động cho một số dự án nhất định, nó mang lại một hạn chế lớn như; khó khăn trong việc triển khai các giải pháp IoT tại các khu vực không có vùng phủ sóng di động (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) và giảm tổng thời lượng pin của thiết bị. Do đó, hình dung về tương lai của IoT và sự kết nối của tất cả các loại “mọi thứ”, ở mọi nơi, cần có một phương tiện truyền thông được thiết kế riêng cho IoT để hỗ trợ các yêu cầu về công suất đặc biệt thấp, tầm xa đáng kể, rẻ, an toàn và dễ triển khai. Đây là lúc LoRa bước vào.
LoRa (viết tắt của Long Range) là công nghệ truyền thông không dây đã được cấp bằng sáng chế, kết hợp mức tiêu thụ điện năng cực thấp với phạm vi xa hiệu quả. Mặc dù phạm vi phụ thuộc nhiều vào môi trường và các vật cản có thể có (LOS hoặc N-LOS), LoRa thường có phạm vi từ 13-15Km, có nghĩa là một cổng LoRa duy nhất có thể cung cấp phạm vi phủ sóng cho toàn bộ thành phố và với một vài hơn nữa, toàn bộ Quốc gia. Công nghệ này được phát triển bởi Cycleo ở Pháp và xuất hiện khi công ty được Semtech mua lại vào năm 2012. Chúng tôi đã sử dụng các mô-đun LoRa với Arduino và với Raspberry Pi và chúng hoạt động như mong đợi.
Đặc điểm của LoRa
Đài LoRa bao gồm một số tính năng giúp nó đạt được công suất hiệu quả tầm xa và Chi phí thấp. Một số tính năng này bao gồm;
- Kỹ thuật điều chế
- Tần số
- Tỷ lệ dữ liệu thích ứng
- Mức công suất thích ứng
Điều chế
Bộ đàm Lora sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ chirp để đạt được phạm vi liên lạc cao đáng kể trong khi vẫn duy trì các đặc tính công suất thấp tương tự như bộ đàm dựa trên lớp vật lý điều chế FSK. Trong khi điều chế trải phổ chirp đã xuất hiện được một thời gian với các ứng dụng trong liên lạc quân sự và vũ trụ, LoRa trình bày ứng dụng thương mại đầu tiên với chi phí thấp của kỹ thuật điều chế.
Tần số
Trong khi công nghệ LoRa là bất khả tri về tần số, Giao tiếp giữa các bộ đàm LoRa xảy ra thông qua việc sử dụng các băng tần vô tuyến dưới GHz không được cấp phép sẵn có trên khắp thế giới. Các tần số này khác nhau giữa các khu vực và thường cũng khác nhau giữa các quốc gia. Ví dụ, 868MHz thường được sử dụng cho truyền thông LoRa ở Châu Âu, trong khi 915MHz được sử dụng ở Bắc Mỹ. Không phụ thuộc vào tần số, LoRa có thể được sử dụng mà không có bất kỳ sự thay đổi lớn nào trong công nghệ.
Dải tần cho LoRa ở các quốc gia khác nhau
Sử dụng tần số thấp hơn tần số của các mô-đun giao tiếp như WiFi dựa trên băng tần ISM 2,4 hoặc 5,8GHz cho phép vùng phủ sóng lớn hơn nhiều, đặc biệt là đối với các tình huống NLOS.
Điều quan trọng cần lưu ý là quyền vẫn được yêu cầu ở một số quốc gia trước khi các băng tần không có giấy phép có thể được sử dụng.
Tốc độ dữ liệu thích ứng
LoRa sử dụng sự kết hợp của băng thông có thể thay đổi và các yếu tố trải rộng (SF7-SF12) để điều chỉnh tốc độ dữ liệu trong sự cân bằng với phạm vi truyền. Hệ số trải rộng cao hơn cho phép phạm vi dài hơn với chi phí tốc độ dữ liệu thấp hơn và ngược lại. Sự kết hợp giữa băng thông và hệ số trải rộng có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện liên kết và mức dữ liệu được truyền. Do đó, hệ số trải rộng cao hơn cải thiện hiệu suất truyền và độ nhạy cho một băng thông nhất định, nhưng nó cũng làm tăng thời gian truyền do tốc độ dữ liệu thấp hơn. Chúng có thể thay đổi từ chỉ 18bps lên đến 40Kbp
Mức năng lượng thích ứng
Mức công suất mà bộ đàm LoRa sử dụng là thích ứng. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ dữ liệu và điều kiện liên kết giữa các yếu tố khác. Khi cần truyền nhanh thì công suất truyền được đẩy gần cực đại và ngược lại. Nhờ đó, thời lượng pin được tối đa hóa và duy trì dung lượng mạng. Mức tiêu thụ điện năng cũng phụ thuộc vào loại thiết bị trong số một số yếu tố khác.
LoRaWAN
LoRaWAN là công suất cao, Long Range, mở, Low Power Wide Area Network chuẩn (LPWAN) được thiết kế cho Lora Powered Solutions IOT bởi Liên minh Lora. Đây là một giao thức hai chiều tận dụng tối đa tất cả các tính năng của công nghệ LoRa để cung cấp các dịch vụ bao gồm gửi tin nhắn đáng tin cậy, bảo mật đầu cuối, vị trí và khả năng đa hướng. Tiêu chuẩn đảm bảo khả năng tương tác của các mạng LoRaWAN khác nhau trên toàn thế giới.
Thường có sự kết hợp khi mọi người cố gắng xác định LoRa và LoRaWAN có lẽ được giải quyết tốt nhất bằng cách kiểm tra Mô hình ngăn xếp tham chiếu OSI.
Nói một cách đơn giản, dựa trên Mô hình ngăn xếp OSI, LoRaWAN tương ứng với giao thức Media Access cho mạng truyền thông trong khi LoRa tương ứng với lớp Vật lý. Do đó, LoRaWAN xác định giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng, trong khi kiến trúc LoRa cho phép liên kết truyền thông tầm xa. Hai trong số họ kết hợp với nhau để cung cấp chức năng xác định tuổi thọ pin của một nút, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, bảo mật và các ứng dụng khác được phục vụ bởi mạng. Trong khi LoRaWAN là lớp MAC phổ biến nhất cho LoRa, các lớp độc quyền khác cũng được xây dựng trên công nghệ LoRa tồn tại. Một ví dụ điển hình là liên kết Symphony của Link Labs được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng công nghiệp.
Kiến trúc mạng LoRaWAN
Đối lập với cấu trúc liên kết mạng lưới được hầu hết các mạng áp dụng, LoRaWAN sử dụng kiến trúc mạng hình sao, do đó, thay vì đặt mỗi thiết bị đầu cuối ở trạng thái gần như luôn ở trạng thái, lặp lại truyền từ các thiết bị khác để tăng phạm vi, các thiết bị cuối trong mạng LoRaWAN giao tiếp trực tiếp với các cổng và chỉ bật khi họ cần giao tiếp với cổng vì phạm vi không phải là vấn đề. Đây là một yếu tố góp phần tạo nên các tính năng Nguồn điện thấp và Tuổi thọ pin cao có được trong các thiết bị cuối LoRa
Kiến trúc mạng LoRa bao gồm bốn phần chính;
1. Kết thúc thiết bị
2. Cổng vào
3. Máy chủ mạng
4. Máy chủ ứng dụng
1. Kết thúc thiết bị
Đây là các cảm biến hoặc thiết bị truyền động ở biên mạng. Thiết bị cuối phục vụ các ứng dụng khác nhau và có các yêu cầu khác nhau. Để tối ưu hóa nhiều loại cấu hình ứng dụng cuối, LoRaWAN ™ sử dụng ba lớp thiết bị khác nhau mà thiết bị cuối có thể được định cấu hình. Các lớp có tính năng cân bằng giữa độ trễ giao tiếp đường xuống và tuổi thọ pin của thiết bị.Ba lớp chính là;
1. Thiết bị cuối hai hướng (Loại A)
2. Thiết bị đầu cuối hai chiều với các khe nhận theo lịch trình (Loại B)
3. Thiết bị đầu cuối hai chiều có khe nhận tối đa (Lớp C)
Tôi. Thiết bị đầu cuối loại A
Đây là những thiết bị chỉ yêu cầu giao tiếp đường xuống từ r phục vụ ngay sau một Đường lên. Ví dụ, chúng là các thiết bị cần nhận được xác nhận gửi tin nhắn từ máy chủ sau một liên kết lên. Đối với loại thiết bị này, chúng phải đợi cho đến khi Đường lên được gửi đến máy chủ trước khi có thể nhận được bất kỳ đường xuống nào. Do đó, liên lạc được giữ ở mức tối thiểu và do đó chúng có hoạt động năng lượng thấp nhất và tuổi thọ pin cao nhất. Một ví dụ điển hình về các thiết bị hạng A là Máy đo năng lượng thông minh dựa trên LoRa
ii. Thiết bị đầu cuối loại B
Các thiết bị này được cấp phát thêm các cửa sổ đường xuống theo các khoảng thời gian đã lên lịch ngoài đường xuống nhận được khi một đường lên được gửi đi (Lớp A + một đường xuống bổ sung theo lịch trình). Bản chất theo lịch trình của đường xuống này đảm bảo hoạt động vẫn ở mức năng lượng thấp vì giao tiếp chỉ hoạt động trong khoảng thời gian theo lịch trình nhưng năng lượng tiêu thụ thêm trong đường xuống theo lịch trình sẽ làm tăng mức tiêu thụ điện năng vượt quá mức tiêu thụ của các thiết bị Class A, do đó, chúng có pin thấp hơn cuộc sống so với thiết bị đầu cuối hạng A.
iii. Thiết bị đầu cuối Class C
Loại thiết bị này không có giới hạn về đường xuống. Chúng được thiết kế để gần như luôn mở cho các liên lạc từ máy chủ. Chúng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các lớp khác và có thời lượng pin thấp nhất. Ví dụ điển hình về thiết bị lớp C là thiết bị đầu cuối được sử dụng trong quản lý đội xe hoặc giám sát lưu lượng thực.
2. Cổng vào
Cổng (còn được gọi là bộ tập trung) là thiết bị được kết nối với máy chủ mạng thông qua kết nối IP tiêu chuẩn chuyển tiếp các thông báo giữa phần phụ trợ của máy chủ mạng trung tâm và các thiết bị đầu cuối sử dụng giao thức truyền thông không dây một bước. Chúng được thiết kế để hỗ trợ giao tiếp hai chiều và được trang bị đa hướng cho phép phần mềm gửi thông báo phân phối hàng loạt như cập nhật qua mạng.
Trung tâm của mỗi cổng LoRa là bộ giải điều chế LoRa đa kênh có thể giải mã song song tất cả các biến thể điều chế LoRa trên một số tần số.
Đối với một nhà khai thác mạng quy mô lớn, các yếu tố phân biệt chính phải là hiệu suất vô tuyến (độ nhạy, công suất gửi), kết nối của chip SX1301 với MCU cổng vào (USB tới SPI hoặc SPI tới SPI) và sự hỗ trợ và phân phối PPS tín hiệu có tính khả dụng cho phép đồng bộ hóa thời gian chính xác trên toàn bộ tổng thể cổng trong mạng
LoRa truyền thông tin liên lạc giữa các thiết bị đầu cuối và các cổng kết nối trên nhiều kênh tần số và tốc độ dữ liệu. Công nghệ trải phổ sử dụng tốc độ dữ liệu từ 0,3 kb / giây đến 50 kb / giây để ngăn chặn các thông tin liên lạc gây nhiễu lẫn nhau và tạo ra một tập hợp các kênh "ảo" làm tăng dung lượng của cổng.
Để tối đa hóa cả tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối và dung lượng mạng tổng thể, máy chủ mạng LoRa quản lý tốc độ dữ liệu và đầu ra RF cho từng thiết bị cuối riêng lẻ thông qua sơ đồ tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR).
3. Máy chủ mạng
Máy chủ Lora Network là giao diện giữa máy chủ Ứng dụng và các Cổng. Nó chuyển tiếp các lệnh từ Máy chủ ứng dụng đến cổng trong khi chuyển dữ liệu từ các cổng đến máy chủ ứng dụng. Nó thực hiện các chức năng bao gồm đảm bảo không có gói tin trùng lặp, Lập lịch báo nhận và quản lý tốc độ dữ liệu và đầu ra RF cho từng thiết bị cuối riêng lẻ bằng cách sử dụng sơ đồ tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR).
4. Máy chủ ứng dụng
Máy chủ ứng dụng xác định dữ liệu từ các thiết bị cuối được sử dụng để làm gì. Hình ảnh hóa dữ liệu, v.v. có thể được thực hiện ở đây.
LoRaWAN Bảo mật và Quyền riêng tư
Không thể quá nhấn mạnh tầm quan trọng của bảo mật và quyền riêng tư trong bất kỳ giải pháp IoT nào. Giao thức LoRaWAN chỉ định mã hóa để đảm bảo dữ liệu của bạn được an toàn, cụ thể
* Phím AES128 cho mỗi thiết bị
* Tái tạo / thu hồi ngay lập tức các phím thiết bị
* Mã hóa tải trọng mỗi gói để bảo mật dữ liệu
* Bảo vệ chống lại các cuộc tấn công phát lại
* Bảo vệ chống lại các cuộc tấn công của kẻ trung gian
LoRa sử dụng hai khóa; Các khóa Phiên mạng và Phiên ứng dụng đều cung cấp giao tiếp phân tách, được mã hóa để quản lý mạng và giao tiếp ứng dụng.
Khóa phiên mạng, được chia sẻ giữa thiết bị và mạng chịu trách nhiệm xác thực dữ liệu nút cuối trong khi khóa phiên ứng dụng, được chia sẻ giữa ứng dụng và nút cuối có trách nhiệm đảm bảo tính riêng tư của dữ liệu thiết bị.
Các tính năng chính của LoRAWAN
*> Ngân sách liên kết 160 dB
* Công suất TX +20 dBm
* IIP3 đặc biệt
* Cải thiện độ chọn lọc 10dB so với FSK
* Chịu được nhiễu nổ trong kênh
* Dòng RX thấp nhất - 10mA
* Giấc ngủ thấp nhất hiện tại
* Đánh thức cực nhanh (chuyển sang chế độ ngủ RX / TX)
Ưu điểm của LoRa
Dưới đây là một số lợi thế liên quan đến LoRa;
1. Phạm vi và phạm vi phủ sóng dài: Với phạm vi LOS lên đến 15km, phạm vi của nó không thể so sánh với bất kỳ giao thức truyền thông nào khác.
2. Công suất thấp: LoRa cung cấp bộ đàm công suất cực thấp, điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị được yêu cầu kéo dài trong 10 năm hoặc