LPWAN è il concetto fondamentale di LoRaWAN IoT
LPWAN stanno dominando il settore IoT. Come suggerisce il nome, LPWAN è un gruppo di standard wireless volti a ottimizzare due metriche per l'Internet delle cose:
- Basso consumo energetico – i sensori e i dispositivi IoT devono trasmettere costantemente dati, ma accedervi è spesso difficile. Quindi è fondamentale che la durata della batteria sia la più lunga possibile;
- Una vasta area di copertura – affinché i dispositivi IoT siano utili, devono essere in grado di comunicare da qualsiasi luogo, ovunque siano necessari, compresi gli impianti industriali e agricoli, che sono spesso distanti dal luogo del trattamento dei dati.
Gli standard LPWAN differiscono dalla rete personale wireless (PADELLA) tecnologie come Zigbee, Bluetooth, e altri. Sebbene quest'ultimo possa essere utilizzato per l'Internet of Things, la gamma e l'ambito della loro applicazione sono limitati. La tecnologia LPWAN più fiorente è LoRaWAN IoT.
Segmentazione del mercato per IoT
In base ai requisiti di larghezza di banda, IoT è diviso in tre segmenti di mercato:
- Elevata larghezza di banda: Per applicazioni che richiedono sicurezza, trasmissione dati bulk ad alta larghezza di banda o streaming audio e video in tempo reale, cellulare (LTE, GSM) è un'opzione di rete comune. I sistemi di protezione e monitoraggio sono esempi di casi d'uso. A causa della durata della batteria più breve, queste reti utilizzano la larghezza di banda concessa in licenza per un servizio di maggiore potenza, sono più costosi da gestire, e di solito necessitano di fonti di alimentazione locali per i dispositivi finali.
- Larghezza di banda media: Zigbee e WiFi sono adatti per un'ampia varietà di applicazioni per la casa intelligente, mentre le varianti in scala di LTE (Cat-M1 e NB-IoT) sono più adatti per applicazioni ad ampio raggio.
- Bassa larghezza di banda: La struttura a basso costo della tecnologia LPWAN(LoRaWAN IoT) permette di conquistare verticali che coinvolgono il lungo raggio, dati limitati, e lunga durata della batteria. Controllo del sensore, misurazione remota, utilità intelligenti, irrigazione, monitoraggio delle risorse, e il monitoraggio ambientale sono esempi di queste applicazioni
LoRa (Lungo raggio)
I dispositivi LoRaWAN e il protocollo LoRaWAN accessibile consentono il funzionamento intelligente delle applicazioni IoT che affrontano alcuni dei problemi più urgenti del mondo, compreso l'accumulo di energia, conservazione delle risorse naturali, protezione dall'inquinamento, affidabilità dell'infrastruttura, preparazione al disastro, e altro ancora. I sistemi LoRa di Semtech e il protocollo LoRaWAN hanno una lunga lista di applicazioni nello smart metering, case intelligenti, catena di fornitura e logistica intelligenti, città intelligenti, agricoltura intelligente, e altre aree.
È importante notare che LoRa non è di per sé un'implementazione LPWAN. Il chip che consente la modulazione è noto come LoRa. In qualsiasi configurazione di rete, è necessario un livello MAC per configurare una rete. La LoRa Alliance mantiene il livello MAC LoRaWAN che è sinonimo di chip LoRa. Mentre il termine LoRa è spesso usato per applicarsi all'intero protocollo, questo documento utilizzerebbe una descrizione rigorosa di LoRa per distinguere Symphony Link di Link Labs, che utilizza uno strato MAC proprietario sopra un chip LoRa.
LoRaWAN
La specifica LoRaWAN IoT è un tipo di tecnologia LoRa che utilizza una rete WAN a bassa potenza (LPWAN) protocollo. Il protocollo LoRaWAN utilizza lo spettro radio nel Medical (ISM) Industriale, e banda scientifica per collegare in modalità wireless roba a batteria a Internet in stato, nazionale, o reti globali. Il protocollo LoRaWAN insieme ai parametri del livello fisico LoRa da dispositivo a infrastruttura sono specificati in questa specifica, che consente un'interoperabilità fluida tra i dispositivi.
Infrastruttura di rete LoRaWAN
Nell'architettura di rete LoRaWAN IoT, che è implementato in una topologia stella-stella, i gateway trasmettono messaggi tra i dispositivi finali e un processore di rete centrale. Il livello fisico LoRa utilizza il wireless per sfruttare il lungo raggio, abilitare un punto di comunicazione unico tra un dispositivo finale e uno o più gateway. La connettività bidirezionale è possibile in entrambi i tipi, e i gruppi multicast sono supportati per un uso efficace dello spettro durante attività come Firmware Over The Air (FOTO) aggiornamenti o altri messaggi di consegna di massa.
Dispositivi finali
Per costruire dispositivi finali che si legheranno alle reti LoRaWAN IoT, i produttori di computer dipenderanno dagli standard e dai programmi di qualificazione di LoRa Alliance. Possono anche raggiungere un time-to-market più rapido utilizzando offerte consolidate di Reference Design offerte da determinati fornitori, sulla base della loro esperienza in LoRa nelle reti IoT, per incorporare efficacemente la rete LoRaWAN nel loro design, nonché ottenere le migliori pratiche per la comunicazione informatica e lo scambio di dati in rete.
Rete radiofonica
Gateway IoT LoRaWAN, che può ospitare molti sensori e consentire implementazioni di reti private e pubbliche, può essere utilizzato ovunque. I gateway consentono la comunicazione bidirezionale e possono elaborare messaggi da un gran numero di dispositivi terminali basati su LoRa contemporaneamente. Poiché i gateway LoRa sono meno costosi delle stazioni base cellulari, espandere la larghezza di banda della rete è semplice come installare più gateway. I gateway possono accettare qualsiasi cosa da 8 a 64 canali, consentendo a una rete di gestire milioni di messaggi ogni giorno. L'efficienza della rete radio (copertura, robustezza, prestazione, uptime, e affidabilità) è direttamente proporzionale alla qualità dei gateway.
Rete centrale
Il server di rete IoT LoRaWAN (LNS) può essere installato in loco o ospitato su piattaforme cloud. Dirige i pacchetti ottenuti da diversi gateway a un server delle applicazioni dopo averli elaborati. Per implementare e gestire una rete IoT LoRaWAN ad alte prestazioni, avrai bisogno di potenti risorse per monitorare, personalizzare, controllo, e risolvere i problemi dei gateway, oltre ad assegnare la QoS . di rete desiderata. Alcuni fornitori forniscono una gamma completa di strumenti di gestione, chiamato Sistema di supporto alle operazioni (noi), basato sull'esperienza della rete cellulare, per orchestrare efficacemente l'intera rete in tempo reale e garantirne la perfetta disponibilità per l'elaborazione di dati mission-critical.
Server applicazioni
Le API possono essere utilizzate per unire le funzionalità di Radio Access Network direttamente nei repository e nei dashboard delle applicazioni, semplificando la configurazione e la gestione di una rete LoRa e IoT. Gli imprenditori dovrebbero espandere la capacità del server delle applicazioni con servizi a valore aggiunto come l'accesso ai dispositivi finali o la geolocalizzazione, oltre a creare servizi innovativi che producono fonti di entrate incrementali, per sfruttare al meglio la tecnologia radio e di rete centrale.
Classi di dispositivi
LoRaWAN IoT utilizza tre classi di dispositivi nella comunicazione a lungo raggio.
Classe A (obbligatorio per tutti).
I dispositivi di classe A aprono due brevi finestre di tempo di ricezione dopo ogni trasmissione (designato come RX1 e RX2).
È possibile configurare gli intervalli dalla fine della trasmissione all'apertura della prima e della seconda finestra temporale, ma deve essere lo stesso per tutti i dispositivi nella rete data (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). I canali di frequenza utilizzati e le velocità di trasmissione per gli slot RX1 e RX2 possono differire. I valori consigliati sono forniti in un documento separato - "LoRaWAN Regional Parameters" disponibile sul sito web di LoRa Alliance.
I dispositivi di classe A sono il consumo energetico più basso, ma per trasferire un messaggio dal server al dispositivo finale, devi attendere il prossimo messaggio in uscita da questo dispositivo.
Classe B (Faro)
Oltre alle finestre di ricezione definite per i dispositivi di Classe A, I dispositivi di classe B aprono finestre di ricezione aggiuntive in base a una pianificazione. Per sincronizzare gli orari di apertura di ulteriori, ricevere finestre, i gateway emettono beacon. Tutti i gateway che fanno parte della stessa rete devono emettere beacon contemporaneamente. Il beacon contiene un identificatore di rete e un timestamp (UTC).
L'uso della classe B garantisce che durante il polling degli endpoint, il ritardo di risposta non supererà un certo importo determinato dal periodo dei beacon.
Classe C (Continuo)
I dispositivi di classe C sono quasi sempre in modalità di ricezione, ad eccezione degli intervalli in cui trasmettono messaggi. Tranne la finestra temporale RX1, il terminale utilizza i parametri di ricezione RX2.
La classe C può essere utilizzata dove non è necessario risparmiare energia con tutte le sue forze (contatori elettrici) o dove è necessario interrogare i dispositivi terminali in tempi arbitrari.
Copertura regionale
Velocità dati
Selezionando velocità dati, creerai un complesso compromesso tra il raggio di contatto e la durata del messaggio. per di più, la tecnologia a spettro esteso garantisce che la connettività con più DR non sia in conflitto tra loro, risultando in una serie di canali di "codice" interattivi che aumentano il throughput del gateway. Il server di rete LoRaWAN utilizza un Adaptive Data Rate (ADR) schema per monitorare l'impostazione DR e la capacità di uscita RF per ciascun endpoint in modo indipendente per ottimizzare la durata della batteria dell'endpoint e la larghezza di banda totale della rete.
Sicurezza
Autenticazione dei dispositivi:
Esistono due tecniche di verifica supportate da LoRa.
- Attivazione personalizzata ABP – qui, L'indirizzo DevAddr e le chiavi di crittografia vengono scritte nel gadget in anticipo (personalizzazione del dispositivo))
Chiavi di rete e di sessione del programma, nonché un indirizzo di rete del computer a 32 bit preassegnato, sono usati per configurare i dispositivi, simile all'allocazione dell'indirizzo IP statico.
- Attivazione via etere (OTAA) (richiede una procedura congiunta, durante il quale vengono creati l'indirizzo DevAddr e le chiavi di crittografia della sessione).
L'OTAA consente ai dispositivi di inviare una richiesta di comunicazione a un server di rete, che poi autentica il computer e gli assegna un indirizzo e un token per ottenere le chiavi di sessione. Le chiavi di rete e di sessione dell'applicazione sono derivate durante la procedura di connessione dalla chiave pubblica dell'applicazione precedentemente fornita sul dispositivo.
Parametri
La larghezza di banda non ha alcun impatto sulla frequenza del chirp di LoRa. Il tasso di chirp è, in verità, proporzionale alla larghezza di banda. Dato che un simbolo LoRa è composto da trilli 2SF che coprono l'intera banda di frequenza (SF indica il fattore di diffusione log2), l'interazione tra l'ampiezza del chirp e la larghezza di banda ha molte implicazioni:
Formato
Per inoltrare frame fisici, LoRa utilizza una struttura di base:
Ogni messaggio inizia con un preambolo up-chirp che codifica una parola di sincronizzazione coprendo l'intera banda di frequenza. Il termine “sync” distingue la rete LoRa da quelle che operano nella stessa gamma di frequenze.
L'intestazione facoltativa specifica la dimensione del payload, tasso di codice, e se è presente o meno un CRC del carico utile.
L'intestazione è seguita dal payload e da un CRC opzionale.
Opzioni della tecnologia LPWAN
Il crescente utilizzo di LoRa per l'Internet of Things sta influenzando, alterare, e gestire il nostro mondo intorno a noi. Questa tecnologia ha consentito progressi significativi nel rapido scambio di dati affidabili, e ha portato a un aumento della produttività per le organizzazioni che vanno dalle piccole imprese alle grandi città. La parte seguente discute l'importanza della tecnologia LoRa.
La tecnologia LoRa guida l'uso globale dell'IoT
È come se la tecnologia IoT stesse maturando, e ci sono una serie di ragioni per cui le reti basate su LoRa stanno diventando sempre più la rete preferita dai progettisti che lavorano su una varietà di applicazioni IoT all'avanguardia. Certo, affidabilità, sicurezza, e la scalabilità sono importanti, ma la capacità della tecnologia di operare su distanze fino a 20 chilometri mentre si utilizza una frazione della potenza richiesta da altre piattaforme è anche interessante. Queste caratteristiche rendono LoRa ideale per la trasmissione di dati bidirezionale in edifici intelligenti, città intelligenti, e anche tra paesi, e consentiranno all'IoT di svolgere un ruolo sempre più importante nella vita di quasi tutti.
Vantaggi di LoRaWAN
- Elevata portata del segnale radio - fino a 30 km in aree aperte e fino a 8 km in città.
- Capacità di penetrazione unica del segnale radio: fornisce una comunicazione stabile in luoghi difficili da raggiungere: pozzi, scantinati, burroni, eccetera.
- Bassissimo consumo energetico: consente al dispositivo di rimanere online fino a 10 anni da una batteria:
- 200nA in modalità standby
- 11 mA in modalità di ricezione (Rx)
- 40Trasmissione mA (Tx) (+ 14dBm)
- Comunicazione bidirezionale: fornisce un'interazione completa con i dispositivi, permette non solo di prendere letture, ma anche trasmettere comandi di controllo.
- Aggiornamento software remoto: consente il flashing remoto del software dei dispositivi terminali.
- Elevata sicurezza della trasmissione dei dati – grazie alla crittografia a 128 bit delle informazioni in tempo reale e allo scambio di chiavi (AES), utilizzando il protocollo crittografico TLS.
- L'uso delle moderne tecnologie DSP, così come le capacità di ottimizzazione incorporate nel protocollo LoRaWan, garantire il funzionamento fino a 1 milioni di dispositivi nella rete di una stazione base (5000 pezzi per 1 quadrato. Km per una stazione base)
- Funzionamento nelle gamme di frequenza 433 e 868 MHz – non richiede permessi speciali per lavorare in rete.
Svantaggi di LoRaWAN
- Larghezza di banda relativamente bassa, varia a seconda della tecnologia di trasmissione dati utilizzata a livello fisico, che vanno da diverse centinaia di bit / s a diverse decine di kbit/s.
- Il ritardo nella trasmissione dei dati dal sensore all'applicazione finale, associato al tempo di trasmissione del segnale radio, può variare da pochi secondi a diverse decine di secondi.
- Mancanza di un unico standard che definisca il livello fisico e il controllo dell'accesso ai media per le reti LPWAN wireless.
- Rischi di rumore dello spettro nella gamma di frequenza senza licenza.
- Tecnologia di modulazione LoRa proprietaria, brevettato da Semetech.
- Limitazione della potenza del segnale.
Applicazioni IoT LoRaWAN
- Acqua&Misurazione del gas
- Sistemi Smart Home
- Rilevamento perdite
- Monitoraggio ambientale
- Monitoraggio dei trasporti
- Energia intelligente
- Gestione dei rifiuti
- Sicurezza pubblica
- Parcheggio intelligente
- Controllo dell'illuminazione
- Estrazione di petrolio e gas
- Localizzazione
- Agricoltura intelligente
- Bestiame
- Precauzione in caso di catastrofe
Le sfide del 5G
A causa del suo ritmo impareggiabile e della potenza del segnale, 5La tecnologia G sta guadagnando popolarità. Consentirebbe ai dispositivi connessi di condividere dati fino a 50% più veloce e in pezzi molto più grandi, aprendo la strada a una rivoluzione in tutti i settori.
Per creare una rete 5G in un determinato luogo, reti specifiche devono essere costruite da zero. Nonostante il 5G venga prima del 4G, ha bisogno di router moderni, reti in tessuto, e torri trasmittenti.
Questa infrastruttura è costosa e richiede molto tempo per l'installazione. Secondo la Commissione Europea, portare il 5G in qualsiasi città in Europa costerebbe 500 miliardi di euro.
per di più, clienti e fornitori sono stati finora tiepidi per quanto riguarda le tecnologie 5G a causa dei suoi effetti previsti sulla salute umana.
Perché LoRaWAN IoT può sostituire la rete 5G per IoT
LoRa/LoRaWAN eseguirà gran parte delle stesse attività del 5G, anche se a un ritmo più lento e meno costoso. È dubbio che utilizzerai LoRa per inviare video o audio. La velocità di LoRa è compresa tra 0.3 e 27 kilobit al secondo, che assicura che la trasmissione di un'immagine richieda molte ore e lo streaming di un video impiegherà decenni.
LoRa, d'altra parte, ha molte altre applicazioni.
Il sistema è stato creato per sensori industriali IoT, non per l'elettronica di consumo. È usato per inviare piccoli pacchetti di dati (in giro 240 byte) e non ha uno stack IP di rete. Di conseguenza, LoRa trasmetterà la temperatura, umidità, vibrazione, illuminazione, e altri dettagli correlati.
Che ne dici di NB-IoT?
IoT a banda stretta (NB-IoT) le reti sono utilizzate da alcuni computer abilitati a LoRa. NB-IoT è una rete WAN a bassa potenza (LPWAN) specifica stabilita dalle stesse organizzazioni che hanno prodotto i protocolli 4G e 5G.
Per dirla in un altro modo, questa è una tecnologia cellulare che:
- lavora in tandem con LoRaWAN
- è utilizzato da smartphone abilitati 4G
- Una volta che il 5G è facilmente accessibile, può continuare ad essere utilizzato per un po' di tempo.
- ha anche una larghezza di banda maggiore rispetto a LoRa come tecnologia cellulare.
NB-IoT non richiederebbe la costruzione di alcune infrastrutture specifiche; richiede solo l'installazione di applicazioni. Di conseguenza, una rete come questa si espanderà rapidamente per raggiungere milioni di utenti. però, rispetto ai sistemi LoRa, la quantità di tali dispositivi è molto più piccola.
Il più grande difetto è che NB-IoT consuma molta elettricità, che fa sì che le batterie della batteria si esauriscano rapidamente.
NB-IoT dipende dalla crittografia hop-by-hop, che sta diventando sempre più antiquato, mentre LoRaWAN utilizza la crittografia end-to-end, che è un nuovo meccanismo del protocollo di sicurezza.
Il futuro di LoRaWAN
AWS LoRaWAN IoT è il futuro di LoRaWAN. AWS unisce LoRa e IoT per formare un'unica piattaforma cloud gestibile. Tramite gateway LoRaWAN, I dispositivi LoRaWAN si connettono con AWS IoT Core. Le regole AWS IoT invieranno messaggi di sistema LoRaWAN ad altre risorse AWS e li elaboreranno per formattare i risultati.
I servizi e le policy di sistema di cui AWS IoT Core ha bisogno per controllare e connettersi con i gateway e i dispositivi LoRaWAN sono gestiti da LoRaWAN AWS IoT Core. Anche le destinazioni che definiscono le regole AWS IoT che inviano i dati di sistema ad altri provider sono gestite da LoRaWAN IoT Core.
La storia dello sviluppo di LoRaWAN
LoRa è uno spettro diffuso di frequenza brevettato. In 2008, La società francese Cycleo ha brevettato la tecnologia, e in 2012 Semtech l'ha comprato. Da quel momento in poi, LoRaWAN è decollato. Semtech è riuscita a catturare l'attenzione di IBM e Cisco nella nuova tecnologia, che in seguito è entrata nella LoRa Alliance.
LoRaWAN (Reti geografiche a lungo raggio) viene distribuito nello spettro di frequenze senza licenza.
I dispositivi nella rete LoRaWAN trasmettono in modo asincrono i dati da inviare al gateway. Diversi gateway che ricevono queste informazioni inviano quindi pacchetti di dati a un server centralizzato sulla rete, e da lì ai server delle applicazioni.
La LoRa Alliance è quella che controlla il protocollo in tutto il mondo. L'alleanza riunisce oltre 500 aziende hardware e software e operatori LoRaWAN.
I servizi di comunicazione LoRaWAN sono forniti da 42 operatori in più di 250 città di tutto il mondo.
Come funziona LoRaWAN
IL "LoRa IoT" (un canale che collega i dispositivi finali al punto di accesso dell'operatore), costruito utilizzando la tecnologia LoRaWAN, può essere caratterizzato da tre caratteristiche: "lontano, autonomo per un lungo periodo di tempo, ed economico”.
Le reti LoRaWAN hanno un'elevata velocità di implementazione (da due giorni) e semplice messa in servizio. La topologia a stella crea un ampio raggio di copertura per ogni stazione base ed elimina le apparecchiature intermedie.
Grazie all'ADR (Velocità dati di sintonizzazione automatica) modalità, i terminali sono attivi solo durante il trasferimento dei dati. Questo, accoppiato con la bassa potenza del trasmettitore stesso, consente al dispositivo di funzionare autonomamente fino a 10 anni da una batteria, oltre ad aumentare il numero di dispositivi che comunicano con una stazione base e scalare la rete.
Il basso costo delle stazioni base e dei nodi finali consente di implementare alcune soluzioni fino a 10 volte più economico rispetto ai sistemi a bassa corrente come ZigBee o GSM / GPRS.
LoRa è uno standard aperto, e questo evita il monopolio e la dipendenza da specifici produttori di apparecchiature. Un altro vantaggio dell'apertura è l'unione di sviluppatori e produttori che utilizzano questa tecnologia in un'alleanza, che gli consente di svilupparlo e promuoverlo in modo più rapido ed efficiente.
Per queste caratteristiche, LoRaWAN è ideale per sistemi con elevati requisiti di stabilità della comunicazione su lunghe distanze e basso consumo energetico, consentendo ai dispositivi finali di funzionare in modo autonomo e senza ricarica per lungo tempo. così, è possibile assemblare vari tipi di dispositivi in un unico sistema – lampioni, dispositivi di misura dei consumi delle abitazioni e dei servizi comunali (elettricità, acqua, gas, calore), una flotta di veicoli (controllo del movimento, consumo di carburante), dispositivi di sicurezza (controllo di accesso), eccetera. , oltre a creare soluzioni fondamentalmente nuove nel campo dei servizi di comunicazione, monitoraggio, telematica, telemeccanica, spedizione, ASKUE, APCS, sistemi smart home e smart city, eccetera.
Distribuzione LoRaWAN
LoRaWAN è generalmente distribuito in uno spettro senza licenza, consentendo a tutti di costruire una rete IoT/LPWAN basata su LoRaWAN. Di conseguenza, sono possibili tre modelli di implementazione:
Basato sull'operatore: Sotto questo modello convenzionale, un operatore investe nella costruzione di una rete nazionale e fornisce solo servizi di connettività ai propri abbonati.
Basato sull'impresa: Poiché LoRaWAN opera in uno spettro senza licenza e i gateway sono relativamente economici e semplici da installare, questo modello consente ai clienti commerciali di creare la propria rete privata.
Modello ibrido: Grazie al suo design aperto, LoRaWAN è il paradigma ibrido più intrigante, che non è fattibile o difficile in altre tecnologie rivali LPWA o Cellular IoT (a causa dello spettro concesso in licenza). Dentro 3GPP, ci sono progetti come CBRS, tuttavia sono ancora in lavorazione e lungi dall'essere pronti per implementazioni IoT su larga scala. Questo modello consente una collaborazione pubblico-privato per condividere le spese e le vendite della rete, continuando a densificare la rete in cui le app e i servizi sono più diffusi. Poiché diversi gateway accetteranno messaggi LoRaWAN, e il server di rete elimina la ridondanza, questo modello è possibile. In situazioni in cui la rete è gestita da più operatori/imprese, la LoRa Alliance ha già accettato un'architettura di roaming che consente agli operatori di condividere la rete. Questo modello riduce la spesa dell'operatore pur fornendo un modello di business trasformativo per l'implementazione della capacità IoT dove è più richiesta. Illustriamo come il potenziale di LoRaWAN si ridimensiona in modo significativo con la densità del gateway nella sezione finale del documento.
