1. терминология
2. Полосы частот
3. ЕС 863-870 МГц и рабочий цикл
4. США 902-928 МГц
5. Австралия 915-928 МГц
6. Китай 779–787 МГц и 470–510 МГц
7. Модуляция и скорость передачи данных
8. адресация
9. Безопасность
10. Счетчики кадров
11. Команды MAC

Справочная информация о LoRaWAN

LoRaWAN - это протокол управления доступом к среде (MAC) для глобальных сетей. Он разработан для того, чтобы устройства с низким энергопотреблением могли обмениваться данными с подключенными к Интернету приложениями по беспроводным соединениям на большие расстояния LoRaWAN может быть сопоставлен со вторым и третьим уровнем модели OSI. Он реализован поверх модуляции LoRa или FSK в промышленных, научных и медицинских (ISM) радиодиапазонах. Протоколы LoRaWAN определяются ЛоРа Альянс и формализовано в спецификации LoRaWAN, которая может быть загруженный на веб-сайте Альянса LoRa.

Изображение: LoRaWAN Architecture

терминология

• Конечное устройство, узел, Mote - объект со встроенным устройством связи малой мощности.
• шлюз - антенны, которые принимают трансляции от конечных устройств и отправляют данные обратно на конечные устройства.
• Сетевой сервер - серверы, которые направляют сообщения от конечных устройств в нужное приложение и обратно.
• Приложение - это часть программного обеспечения, работающая на сервере.
• Uplink Message - сообщение от устройства к приложению.
• Downlink Message - сообщение от Приложения к Устройству.

Конечные устройства

Спецификация LoRaWAN определяет три типа устройств. Все устройства LoRaWAN должны реализовывать класс A, тогда как класс B и класс C являются расширениями спецификации устройств класса A.

Устройства класса A поддерживают двунаправленную связь между устройством и шлюзом. Сообщения восходящей линии связи (с устройства на сервер) могут быть отправлены в любое время (случайным образом). Затем устройство открывает два окна приема в указанное время (1 с и 2 с) после передачи по восходящей линии связи. Если сервер не отвечает ни в одном из этих окон приема (ситуация 1 на рисунке), следующая возможность будет после следующей передачи по восходящей линии от устройства. Сервер может ответить либо в первом окне приема, либо во втором окне приема, но не должен использовать оба окна.

Устройства класса B расширяют класс A, добавляя запланированные окна приема для сообщений нисходящей линии от сервера. Используя синхронизированные по времени маяки, передаваемые шлюзом, устройства периодически открывают окна приема.

Устройства класса C расширяют класс A, оставляя окна приема открытыми, если они не передают, как показано на рисунке ниже. Это позволяет осуществлять связь с малой задержкой, но во много раз потребляет больше энергии, чем устройства класса А.

Полосы частот

LoRaWAN работает в нелицензионном радиочастотном спектре. Это означает, что любой может использовать радиочастоты без необходимости платить миллионы долларов за права на передачу. Это похоже на WiFi, который использует диапазоны ISM 2,4 ГГц и 5 ГГц по всему миру. Любой может настраивать маршрутизаторы WiFi и передавать сигналы WiFi без необходимости получения лицензии или разрешения.

LoRaWAN использует более низкие радиочастоты с большим диапазоном. Тот факт, что частоты имеют больший диапазон, также имеет больше ограничений, которые часто зависят от страны. Это создает проблему для LoRaWAN, который пытается быть как можно более единообразным во всех различных регионах мира. В результате LoRaWAN указывается для ряда полос для этих регионов. Эти полосы достаточно похожи для поддержки протокола, независимого от региона, но имеют ряд последствий для реализации внутренних систем.

• LoRaWAN имеет официальные региональные спецификации, называемые региональными параметрами , которые вы можете загрузить с Сайт Альянса LoRa ,

• Эти региональные спецификации LoRaWAN также не все определяют. Они охватывают только регион, указав общий знаменатель. Например, региональные параметры LoRaWAN для Азии определяют только общее подмножество каналов - но существуют различия между правилами в азиатских странах. Кроме того, каждый оператор сетевого сервера может выбирать дополнительные параметры, например, дополнительные каналы излучения. Мы называем эти параметры частотными планами . Для Сети Вещей они определены в этот репозиторий GitHub ,

ЕС 863-870 МГц и рабочий цикл

В Европе LoRaWAN работает в полосе частот 863–870 МГц. Европейские частотные нормы устанавливают специальные рабочие циклы для устройств для каждого поддиапазона. Они применяются к каждому устройству, которое передает на определенной частоте, поэтому и шлюзы, и устройства должны соблюдать эти рабочие циклы. У большинства каналов, используемых LoRaWAN, рабочий цикл составляет всего 1% или даже 0,1%. В результате сеть должна быть умной в планировании сообщений на шлюзах, которые менее заняты, или на каналах с более высоким рабочим циклом. Разработчикам приложений рекомендуется сохранять свои полезные нагрузки небольшими, не передавать их слишком часто и по возможности избегать сообщений нисходящей линии связи.

США 902-928 МГц

В Соединенных Штатах LoRaWAN работает в полосе частот 902–928 МГц. В отличие от европейской группы, американская полоса имеет выделенные каналы восходящей и нисходящей линий связи. Полоса частот разделена на 8 поддиапазонов, каждый из которых имеет каналы восходящей линии 8x125 кГц, канал восходящей линии 1x500 кГц и канал нисходящей линии 1x500 кГц. The Things Network использует второй поддиапазон (номер 1, если вы начинаете считать с 0).

Австралия 915-928 МГц

Спецификация австралийской полосы 915–928 МГц практически такая же, как в США 902–928 МГц, за исключением того, что ее частоты восходящей линии связи находятся на более высоких частотах, чем в полосе США. Его нисходящие каналы такие же, как в полосе 902–928 МГц США. The Things Network использует второй поддиапазон (номер 1, если вы начинаете считать с 0).

Китай 779–787 МГц и 470–510 МГц

Китайская полоса 779–787 МГц ведет себя подобно европейским полосам. Полоса 779–787 МГц также имеет три общих канала 125 кГц (779,5, 779,7 и 779,9 МГц). Китайская полоса 470–510 МГц ведет себя аналогично полосам в США. Есть 96 каналов восходящей линии связи и 48 каналов нисходящей линии связи. В некоторых регионах подмножество этих каналов используется China Electric Power и поэтому не может использоваться для LoRaWAN. The Things Network использует одиннадцатый поддиапазон (номер 10, если вы начинаете считать с 0).

Модуляция и скорость передачи данных

В большинстве случаев LoRaWAN использует модуляцию LoRa. Модуляция LoRa основана на технологии Chirp с расширенным спектром, которая позволяет ей хорошо работать с канальным шумом, многолучевым замиранием и эффектом Доплера даже при низкой мощности.

Скорость передачи данных зависит от используемой полосы пропускания и коэффициента расширения. LoRaWAN может использовать каналы с полосой пропускания 125 кГц, 250 кГц или 500 кГц, в зависимости от региона или частотного плана. Коэффициент расширения выбирается конечным устройством и влияет на время, необходимое для передачи кадра.

История скорости передачи данных : есть три ручки, которые вы можете поворачивать: мощность передачи, полоса пропускания и коэффициент расширения. Если вы снизите мощность передачи, вы сэкономите батарею, но диапазон сигнала, очевидно, будет короче. Две другие ручки вместе образуют скорость передачи данных. Это определяет, как быстро передаются байты. Если вы увеличите скорость передачи данных (увеличите пропускную способность или уменьшите коэффициент расширения), вы сможете передавать эти байты за более короткое время. Для них вычисление примерно следующее: увеличение ширины полосы в 2 раза (от BW125 до BW250) позволяет одновременно отправлять в 2 раза больше байтов. Снижение коэффициента расширения на 1 шаг (от SF10 до SF9) позволяет одновременно отправлять в 2 раза больше байтов. Снижение коэффициента расширения затрудняет прием передачи шлюзом, поскольку он будет более чувствительным к шуму. Вы можете сравнить это с двумя людьми, которые находятся в шумном месте (например, в баре). Если вы далеко друг от друга, вам нужно говорить медленно (SF10), но если вы находитесь рядом, вы можете говорить быстрее (SF7)

адресация

Устройства и приложения имеют 64-битный уникальный идентификатор (DevEUI и AppEUI). Когда устройство подключается к сети, оно получает динамический (неуникальный) 32-разрядный адрес (DevAddr).

Безопасность

LoRaWAN 1.0 знает три различных 128-битных ключа безопасности. Ключ приложения AppKey известен только устройству и приложению. Когда устройство присоединяется к сети (это называется присоединением или активацией), генерируется ключ сеанса приложения AppSKey и ключ сеанса сети NwkSKey. NwkSKey используется совместно с сетью, а AppSKey остается закрытым. Эти сеансовые ключи будут использоваться в течение всего сеанса.

Для этого используется алгоритм AES-128, аналогичный алгоритму, используемому в стандарте 802.15.4. NwkSKey используется для проверки целостности каждого сообщения по его коду целостности сообщения (MIC). Этот MIC похож на контрольную сумму, за исключением того, что он предотвращает преднамеренное вмешательство в сообщение. Для этого LoRaWAN использует AES-CMAC. AppSKey используется для шифрования полезной нагрузки приложения.

Увидеть Безопасность для дополнительной информации.

Счетчики кадров

Счетчики кадров предотвращают повторные атаки, когда злоумышленник повторно передает ранее записанное сообщение. Чтобы предотвратить это, сеть и устройство должны отклонять сообщения, содержащие счетчик кадров, который меньше ожидаемого счетчика кадров.

Команды MAC

Сетевой сервер и устройство могут выполнять сетевое администрирование и управление с использованием команд MAC. Спецификация LoRaWAN определяет ряд команд, которые могут быть расширены в будущих версиях LoRaWAN или дополнены проприетарными командами. Существуют команды для проверки подключения, запроса статуса устройства, адаптации скорости передачи данных устройства и изменения настроек канала.

Похожие

Комментарии