LORA یک فناوری مدولاسیون RF برای شبکه های کم قدرت و گسترده (LPWANS) است. نام ، لورا ، اشاره ای به فوق العاده استloدرraداده های NGE که این فناوری امکان پذیر است. Lora که توسط Semtech برای استاندارد سازی LPWAN ها ایجاد شده است ، ارتباطات دوربرد را فراهم می کند: تا سه مایل (پنج کیلومتر) در مناطق شهری و تا 10 مایل (15 کیلومتر) یا بیشتر در مناطق روستایی (خط دید). یکی از ویژگی های اصلی راه حل های مبتنی بر LORA ، نیازهای قدرت بسیار کم است ، که امکان ایجاد دستگاه های باتری را فراهم می کند که تا 10 سال می توانند دوام داشته باشند. مستقر در یک توپولوژی ستاره ، شبکه ای مبتنی بر پروتکل باز لوروان برای برنامه هایی که نیاز به برقراری ارتباط طولانی مدت یا عمیق در بین تعداد زیادی دستگاه دارند که نیاز به انرژی کم دارند و مقادیر کمی از داده ها را جمع می کنند ، مناسب است.

تفاوت های بین LORA و سایر فن آوری های شبکه را که معمولاً در IoT یا راه حل های اتصال دستگاه به دستگاه به دستگاه (M2M) استفاده می شود ، در نظر بگیرید:

شکل 1: فناوری های IoT

توجه: در اروپا ، اپراتورهای شبکه تلفن همراه یک استراتژی دوگانه را برای رسیدگی به اندازه بسته ها و مشکلات تأخیر اجرا کرده اند. آنها غالباً Lorawan و CAT-M1 را ارائه می دهند که فناوری های مکمل هستند. لوروان نیاز به عمر باتری طولانی تر ، با معامله ای از تأخیر طولانی تر و اندازه بسته های کوچکتر دارد. در مقابل CAT-M1 می تواند برای بارهای بزرگتر با تأخیر کمتر از آنچه Lorawan می تواند در آن قرار بگیرد ، استفاده شود.

شکل 2 برخی از مزایای مهم استقرار یک شبکه Lorawan را برجسته می کند:

شکل 2: مزایای استقرار یک شبکه Lorawan

بیایید با کمی عمق بیشتر به این مزایا بپردازیم.

با توجه به دامنه ، یک دروازه مستقر در لورا می تواند سیگنال ها را در فاصله بیش از 10 مایل (15 کیلومتر) در مناطق روستایی دریافت و منتقل کند. حتی در محیط های متراکم شهری ، پیام ها بسته به اینکه دستگاه های انتهایی (گره های انتهایی) در داخل خانه قرار دارند ، می توانند تا سه مایل (پنج کیلومتر) حرکت کنند.

تا آنجا که عمر باتری پیش می رود ، انرژی مورد نیاز برای انتقال یک بسته داده با توجه به اینکه بسته های داده بسیار اندک هستند و فقط روزانه چند بار منتقل می شوند. علاوه بر این ، هنگامی که دستگاه های انتهایی در خواب هستند ، مصرف برق در Milliwatts (MW) اندازه گیری می شود و به باتری دستگاه اجازه می دهد تا سالها و سالهای زیادی دوام بیاورد.

وقتی صحبت از ظرفیت می شود ، یک شبکه Lorawan می تواند از میلیون ها پیام پشتیبانی کند. با این حال ، تعداد پیام های پشتیبانی شده در هر استقرار معین به تعداد دروازه هایی که نصب شده است بستگی دارد. یک دروازه هشت کانال تنها می تواند در طی یک دوره 24 ساعته از چند صد هزار پیام پشتیبانی کند. اگر هر دستگاه انتهایی روزانه 10 پیام ارسال کند ، چنین دروازه ای می تواند حدود 10،000 دستگاه 1 را پشتیبانی کند. اگر این شبکه شامل 10 دروازه از این دست باشد ، این شبکه می تواند تقریباً 100000 دستگاه و یک میلیون پیام را پشتیبانی کند. در صورت نیاز به ظرفیت بیشتر ، تمام آنچه لازم است اضافه کردن دروازه های اضافی به شبکه است.

و پس از آن ، هزینه وجود دارد. با توجه به قابلیت های گره های انتهایی و دروازه های مبتنی بر LORA ، فقط چند دروازه-که در یک شبکه ستاره پیکربندی شده است-برای خدمت به تعداد زیادی از گره های انتهایی لازم است. این بدان معنی است که سرمایه و هزینه های عملیاتی می توانند نسبتاً کم نگه داشته شوند. همچنین ، هنگامی که ماژول های Lora RF مقرون به صرفه که در گره های انتهای ارزان قیمت تعبیه شده اند ، در رابطه با استاندارد Lorawan باز استفاده می شوند ، بازده سرمایه گذاری می تواند قابل توجه باشد.

مدولاسیون رادیویی و لورا

یک تکنیک اختصاصی تعدیل طیف گسترده ای که از فناوری موجود در طیف گسترده ای از Chirp (CSS) حاصل می شود ، LORA یک تجارت بین حساسیت و نرخ داده ها را ارائه می دهد ، در حالی که در یک کانال پهنای باند ثابت یا 125 کیلوهرتز یا 500 کیلوهرتز (برای کانال های Uplink) کار می کند.، و 500 کیلوهرتز (برای کانال های downlink). علاوه بر این ، لورا از عوامل گسترش متعامد استفاده می کند. این امر به شبکه اجازه می دهد تا با ایجاد بهینه سازی تطبیقی از سطح قدرت و نرخ داده های یک گره انتهایی ، عمر باتری گره های انتهایی متصل را حفظ کند. به عنوان مثال ، یک دستگاه انتهایی که در نزدیکی یک دروازه واقع شده است باید داده ها را با یک عامل پخش پایین منتقل کند ، زیرا بودجه پیوند بسیار کمی لازم است. با این حال ، یک دستگاه انتهایی که در چند مایل از یک دروازه واقع شده است ، باید با یک عامل گسترش بسیار بالاتر منتقل شود. این عامل گسترش بالاتر باعث افزایش افزایش پردازش و حساسیت به پذیرش بالاتر می شود ، اگرچه میزان داده لزوماً پایین تر خواهد بود.

لورا صرفاً یک لایه فیزیکی (PHY) یا اجرای لایه "بیت" است ، همانطور که توسط مدل شبکه هفت لایه OSI تعریف شده است ، در شکل 3 به تصویر کشیده شده است. به جای کابل کشی ، هوا به عنوان واسطه ای برای انتقال امواج رادیویی لورا از یکفرستنده RF در یک دستگاه IoT به یک گیرنده RF در یک دروازه و برعکس.

1 هیچ رابطه یک به یک بین دستگاه های مبتنی بر لورا و دروازه در یک شبکه لوروان وجود ندارد. پیام های ارسال شده به دستگاه های انتهایی و از طریق تمام دروازه های موجود در محدوده حرکت می کنند. deduplication توسط سرور شبکه اداره می شود.

شکل 3: مدل شبکه هفت لایه OSI

در یک سیستم طیف گسترش توالی سنتی یا مستقیم (DSSS) ، مرحله حامل سیگنال فرستنده مطابق توالی کد همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است تغییر می کند. همچنین به عنوان یک کد پخش (یا دنباله تراشه) شناخته می شود ، یک سیگنال "سریعتر" ایجاد می شود که دارای اجزای فرکانس بالاتری نسبت به سیگنال داده اصلی است. این بدان معنی است که پهنای باند سیگنال در خارج از پهنای باند سیگنال اصلی پخش می شود. در اصطلاحات RF ، بیت های دنباله کد تراشه ها نامیده می شوند (به منظور تمایز بین بیت های طولانی تر ، غیر کد شده از سیگنال داده اصلی). هنگامی که سیگنال منتقل شده به گیرنده RF می رسد ، با یک کپی یکسان از کد پخش شده مورد استفاده در فرستنده RF ضرب می شود و در نتیجه ماکت سیگنال داده اصلی ایجاد می شود.

شکل 4: تغییر سیگنال فاز فاز حامل سیستم DSSS

ممکن است بپرسید: چرا این همه مشکل را پشت سر می گذارید؟چرا فقط به جای عبور از این ضرب دنباله کد ، سیگنال داده اصلی را انتقال نمی دهیم؟پاسخ ساده است: طی کردن این ضرب دنباله کد ، بودجه پیوند RF بالاتر را برای شما خریداری می کند ، بنابراین می توانید از یک محدوده طولانی تر انتقال دهید.

نسبت log10 از نرخ تراشه توالی کد و میزان بیت سیگنال داده افزایش پردازش (GP) نامیده می شود. این افزایش همان چیزی است که به گیرنده اجازه می دهد سیگنال داده اصلی را بازیابی کند ، حتی اگر کانال نسبت سیگنال به نویز منفی (SNR) داشته باشد. لورا در مقایسه با مدولاسیون کلید تغییر فرکانس (FSK) دارای یک GP برتر است و باعث می شود ضمن حفظ نرخ داده سیگنال یکسان و بودجه پیوند مشابه ، سطح قدرت خروجی فرستنده را کاهش دهد.

یکی از خطرات یک سیستم DSSS این واقعیت است که به یک ساعت مرجع بسیار دقیق (و گران) نیاز دارد. فناوری Semtech's Lora Chirp Spread Spectrum (CSS) جایگزین DSSS کم هزینه و کم مصرف و در عین حال قوی را ارائه می دهد که نیازی به یک ساعت مرجع بسیار دقیق ندارد. در مدولاسیون لورا ، گسترش طیف سیگنال با تولید سیگنال chirp که به طور مداوم در فرکانس متفاوت است ، حاصل می شود ، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: تصویر طیف گسترش Lora Chirp

مزیت این روش این است که جبران زمان و فرکانس بین فرستنده و گیرنده معادل است و پیچیدگی طراحی گیرنده را تا حد زیادی کاهش می دهد. پهنای باند فرکانس این chirp معادل پهنای باند طیفی سیگنال است. سیگنال داده ای که داده ها را از یک دستگاه انتهایی به یک دروازه منتقل می کند ، با نرخ داده بالاتر تراشیده می شود و بر روی سیگنال حامل Chirp تعدیل می شود. مدولاسیون لورا همچنین شامل یک طرح تصحیح خطای متغیر است که باعث افزایش استحکام سیگنال منتقل شده می شود. برای هر چهار بیت اطلاعات ارسال شده ، یک اطلاعات پنجم از اطلاعات برابری ارسال می شود.

خصوصیات مدولاسیون لورا کلیدی

همانطور که در بالا ذکر شد ، افزایش پردازش LORA در کانال RF با ضرب سیگنال داده با یک کد گسترش یا دنباله تراشه معرفی می شود. با افزایش نرخ تراشه ، ما اجزای فرکانس طیف کل سیگنال را افزایش می دهیم. به عبارت دیگر ، اکنون انرژی سیگنال کل در طیف وسیع تری از فرکانس ها پخش می شود و به گیرنده این امکان را می دهد تا سیگنال را با نسبت سیگنال به نویز پایین تر (یعنی بدتر) تشخیص دهد.

از نظر LORA ، مقدار کد پخش شده در سیگنال داده اصلی به عنوان فاکتور پخش (SF) نامیده می شود. مدولاسیون لورا در مجموع شش عامل پخش کننده (SF7 به SF12) دارد. هرچه فاکتور گسترش استفاده شده بزرگتر باشد ، سیگنال دورتر قادر به مسافرت خواهد بود و هنوز هم بدون خطا توسط گیرنده RF دریافت می شود.

جدول 1 چهار عامل مختلف در حال پخش [SF7… SF10] را نشان می دهد که می تواند برای پیام های Uplink (UL) در کانال 125 کیلوهرتز 2 استفاده شود. این میزان بیت معادل و همچنین محدوده تخمین زده شده را نشان می دهد (این بستگی به زمین دارد ؛ مسافت های طولانی تر در یک محیط روستایی نسبت به یک محیط شهری حاصل می شود). این همچنین زمان ساکن یا زمان در هوا (TOA) را برای یک بار 11 بایت برای هر یک از چهار عامل پخش نشان می دهد.

2 پیام downlink پخش شده از 500 کیلو هرتز می تواند از شش عامل پخش در دسترس استفاده کند (SF7… SF12).

جدول 1: فاکتورهای پخش لورا

نکته مهم ، عوامل گسترش مدولاسیون لورا ذاتاً متعامد هستند. این بدان معنی است که سیگنال های تعدیل شده با فاکتورهای مختلف گسترش و انتقال در همان کانال فرکانس در همان زمان با یکدیگر تداخل نمی کنند. درعوض ، سیگنال هایی که در عوامل مختلف پخش وجود دارند به سادگی به نظر می رسد که سر و صدای یکدیگر هستند.

سیگنال های لورا نسبت به مکانیسم های تداخل در باند و خارج از باند بسیار مقاوم هستند. مدولاسیون Lora همچنین مصونیت از چندگانه و محو شدن را ارائه می دهد ، و آن را برای استفاده در محیط های شهری و حومه ای ایده آل می کند ، جایی که هر دو مکانیسم حاکم هستند. علاوه بر این ، شیفت های داپلر باعث تغییر فرکانس کوچک در محور زمانی سیگنال باند پایه می شوند. این تحمل جبران فرکانس نیاز به منابع ساعت مرجع تحمل محکم را کاهش می دهد و بنابراین ، لورا را برای ارتباطات داده از دستگاه هایی که موبایل هستند ایده آل می کند.

خصوصیات مدولاسیون لورا

ویژگی های مدولاسیون لورا برای هر منطقه در سند پارامترهای منطقه ای لوروان ، موجود از LORA Alliance® (https://lora-alliance. org/resource-hub/rp002-100-lorawanr-regional-parameters) تعریف شده است. در آمریکای شمالی ، 64 ، 125 کیلو هرتز کانال Uplink Lora تعریف شده است که با محوریت یک شلاق 200 کیلوهرتز همانطور که در شکل 5 مشاهده می شود ، وجود دارد. در آمریکای شمالی ، دروازه ها می توانند حداکثر 64 ، 125 کیلوهرتز کانال ارتباطی و همچنین هشت کانال ارتفاعات 500 کیلوهرتز و لینک را داشته باشند. این نوع دروازه به عنوان یک دروازه ماکرو درجه حامل گفته می شود و فقط برای برنامه های کاربردی در فضای باز استفاده می شود.

شکل 6: ویژگی های مدولاسیون لورا

جدول 2 روش دیگری برای درک این خصوصیات مدولاسیون ارائه می دهد.

جدول 2: ویژگی های مدولاسیون لورا

• لایه فیزیکی LORA برای کاربردهای کم مصرف ، نرخ پایین داده و بودجه پیوند بالا (یعنی "دوربرد") در نظر گرفته شده است.
• برای یک پهنای باند کانال ثابت ، هرچه ضریب گسترش بیشتر باشد ، افزایش پردازش بیشتر می شود و در نتیجه افزایش حساسیت و بنابراین افزایش بودجه پیوند ایجاد می شود. پس از آن ، با این حال ، زمان هوا نیز افزایش می یابد.
• ارتوگونی بودن بین فاکتورهای پخش کننده امکان انتقال سیگنال های متعدد LORA را که هم در فرکانس کانال یکسان و هم در همان ستون قرار دارند ، امکان پذیر است.
• برای SF ثابت ، پهنای باند باریک تر با کاهش میزان بیت ، حساسیت را افزایش می دهد.
• لوروان در آمریکای شمالی از کانال های ارتفاعات 125 کیلوهرتز و کانال های ارتفاعات 500 کیلو هرتز استفاده می کند
• نرخ کد میزان افزونگی است که توسط تصحیح خطای رو به جلو (FEC) که برای تشخیص خطاها و اصلاح آنها استفاده می شود ، اجرا می شود. این نرخ برای پروتکل Lorawan در 4/5 ثابت است

همانطور که استفان هنگستلر در کتاب خود ادعا می کند ، یک تکنیک طیف گسترده ای از مدولاسیون chirp برای دسترسی چندگانه ، "لورا یک مدولاسیون پاکت ثابت است (هزینه بسیار کم ، اجرای تقویت کننده توان کارآمد) ... [این] قوی ترین و قدرتمندترین قدرت استو راه حل RF با برد طولانی در دسترس است. "

برخورد داده ها و ارتقاء فاکتور گسترش

با استفاده از لورا ، بسته هایی که از عوامل مختلف در حال پخش استفاده می کنند متعامد هستند ، به این معنی که برای یکدیگر نامرئی هستند: همانطور که قبلاً نیز گفته شد ، آنها به سادگی به عنوان سر و صدای یکدیگر ظاهر می شوند. بنابراین ، دو بسته که در همان زمان در همان کانال دریافت در فاکتورهای مختلف گسترش می یابند ، برخورد نمی کنند و هر دو توسط تراشه مودم Gateway از بین می روند. با این حال ، دو بسته با همان فاکتور پخش که در همان زمان در همان کانال وارد می شوند ممکن است منجر به برخورد شود. اما اگر یکی از این دو بسته با شش dB قوی تر باشد ، زنده می ماند.

ظرفیت یک شبکه Lorawan تابعی از تراکم دروازه آن است. برای به حداکثر رساندن ظرفیت شبکه ، استفاده از مکانیسم نرخ داده تطبیقی (ADR) ضروری است. هدف اصلی ADR صرفه جویی در توان باتری گره های انتهای لوروان است. با نزدیک شدن گره های انتهایی به یک دروازه با استفاده از کمترین فاکتور پخش ، زمان آنها در هوا به حداقل می رسد و از این طریق عمر باتری آنها طولانی می شود. سنسورهای دوردست تر با یک عامل گسترش بالاتر منتقل می شوند. با توجه به اینکه یک عامل گسترش بالاتر باعث می شود یک دروازه به دستگاه هایی که دورتر هستند ، یک دروازه به یک دروازه متصل شود ، تجارت بین قدرت باتری و فاصله ایجاد می شود.

اصول شبکه لوروان

برای درک کامل شبکه های Lorawan ، ما با نگاهی به پشته فناوری شروع خواهیم کرد. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، LORA لایه فیزیکی (PHY) است ، یعنی مدولاسیون بی سیم که برای ایجاد پیوند ارتباطی دوربرد استفاده می شود. Lorawan یک پروتکل شبکه باز است که ارتباطات دو جهته ، تحرک و خدمات محلی سازی را که توسط اتحاد LORA استاندارد و نگهداری می شود ، ارائه می دهد.

شکل 7: پشته فناوری Lorawan

عناصر شبکه لوروان: مقدمه

اکنون که درک اساسی از لورا داریم ، معماری یک شبکه لوروان را بررسی خواهیم کرد. شکل 8 اجرای معمولی شبکه Lorawan را از انتهای تا انتها نشان می دهد.

شکل 8: اجرای شبکه Typial Lorawan

بگذارید این نمودار را در قطعات کوچکتر بررسی کنیم.

دستگاه های انتهایی مبتنی بر لورا

شکل 9: دستگاه های پایان در یک شبکه معمولی Lorawan

یک دستگاه انتهایی با قابلیت Lorawan یک سنسور یا محرک است که از طریق دروازه های رادیویی با استفاده از مدولاسیون LORA RF به صورت بی سیم به یک شبکه لوروان متصل می شود.

در اکثر برنامه ها ، یک دستگاه نهایی یک سنسور مستقل و غالباً باتری است که شرایط فیزیکی و حوادث محیطی را دیجیتالی می کند. موارد استفاده معمولی برای یک محرک عبارتند از: روشنایی خیابان ، قفل های بی سیم ، خاموش کردن شیر آب ، پیشگیری از نشت ، از جمله موارد دیگر.

هنگامی که آنها در حال تولید هستند ، به دستگاه های مبتنی بر لورا چندین شناسه منحصر به فرد اختصاص داده می شوند. از این شناسه ها برای فعال کردن ایمن و اجرای دستگاه ، برای اطمینان از حمل و نقل ایمن بسته ها از طریق یک شبکه خصوصی یا عمومی و ارائه داده های رمزگذاری شده به ابر استفاده می شود.

دروازه های لوروان

شکل 10: دروازه های موجود در یک شبکه معمولی Lorawan

یک دروازه Lorawan پیام های RF مدوله شده Lora را از هر دستگاه انتهایی در فاصله شنوایی دریافت می کند و این پیام های داده را به سرور شبکه Lorawan (LNS) منتقل می کند ، که از طریق ستون فقرات IP وصل می شود. هیچ ارتباط ثابت بین دستگاه پایان و یک دروازه خاص وجود ندارد. در عوض ، همان سنسور را می توان با چندین دروازه در منطقه سرو کرد. با استفاده از لوروان ، هر بسته uplink ارسال شده توسط دستگاه نهایی توسط تمام دروازه های موجود در دسترس دریافت می شود ، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است. این ترتیب به طور قابل توجهی میزان خطای بسته را کاهش می دهد (از آنجا که احتمال اینکه حداقل یک دروازه پیام را دریافت کند بسیار زیاد است) ، به طور قابل توجهی باتری را برای سنسورهای تلفن همراه/عشایری کاهش می دهد و امکان جغرافیایی کم هزینه را فراهم می کند (با فرض اینکه دروازه های مورد نظر از نظر جغرافیایی قابل استفاده هستند).

ترافیک IP از یک دروازه به سرور شبکه می تواند از طریق Wi-Fi ، اترنت سخت یا از طریق اتصال تلفن همراه ، از آن استفاده شود. دروازه های Lorawan کاملاً در لایه فیزیکی فعالیت می کنند و در اصل چیزی جز مهاجران پیام رادیویی لورا نیستند. آنها فقط یکپارچگی داده های هر پیام Lora RF ورودی را بررسی می کنند. اگر یکپارچگی دست نخورده نباشد ، یعنی اگر CRC نادرست باشد ، پیام کاهش می یابد. اگر تصحیح دروازه آن را به همراه برخی از ابرداده ها که شامل سطح RSSI پیام و همچنین یک زمان سنجی اختیاری است ، آن را به LNS منتقل کنید. برای Lorawan Downlinks ، یک دروازه درخواست های انتقال را از LNS بدون هیچ گونه تفسیری از بار استفاده می کند. از آنجا که چندین دروازه می توانند همان پیام LORA RF را از یک دستگاه انتهایی دریافت کنند ، LNS داده های قابل استفاده را انجام می دهد و تمام نسخه ها را حذف می کند. بر اساس سطح RSSI پیام های یکسان ، سرور شبکه به طور معمول دروازه ای را که پیام را با بهترین RSSI دریافت می کند هنگام انتقال یک پیام downlink انتخاب می کند زیرا این دروازه یکی از نزدیکترین دستگاه پایان مورد نظر است.

شکل 11: دروازه های دریافت و انتقال پیام از دستگاه های پایان

علاوه بر این ، LORA بسته به اهداف استقرار ، امکان اجرای دروازه مقیاس پذیر و بهینه سازی شده را فراهم می کند. به عنوان مثال ، در آمریکای شمالی ، دروازه های 8- ، 16- و 64 کانال در دسترس هستند.

دروازه های 8 کانال کمترین هزینه را دارند. نوع دروازه مورد نیاز به مورد استفاده بستگی دارد. دروازه های هشت و 16 کانال برای استفاده داخلی و خارجی در دسترس است. شصت و چهار دروازه کانال فقط در یک نوع درجه حامل موجود است. این نوع دروازه برای استقرار در مکان هایی مانند برج های سلولی ، پشت بام های ساختمانهای بسیار بلند و غیره در نظر گرفته شده است.

سرور شبکه

شکل 12: سرور شبکه Lorawan در یک استقرار معمولی شبکه Lorawan

سرور شبکه Lorawan (LNS) کل شبکه را مدیریت می کند ، پارامترهای شبکه را به صورت پویا کنترل می کند تا سیستم را با شرایط همیشه در حال تغییر تطبیق دهد و اتصالات AES 128 بیتی ایمن را برای حمل و نقل هر دو داده پایان به پایان می دهد (از دستگاه پایان Lorawanبه برنامه کاربران نهایی در ابر) و همچنین برای کنترل ترافیکی که از دستگاه انتهای Lorawan به LNS (و پشت) جریان می یابد. سرور شبکه صحت هر سنسور موجود در شبکه و یکپارچگی هر پیام را تضمین می کند. در عین حال ، سرور شبکه نمی تواند داده های برنامه را ببیند یا به آن دسترسی پیدا کند.

به طور کلی ، تمام سرورهای شبکه Lorawan ویژگی های زیر را به اشتراک می گذارند:

• بررسی آدرس دستگاه
• احراز هویت قاب و مدیریت شمارنده قاب
• تأیید پیام های دریافت شده
• تطبیق نرخ داده ها با استفاده از پروتکل ADR
• پاسخ به تمام درخواست های MAC Layer از دستگاه ،
• ارسال بار برنامه های کاربردی Uplink به سرورهای برنامه مناسب
• صف بارهای downlink که از هر سرور برنامه به هر دستگاه متصل به شبکه متصل می شوند
• ارسال پیام های پیوست و پیوستن به پیام بین دستگاه ها و سرور پیوستن

سرورهای کاربردی

سرورهای برنامه مسئول کنترل ایمن ، مدیریت و تفسیر داده های برنامه سنسور هستند. آنها همچنین کلیه بارهای downlink لایه برنامه را به دستگاه های انتهایی متصل تولید می کنند.

شکل 13: سرور برنامه Lorawan در یک شبکه معمولی Lorawan

به سرور بپیوندید

سرور پیوست روند فعال سازی بیش از حد هوا را برای اضافه کردن دستگاه های نهایی به شبکه مدیریت می کند.

سرور پیوست حاوی اطلاعات مورد نیاز برای پردازش فریم های درخواست Uplink join و تولید فریم های پذیرش downlink join است. این سیگنال را به سرور شبکه نشان می دهد که سرور برنامه باید به دستگاه نهایی متصل شود و مشتقات کلید رمزگذاری شبکه و برنامه را انجام می دهد. این کلید جلسه شبکه دستگاه را به سرور شبکه و کلید جلسه برنامه به سرور برنامه مربوطه ارتباط می دهد

شکل 14: Lorawan به سرور در استقرار معمولی شبکه Lorawan بپیوندید

برای این منظور ، سرور پیوستن باید اطلاعات زیر را برای هر دستگاه نهایی تحت کنترل خود داشته باشد:

• DeveUi (شناسه منحصر به فرد سریال دستگاه پایان)
• AppKey (کلید رمزگذاری برنامه)
• NWKKEY (کلید رمزگذاری شبکه)
• شناسه سرور برنامه
• مشخصات خدمات دستگاه نهایی

عناصر شبکه لوروان: راه اندازی دستگاه

به دلیل امنیت ، کیفیت خدمات ، صورتحساب و سایر نیازها ، دستگاه ها باید در ابتدای کار در شبکه راه اندازی و فعال شوند. فرآیند راه اندازی با توجه به پارامترهای ضروری تأمین کننده (مانند شناسه ها ، کلیدهای رمزگذاری و مکان های سرور) به طور ایمن هر دستگاه و شبکه را تراز می کند.

مشخصات Lorawan امکان دو نوع فعال سازی را فراهم می کند: فعال سازی بیش از حد هوا (OTAA) (ترجیحی) و فعال سازی توسط شخصی سازی (ABP). جدول 2 ویژگی های مختلف هر یک از این نوع فعال سازی را نشان می دهد.

جدول 3: انواع فعال سازی

عناصر شبکه لوروان: امنیت

دو عنصر اصلی برای امنیت یک شبکه Lorawan وجود دارد: روش پیوستن و احراز هویت پیام. روش پیوستن احراز هویت متقابل بین یک دستگاه نهایی و شبکه Lorawan که به آن وصل شده است. فقط دستگاه های مجاز مجاز به پیوستن به شبکه هستند. پیام های Lorawan MAC و برنامه های کاربردی معتبر معتبر ، یکپارچگی محافظت شده و رمزگذاری شده پایان به انتها هستند (یعنی از دستگاه پایان به سرور برنامه و برعکس).

این ویژگی های امنیتی اطمینان حاصل می کنند که:

• ترافیک شبکه تغییر نکرده است
• فقط دستگاه های قانونی به شبکه Lorawan متصل می شوند
• ترافیک شبکه را نمی توان به آنها گوش داد (بدون استراق سمع)
• ترافیک شبکه قابل ضبط و پخش مجدد نیست

با این بنیاد ، با جزئیات بیشتری به اقدامات امنیتی لوروان خواهیم پرداخت.

روش پیوستن

ما با کلیدهای امنیتی شروع خواهیم کرد ، همانطور که در شکل 15 نشان داده شده است. کلیدهای ریشه فردی به طور ایمن در دستگاه های انتهایی ذخیره می شوند و کلیدهای تطبیق به طور ایمن در سرور پیوست ذخیره می شوند.

شکل 15: کلیدهای امنیتی تولید شده در طول روش پیوستن

دستگاه پایان ، همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است ، پیام درخواست Joine را به سرور پیوست ارسال می کند.

شکل 16: ارسال پیام درخواست درخواست به سرور پیوستن

پس از تأیید سرور پیوست دستگاه درخواست پیوستن به شبکه ، همانطور که در شکل 17 نشان داده شده است ، پیام پذیرش را به دستگاه باز می گرداند.

شکل 17: ارسال پیام پذیرش به یک دستگاه نهایی

در مرحله بعد ، دستگاه نهایی کلیدهای جلسه را به صورت محلی ، بر اساس DeveUi ، به EUI ، Devnonce ، Root Keys و زمینه ها در درخواست پیوست و پیوستن به پیام های پذیرش بپیوندید. در پایان ، سرور پیوست کلیدهای جلسه را از شناسه های سریال ، کلیدهای ریشه و زمینه ها در درخواست های پیوست و پیوستن به پیام های پذیرش به دست می آورد. سرانجام ، سرور پیوست کلیدهای جلسه را با سرورهای شبکه و برنامه به اشتراک می گذارد ، همانطور که در شکل 18 نشان داده شده است.

شکل 18: کلیدهای جلسه با سرور شبکه و سرور برنامه به اشتراک گذاشته می شوند

شکل 19 امنیت انتقال بسته های داده را نشان می دهد. ترافیک کنترل بین دستگاه پایان و سرور شبکه با یک کلید جلسه شبکه AES 128 بیتی (NWKSKey) ایمن است. ترافیک داده ای که بین دستگاه پایان و سرور برنامه سفر می کند ، با یک کلید برنامه کاربردی 128 بیتی (APPSKEY) ایمن می شود. این روش تضمین می کند که نه دروازه و نه سرور شبکه نمی توانند داده های کاربر را بخوانند.

شکل 19: انتقال ایمن بسته های داده

کلاس های دستگاه: A ، B و C

دستگاه های نهایی مبتنی بر لورا بسته به کلاس دستگاه خود ممکن است در یکی از سه حالت کار کنند. همه این دستگاه ها باید از عملکرد کلاس A پشتیبانی کنند. دستگاه های کلاس B باید از حالت های کلاس A و کلاس B پشتیبانی کنند و دستگاه های کلاس C باید از هر سه حالت عملکرد پشتیبانی کنند. این حالت های عملکرد مربوط به نحوه برقراری ارتباط دستگاه ها با شبکه است.

دستگاه های کلاس A

شکل 20 نحوه عملکرد عملکرد کلاس A را نشان می دهد.

شکل 20: عملیات کلاس A

در این حالت ، دستگاه پایان بیشتر وقت خود را در حالت بیکار می گذراند ، (یعنی در حالت خواب). هنگامی که تغییری در محیط مربوط به هر آنچه که دستگاه برای نظارت بر آن برنامه ریزی شده است وجود داشته باشد ، از خواب بیدار می شود و یک لینک را آغاز می کند و داده های مربوط به حالت تغییر یافته را به شبکه (TX) منتقل می کند. سپس دستگاه پاسخ از شبکه را گوش می دهد ، به طور معمول برای یک ثانیه (اگرچه این مدت قابل تنظیم است). اگر در طی این پنجره دریافت (RX1) یک لینک پایین دریافت نکند ، به طور خلاصه به خواب برمی گردد و لحظه ای بعد از خواب بیدار می شود ، دوباره به پاسخ (RX2) گوش می دهد. اگر در این پنجره دوم RX هیچ پاسخی دریافت نشود ، دستگاه تا زمانی که داده برای گزارش داده است ، به خواب برمی گردد. تأخیر بین RX1 و RX2 از نظر تأخیر از پایان انتقال Uplink پیکربندی شده است.

توجه: هیچ راهی وجود ندارد که کاربرد دستگاه پایان بتواند یک دستگاه کلاس A را از خواب بیدار کند. با توجه به این محدودیت ، دستگاه های کلاس A برای محرک ها مناسب نیستند.

شکل 21 ، 22 و 23 این الگوهای ارتباطی را نشان می دهد.

شکل 21: عملیات کلاس A که هیچ چیز دریافت نمی شود

شکل 22: عملیات کلاس A هنگامی که یک بسته داده در اولین پنجره دریافت دریافت می شود

شکل 23: عملیات کلاس A هنگامی که یک بسته داده در پنجره دریافت دوم دریافت می شود

توجه: دستگاهی سعی نمی کند پیام uplink دیگری را ارسال کند:

1. این یک پیام downlink را در طول RX1 دریافت کرده است ، یا
2. پنجره دوم دریافت پس از آخرین انتقال کامل است

دستگاه های کلاس B

تقویت حالت کلاس A ، کلاس A ، Lorawan Class B فرصت های ثابت و زمان ثابت را برای یک دستگاه نهایی برای دریافت لینک های downlinks از شبکه ارائه می دهد ، و دستگاه های پایان کلاس B را برای هر دو سنسور نظارت و همچنین محرک مناسب می کند. تمام دستگاه های انتهایی مبتنی بر لورا در حالت کلاس A شروع می شوند. با این حال ، دستگاه های برنامه ریزی شده با پشته کلاس B در حین ساخت ممکن است توسط لایه برنامه به حالت کلاس B تبدیل شوند.

دستگاه های پایان در حالت کلاس B ، ویندوزهای دریافت شده به طور منظم را فراهم می کنند ، علاوه بر این که هر زمان که یک لینک سبک کلاس A به سرور ارسال شود ، باز می شوند.

چراغهای 1. 1. 1. 1 کلاس B

برای کار کردن در حالت ارتباط کلاس B ، فرایندی به نام Beaconing لازم است. در طی فرآیند چراغ ، یک چراغ هماهنگ زمان باید به صورت دوره ای توسط شبکه از طریق دروازه ها پخش شود ، همانطور که در شکل 24 نشان داده شده است. دستگاه پایان باید به طور دوره ای یکی از این چراغ های شبکه را دریافت کند تا بتواند مرجع زمان بندی داخلی خود را با شبکه تراز کند. بشر

شکل 24: عملیات Beaconing کلاس B

دستگاه ها از چراغها برای استخراج و تراز کردن ساعتهای داخلی خود با شبکه استفاده می کنند. اگر دستگاه از قبل تراز شده باشد ، دستگاه ها نیازی به پردازش هر چراغ ندارند. در بیشتر موارد ، تنظیم مجدد چندین بار در روز ، با حداقل تأثیر بر عمر باتری ، همانطور که در شکل 25 نشان داده شده است.

شکل 25: Beaconing Class B Class B برای همگام سازی دستگاه

بر اساس مرجع زمان بندی Beacon ، دستگاه های انتهایی می توانند به صورت دوره ای ویندوز (اسلات پینگ) را باز کنند. هر یک از این اسلات پینگ ممکن است توسط زیرساخت های شبکه برای شروع یک ارتباط downlink استفاده شود ، همانطور که در شکل 26 نشان داده شده است. منبع زمان بندی GPS ، بنابراین همه آنها می توانند با زمان دقیق چراغ هماهنگ شوند.

شکل 26: شکافهای پینگ کلاس B

توجه: دستگاه های کلاس B همچنین می توانند در حالت کلاس A کار کنند.

دستگاه های کلاس C

کلاس C همیشه "روشن" است. یعنی آنها به قدرت باتری بستگی ندارند. دستگاه های کلاس C شامل مواردی از قبیل چراغ های خیابانی ، کنتورهای برقی و غیره هستند. این دستگاه ها همیشه به دنبال پیام های downlink هستند ، مگر اینکه آنها یک لینک را منتقل کنند. در نتیجه ، آنها کمترین تأخیر را برای برقراری ارتباط از سرور به یک دستگاه نهایی ارائه می دهند.

دستگاه های انتهایی کلاس C همان دو ویندوز را به عنوان دستگاه های کلاس A دریافت می کنند ، اما تا زمانی که انتقال بعدی را به سرور ارسال نمی کنند ، پنجره RX2 را نمی بندند. بنابراین ، آنها تقریباً در هر زمان می توانند یک لینک پایین در پنجره RX2 دریافت کنند. یک پنجره کوتاه در فرکانس RX2 و نرخ داده نیز بین انتهای انتقال و آغاز پنجره دریافت Rx1 باز شده است ، همانطور که در شکل 27 نشان داده شده است.

شکل 27: عملکرد کلاس C

اتحاد لورا

با بیش از 500 شرکت عضو ، اتحاد لورا یکی از سریعترین اتحادهای فناوری است. جامعه ای از مبتکران ، اتحاد LORA متعهد به استاندارد سازی شبکه های منطقه ای با قدرت پایین (LPWANS) است. برای این منظور ، این گروه مشخصات Lorawan (https://lora-alliance. org/search/specification) را بصورت رایگان ارائه می دهد. مشخصات بر اساس استانداردهای باز است و قابلیت همکاری معتبر را فراهم می کند.

Lora Alliance همچنین ابزار تست صدور گواهینامه Lorawan را ارائه می دهد تا به تولید کنندگان کمک کند تا قبل از ارسال آن دستگاه ها به یک خانه تست مجاز برای آزمایش رسمی صدور گواهینامه لوروان ، کاملاً سازگار با لوروان باشند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد اتحاد LORA ، به وب سایت آنها مراجعه کنید: https://lora-alliance. org.

• بارگیری < Pan> با بیش از 500 شرکت عضو ، اتحاد Lora یکی از سریعترین اتحادهای فناوری در حال رشد است. جامعه ای از مبتکران ، اتحاد LORA متعهد به استاندارد سازی شبکه های منطقه ای با قدرت پایین (LPWANS) است. برای این منظور ، این گروه مشخصات Lorawan (https://lora-alliance. org/search/specification) را بصورت رایگان ارائه می دهد. مشخصات بر اساس استانداردهای باز است و قابلیت همکاری معتبر را فراهم می کند.