مقدمة عن لورا ولوراوان: ما هي لورا وكيف تعمل؟

الاتصال هو أحد أهم أجزاء أي مشروع إنترنت الأشياء. إن قدرة الشيء على التواصل مع "الأشياء" الأخرى (سحابة / خادم الجهاز) هي ما يعطي "الشيء" الحق في إرفاق "الإنترنت" باسمه. على الرغم من وجود عدد كبير من بروتوكولات الاتصال ، إلا أن كل منها يفتقر إلى شيء واحد أو آخر مما يجعلها "غير مناسبة تمامًا" لتطبيقات إنترنت الأشياء. المشاكل الرئيسية هي استهلاك الطاقة والمدى / التغطية وعرض النطاق الترددي.

معظم أجهزة الراديو للاتصالات مثل Zigbee و BLE و WiFi من بين أجهزة أخرى تكون قصيرة المدى وغيرها ، مثل 3G و LTE ، متعطشة للطاقة ولا يمكن ضمان مدى مناطق تغطيتها خاصة في البلدان النامية. بينما تعمل هذه البروتوكولات وأنماط الاتصال لمشاريع معينة ، فإنها تجلب قيودًا واسعة النطاق مثل ؛ صعوبات في نشر حلول إنترنت الأشياء في المناطق التي لا توجد بها تغطية خلوية (GPRS ، EDGE ، 3G ، LTE / 4G) وانخفاض إجمالي في عمر بطارية الأجهزة. وبالتالي ، عند تصور مستقبل إنترنت الأشياء والربط بين جميع أنواع "الأشياء" ، الموجودة في جميع أنواع الأماكن ، كانت هناك حاجة إلى وسيلة اتصال مصممة خصيصًا لإنترنت الأشياء والتي تدعم متطلباتها من الطاقة المنخفضة على وجه التحديد ، والمدى الطويل بشكل ملحوظ ورخيصة وآمنة وسهلة النشر. هذا هو المكان الذي يأتي فيه LoRa.

LoRa (التي تعني Long Range) هي تقنية اتصالات لاسلكية حاصلة على براءة اختراع تجمع بين استهلاك الطاقة المنخفض للغاية مع المدى الطويل الفعال. في حين أن النطاق يعتمد بشكل كبير على البيئة والعوائق المحتملة (LOS أو N-LOS) ، فإن LoRa عادةً ما يتراوح بين 13 و 15 كيلومترًا ، مما يعني أن بوابة LoRa واحدة يمكن أن توفر تغطية لمدينة بأكملها ، ومع زوجين آخرين ، ككل بلد. وقد تم تطوير هذه التقنية من قبل Cycleo في فرنسا، وجاء إلى الصدارة عندما تم الحصول عليها الشركة من قبل Semtech في عام 2012. كنا حدات لورا مع اردوينو و مع التوت بي ، وأنها عملت المتوقع كما.

ميزات LoRa

يتكون راديو LoRa من بعض الميزات التي تساعده على تحقيق طاقة فعالة بعيدة المدى وتكلفة منخفضة. بعض هذه الميزات تشمل ؛

1. تقنية التحوير
2. تكرر
3. معدلات البيانات التكيفية
4. مستويات الطاقة التكيفية

تعديل

تستخدم أجهزة راديو Lora تقنية تعديل طيف انتشار الزقزقة لتحقيق نطاق اتصال عالي بشكل ملحوظ مع الحفاظ على خصائص طاقة منخفضة مشابهة لأجهزة الراديو القائمة على الطبقة المادية لتعديل FSK. في حين أن تعديل طيف انتشار الزقزقة كان موجودًا لفترة من الوقت مع التطبيقات في الاتصالات العسكرية والفضائية ، تقدم LoRa أول تطبيق تجاري منخفض التكلفة لتقنية التعديل.

تكرر

في حين أن تقنية LoRa غير محددة التردد ، فإن الاتصال بين أجهزة الراديو LoRa يحدث من خلال استخدام نطاقات تردد الراديو غير المرخصة التي تعمل بترددات الراديو GHz الفرعية المتوفرة في جميع أنحاء العالم. تختلف هذه الترددات من منطقة إلى أخرى وغالبًا ما تختلف أيضًا بين البلدان. على سبيل المثال ، يتم استخدام 868 ميجا هرتز بشكل شائع لاتصالات LoRa في أوروبا ، بينما يتم استخدام 915 ميجا هرتز في أمريكا الشمالية. بغض النظر عن التردد ، يمكن استخدام LoRa دون أي اختلاف كبير في التكنولوجيا.

نطاقات التردد لورا في بلدان مختلفة

إن استخدام ترددات أقل من تلك الخاصة بوحدات الاتصال مثل WiFi استنادًا إلى نطاقات ISM 2.4 أو 5.8 جيجا هرتز يتيح مساحة تغطية أكبر بكثير خاصة لحالات NLOS.

من المهم ملاحظة أن الأذونات لا تزال مطلوبة في بعض البلدان قبل التمكن من استخدام النطاقات غير المرخصة.

معدل البيانات التكيفية

يستخدم LoRa مجموعة من عرض النطاق الترددي المتغير وعوامل التمديد (SF7-SF12) لتكييف معدل البيانات في مقايضة مع نطاق الإرسال. يسمح عامل الانتشار الأعلى بمدى أطول على حساب معدل البيانات المنخفض ، والعكس صحيح. يمكن اختيار توليفة النطاق الترددي وعامل التمديد وفقًا لظروف الارتباط ومستوى البيانات المراد إرسالها. وبالتالي ، فإن عامل الانتشار الأعلى يحسن أداء الإرسال وحساسيته لعرض نطاق معين ، ولكنه يزيد أيضًا من وقت الإرسال نتيجة لانخفاض معدلات البيانات. يمكن أن تختلف هذه من 18 بت في الثانية إلى 40 كيلو بايت في الثانية

مستوى الطاقة التكيفية

مستوى الطاقة الذي تستخدمه أجهزة راديو LoRa متكيف. يعتمد على عوامل مثل معدل البيانات وشروط الارتباط من بين أمور أخرى. عند الحاجة إلى إرسال سريع ، يتم دفع القدرة المرسلة بالقرب من الحد الأقصى والعكس صحيح. وبالتالي ، يتم تعظيم عمر البطارية والحفاظ على سعة الشبكة. يعتمد استهلاك الطاقة أيضًا على فئة الأجهزة من بين عدة عوامل أخرى.

لوراوان

LoRaWAN هو معيار شبكة منطقة واسعة ذات سعة عالية وطويلة المدى ومفتوح ومنخفض الطاقة (LPWAN) مصمم لحلول إنترنت الأشياء التي تعمل بالطاقة من LoRa بواسطة تحالف LoRa. إنه بروتوكول ثنائي الاتجاه يستفيد استفادة كاملة من جميع ميزات تقنية LoRa لتقديم الخدمات بما في ذلك تسليم الرسائل الموثوق به ، والأمن التام ، والموقع ، وقدرات البث المتعدد. يضمن المعيار قابلية التشغيل البيني لمختلف شبكات LoRaWAN في جميع أنحاء العالم.

عادة ما يكون هناك خلط عندما يحاول الأشخاص تعريف LoRa و LoRaWAN والذي من المحتمل أن يتم حله بشكل أفضل من خلال فحص نموذج مكدس مرجع OSI.

ببساطة ، استنادًا إلى نموذج مكدس OSI ، يتوافق LoRaWAN مع بروتوكول الوصول إلى الوسائط لشبكة الاتصالات بينما يتوافق LoRa مع الطبقة المادية. وهكذا يحدد LoRaWAN بروتوكول الاتصال وبنية النظام للشبكة ، بينما تتيح بنية LoRa ارتباط الاتصال بعيد المدى. تم دمج الاثنين معًا لتوفير الوظيفة التي تحدد عمر البطارية للعقدة ، وسعة الشبكة ، وجودة الخدمة ، والأمان والتطبيقات الأخرى التي تخدمها الشبكة. في حين أن LoRaWAN هي طبقة MAC الأكثر شيوعًا بالنسبة لـ LoRa ، فإن طبقات الملكية الأخرى التي تم بناؤها أيضًا على تقنية LoRa موجودة. وخير مثال على ذلك هو رابط Symphony بواسطة Link Labs والذي تم تطويره خصيصًا للتطبيقات الصناعية.

هندسة شبكة LoRaWAN

على عكس طوبولوجيا الشبكة المعشقة التي تعتمدها معظم الشبكات ، يستخدم LoRaWAN بنية الشبكة النجمية ، وبالتالي ، بدلاً من أن يكون كل جهاز نهائي في حالة تشغيل دائمًا تقريبًا ، ويكرر الإرسال من الأجهزة الأخرى لزيادة النطاق ، والأجهزة الطرفية في شبكة LoRaWAN الاتصال مباشرة بالبوابات ولا يتم تشغيلها إلا عندما يحتاجون إلى الاتصال بالبوابة لأن النطاق ليس مشكلة. هذا عامل مساهم في ميزات الطاقة المنخفضة وعمر البطارية المرتفع الذي تم الحصول عليه في الأجهزة الطرفية LoRa

تتكون بنية شبكة LoRa من أربعة أجزاء رئيسية ؛

1. أجهزة النهاية

2. البوابات

3. خادم الشبكة

4. خادم التطبيق

1. أجهزة النهاية

هذه هي أجهزة الاستشعار أو المحركات على حافة الشبكة. تخدم الأجهزة الطرفية تطبيقات مختلفة ولها متطلبات مختلفة. من أجل تحسين مجموعة متنوعة من ملفات تعريف التطبيقات النهائية ، تستخدم LoRaWAN ™ ثلاث فئات مختلفة من الأجهزة التي يمكن تكوين الأجهزة الطرفية عليها. تتميز الفئات بالمقايضات بين زمن انتقال اتصال الوصلة الهابطة وعمر بطارية الجهاز.

الفئات الثلاث الرئيسية هي ؛

1. الأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه (الفئة أ)

2. الأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه بفتحات استقبال مجدولة (الفئة ب)

3. الأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه ذات فتحات الاستقبال القصوى (الفئة C)

أنا. أجهزة نهائية من الفئة أ

هذه هي الأجهزة التي لا تتطلب سوى اتصال للوصلة الهابطة من الخدمة r مباشرة بعد الإرسال. على سبيل المثال ، هي أجهزة تحتاج إلى تلقي تأكيد تسليم الرسائل من الخادم بعد الارتباط الصاعد. بالنسبة لهذه الفئة من الأجهزة ، يجب عليهم الانتظار حتى يتم إرسال Uplink إلى الخادم قبل تلقي أي ارتباط هابط. نتيجة لذلك ، يتم الاحتفاظ بالاتصال عند الحد الأدنى وبالتالي يكون لديهم أقل تشغيل للطاقة وأعلى عمر للبطارية. مثال جيد على أجهزة الفئة أ هو مقياس الطاقة الذكي القائم على LoRa

ثانيا. الأجهزة الطرفية من الفئة ب

يتم تخصيص نوافذ إضافية للوصلة الهابطة لهذه الأجهزة على فترات زمنية مجدولة بالإضافة إلى الوصلة الهابطة التي يتم تلقيها عند إرسال ارتباط صاعد (الفئة أ + ارتباط هابط إضافي مجدول). تضمن الطبيعة المجدولة للوصلة الهابطة أن العملية لا تزال منخفضة الطاقة لأن الاتصال نشط فقط في فترات زمنية مجدولة ، لكن الطاقة الإضافية المستهلكة أثناء الوصلة الهابطة المجدولة تزيد من استهلاك الطاقة بما يتجاوز استهلاك أجهزة الفئة أ ، على هذا النحو ، لديهم بطارية أقل مقارنة بالأجهزة الطرفية من الفئة أ.

ثالثا. الأجهزة الطرفية من الفئة ج

هذه الفئة من الأجهزة ليس لها قيود على الوصلة الهابطة. تم تصميمها لتكون مفتوحة دائمًا تقريبًا للاتصالات من الخادم. يستهلكون طاقة أكثر من الفئات الأخرى ولديهم أقل عمر للبطارية. الأمثلة الجيدة لأجهزة الفئة C هي الأجهزة الطرفية المستخدمة في إدارة الأسطول أو مراقبة حركة المرور الحقيقية.

2. البوابات

البوابات (يشار إليها أيضًا باسم المكثفات) هي أجهزة متصلة بخادم الشبكة عبر اتصالات IP القياسية التي تنقل الرسائل بين الواجهة الخلفية لخادم الشبكة المركزية والأجهزة الطرفية باستخدام بروتوكول الاتصال اللاسلكي أحادي القفزة. وهي مصممة لدعم الاتصال ثنائي الاتجاه ومجهزة ببث متعدد يمكّن البرنامج من إرسال رسائل التوزيع الجماعي مثل التحديثات عبر الهواء.

في قلب كل بوابة LoRa يوجد مزيل تشكيل LoRa متعدد القنوات قادر على فك تشفير جميع متغيرات تعديل LoRa على عدة ترددات على التوازي.

بالنسبة لمشغل شبكة واسعة النطاق ، يجب أن تكون العوامل المميزة الرئيسية هي أداء الراديو (الحساسية ، قوة الإرسال) ، توصيل شريحة SX1301 ببوابة MCU (USB إلى SPI أو SPI إلى SPI) ودعم وتوزيع PPS الإشارة التي يسمح توفرها بمزامنة زمنية دقيقة عبر مجموعة البوابة بالكامل في الشبكة

ينشر LoRa الاتصال بين الأجهزة الطرفية والبوابات عبر قنوات تردد متعددة ومعدلات بيانات. تستخدم تقنية الطيف المنتشر معدلات بيانات تتراوح من 0.3 كيلوبت في الثانية إلى 50 كيلوبت في الثانية لمنع الاتصالات من التداخل مع بعضها البعض وإنشاء مجموعة من القنوات "الافتراضية" التي تزيد من سعة البوابة.

لزيادة عمر بطارية الأجهزة الطرفية وسعة الشبكة الإجمالية إلى الحد الأقصى ، يدير خادم شبكة LoRa معدل البيانات وإخراج التردد اللاسلكي لكل جهاز نهائي على حدة من خلال نظام معدل البيانات التكيفي (ADR).

3. خادم الشبكة

خادم Lora Network هو الواجهة بين خادم التطبيقات والبوابات. يقوم بترحيل الأوامر من خادم التطبيق إلى البوابة أثناء نقل البيانات من البوابات إلى خادم التطبيق. وهو يؤدي وظائف تشمل ضمان عدم وجود حزم مكررة ، وإشعارات الجدولة وإدارة معدل البيانات وإخراج التردد اللاسلكي لكل جهاز طرفي على حدة باستخدام مخطط معدل البيانات التكيفي (ADR).

4. خادم التطبيق

يحدد خادم التطبيق الغرض من استخدام البيانات من الأجهزة الطرفية. ربما يتم عرض البيانات وما إلى ذلك هنا.

الأمن والخصوصية LoRaWAN

لا يمكن المبالغة في التأكيد على أهمية الأمن والخصوصية في أي حل لإنترنت الأشياء. يحدد بروتوكول LoRaWAN التشفير لضمان أمان بياناتك بشكل ملموس

* مفاتيح AES128 لكل جهاز

* تجديد / إبطال فوري لمفاتيح الجهاز

* تشفير الحمولة النافعة لكل حزمة لخصوصية البيانات

* الحماية ضد هجمات الإعادة

* الحماية من هجمات man-in-the-middle

يستخدم LoRa مفتاحين ؛ توفر مفاتيح جلسة الشبكة وجلسة التطبيق كلاهما اتصالاً مقسمًا ومشفّرًا لإدارة الشبكة واتصالات التطبيقات.

يكون مفتاح جلسة الشبكة ، المشترك بين الجهاز والشبكة ، مسؤولاً عن مصادقة بيانات العقدة النهائية بينما يكون مفتاح جلسة التطبيق ، المشترك بين التطبيق والعقدة النهائية ، مسؤولاً عن ضمان خصوصية بيانات الجهاز.

الميزات الرئيسية لـ LoRAWAN

*> 160 ديسيبل رابط الميزانية

* طاقة TX +20 ديسيبل ميلي واط

* استثنائي IIP3

* تحسين الانتقائية بمقدار 10 ديسيبل على FSK

* متسامح مع تداخل رشقة داخل القناة

* أقل تيار RX - 10 مللي أمبير

* أقل تيار نوم

* إيقاظ فائق السرعة (النوم على RX / TX)

مزايا LoRa

فيما يلي بعض المزايا المرتبطة بـ LoRa ؛

1. المدى الطويل والتغطية: مع مدى LOS يصل إلى 15 كم ، لا يمكن مقارنة مداها بنطاق أي بروتوكول اتصال آخر.

2. الطاقة المنخفضة: توفر LoRa أجهزة راديو منخفضة الطاقة للغاية مما يجعلها مثالية للأجهزة المطلوبة التي تدوم لمدة 10 سنوات أو