LPWAN は LoRaWAN IoT の基本概念です
LPWAN IoT業界を支配している. 名前が示すように, LPWANは、モノのインターネットの2つのメトリックを最適化することを目的としたワイヤレス標準のグループです。:
- 低消費電力 – sensors and IoT devices need to constantly transmit data, しかし、それらへのアクセスはしばしば困難です. そのため、バッテリー寿命をできるだけ長くすることが重要です;
- 広いカバレッジエリア – for IoT devices to be useful, 彼らはどこからでも通信できなければなりません, 必要な場所ならどこでも, 産業および農業施設を含む, 多くの場合、データ処理の場所から離れています。.
LPWAN規格は、ワイヤレスパーソナルエリアネットワークとは異なります (PAN) などの技術 Zigbee, ブルートゥース, その他. 後者はモノのインターネットに使用できますが, それらの適用範囲と範囲は限られています. 最も繁栄しているLPWANテクノロジーはLoRaWANIoTです.
IoTのマーケットセグメンテーション
帯域幅要件に基づく, IoTは3つの市場セグメントに分かれています:
- 高帯域幅: 安全性が必要なアプリケーション向け, 高帯域幅のバルクデータ送信またはリアルタイムのオーディオおよびビデオストリーミング, セルラー (LTE, GSM) 一般的なネットワークオプションです. 保護および監視システムはユースケースの例です. バッテリー寿命が短いため, これらのネットワークは、より高い電力サービスのためにライセンスされた帯域幅を使用します, 実行するのにより高価です, 通常、エンドデバイス用のローカル電源が必要です.
- 中帯域幅: ZigbeeとWiFiは、さまざまなスマートホームアプリケーションに適しています, LTEのスケーリングされたバリアント (Cat-M1およびNB-IoT) 広域アプリケーションにより適しています.
- 低帯域幅: LPWANテクノロジーの低コスト構造(LoRaWAN IoT) 長距離を含む垂直を征服することができます, 限られたデータ, と長いバッテリー寿命. センサー制御, リモートメータリング, スマートユーティリティ, 灌漑, 資産管理, および環境モニタリングは、これらのアプリケーションの例です。
LoRa (長距離の)
LoRaWAN devices and the accessible LoRaWAN protocol allow smart operation of IoT applications that address some of the world’s most pressing issues, エネルギー貯蔵を含む, 天然資源保護, 汚染防止, インフラストラクチャの信頼性, 災害への備え, もっと. Semtech’s LoRa systems and the LoRaWAN protocol have a long list of applications in smart metering, スマートホーム, スマートサプライチェーンとロジスティクス, スマートタウン, スマート農業, およびその他の分野.
It’s important to note that LoRa isn’t an LPWAN implementation in itself. 変調を可能にするチップはLoRaとして知られています. どのネットワーク設定でも, ネットワークを設定するにはMAC層が必要です. LoRa Allianceは、LoRaチップと同義のLoRaWANMACレイヤーを維持しています. LoRaという用語は、プロトコル全体に適用するためによく使用されますが, this document would use a strict description of LoRa to distinguish Link Labs’ Symphony Link, LoRaチップ上に独自のMAC層を使用します.
LoRaWAN
LoRaWAN IoT仕様は、低電力の広域ネットワーキングを使用するLoRaテクノロジーの一種です。 (LPWAN) プロトコル. LoRaWANプロトコルは、医療の無線スペクトルを使用します (ISM) インダストリアル, 電池式のものを州内のインターネットにワイヤレスでリンクする科学バンド, 全国, またはグローバルネットワーク. この仕様では、LoRaWANプロトコルとデバイスからインフラストラクチャへのLoRa物理層パラメータが指定されています。, これにより、デバイス間のスムーズな相互運用が可能になります.
LoRaWANネットワークインフラストラクチャ
LoRaWANIoTネットワークアーキテクチャ, スタースタートポロジで実装されています, ゲートウェイは、エンドデバイスと中央ネットワークプロセッサ間でメッセージを送信します. LoRa物理層は、ワイヤレスを使用して長距離を利用します, エンドデバイスと1つ以上のゲートウェイ間のシングルポイント通信を可能にする. 双方向接続は両方のタイプで可能です, およびマルチキャストグループは、Firmware Over TheAirなどのタスク中にスペクトルを効果的に使用するためにサポートされています。 (写真) 更新またはその他の大量配信メッセージ.
エンドデバイス
LoRaWANIoTネットワークにバインドするエンドデバイスを構築するには, コンピューターメーカーは、LoRaAllianceの標準と認定プログラムに依存します. また、特定のベンダーが提供する確立されたリファレンスデザイン製品を使用することで、市場投入までの時間を短縮できます。, IoTネットワークでのLoRaでの経験に基づく, LoRaWANネットワーキングを設計に効果的に組み込むため, また、ネットワーク上でのコンピュータ通信とデータ交換のベストプラクティスを取得します.
無線ネットワーク
LoRaWANIoTゲートウェイ, これは多くのセンサーに対応でき、プライベートおよびパブリックネットワークの展開を可能にします, どこでも使用できます. ゲートウェイは双方向通信を可能にし、多数のLoRaベースのセンサーエンドデバイスからのメッセージを同時に処理できます. LoRaゲートウェイはセルラー基地局よりも安価であるため, ネットワーク帯域幅の拡張は、ゲートウェイを追加するのと同じくらい簡単です。. ゲートウェイはから何でも受け入れることができます 8 に 64 チャネル, ネットワークが毎日何百万ものメッセージを処理できるようにする. 無線ネットワークの効率 (カバレッジ, 堅牢性, パフォーマンス, 稼働時間, と信頼性) is directly proportional to the gateways’ quality.
中央ネットワーク
LoRaWANIoTネットワークサーバー (LNS) オンサイトにインストールすることも、クラウドプラットフォームでホストすることもできます. 複数のゲートウェイから取得したパケットを処理した後、アプリケーションサーバーに転送します。. 高性能のLoRaWANIoTネットワークを展開して運用するには, you’ll need powerful resources to track, カスタマイズ, コントロール, ゲートウェイのトラブルシューティング, 必要なネットワークQoSを授与するだけでなく. 一部のプロバイダーは、包括的な範囲の管理ツールを提供しています, 運用支援システムと呼ばれる (我ら), セルラーネットワークの専門知識に基づく, ネットワーク全体をリアルタイムで効果的に調整し、ミッションクリティカルなデータ処理のための完全な可用性を保証します.
アプリケーションサーバー
APIを使用して、無線アクセスネットワークの機能をアプリケーションリポジトリとダッシュボードに直接マージできます。, LoRaおよびIoTネットワークのセットアップと管理を容易にします. ビジネスオーナーは、エンドデバイスアクセスやジオロケーションなどの付加価値サービスでアプリケーションサーバーの機能を拡張する必要があります, 増分収益源を生み出す革新的なサービスを作成するだけでなく, 無線およびコアネットワークテクノロジーを最大限に活用する.
デバイスクラス
LoRaWAN IoTは、長距離通信で3つのクラスのデバイスを使用します.
クラスA (すべてに必須).
クラスAデバイスは、各送信後に2つの短い受信時間ウィンドウを開きます (RX1およびRX2として指定).
送信の終了から1回目と2回目のウィンドウの開始までの間隔を構成できます, ただし、特定のネットワーク内のすべてのデバイスで同じである必要があります (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). RX1スロットとRX2スロットで使用される周波数チャネルと伝送速度は異なる場合があります. Recommended values are given in a separate document – “LoRaWAN Regional Parameters” available on the LoRa Alliance website.
クラスAデバイスは最低の消費電力です, ただし、サーバーからエンドデバイスにメッセージを転送するには, このデバイスからの次の送信メッセージを待つ必要があります.
クラスB (ビーコン)
クラスAデバイス用に定義された受信ウィンドウに加えて, クラスBデバイスは、スケジュールに従って追加の受信ウィンドウを開きます. 追加の営業時間を同期するには, 窓を受け取る, ゲートウェイはビーコンを発します. 同じネットワークの一部であるすべてのゲートウェイは、同時にビーコンを発信する必要があります. ビーコンには、ネットワーク識別子とタイムスタンプが含まれています (UTC).
クラスBを使用すると、エンドポイントをポーリングするときに確実になります, 応答遅延は、ビーコンの期間によって決定される特定の量を超えることはありません.
クラスC (継続的)
クラスCデバイスは、ほぼ常に受信モードになっています, メッセージを送信する間隔を除いて. RX1タイムウィンドウを除く, 端末はRX2受信パラメータを使用します.
クラスCは、全力でエネルギーを節約する必要がない場合に使用できます。 (電気メーター) または、任意の時間に端末デバイスをポーリングする必要がある場合.
地域カバレッジ
データレート
データレートを選択する, 連絡範囲とメッセージ期間の間に複雑なトレードオフが発生します. さらに, スペクトラム拡散技術により、複数のDRとの接続が互いに競合しないことが保証されます, resulting in a series of interactive “code” channels that boost the gateway’s throughput. LoRaWANネットワークサーバーは適応データレートを使用します (ADR) エンドポイントのバッテリー寿命と総ネットワーク帯域幅を最適化するために、各エンドポイントごとにDR設定とRF出力容量を個別に監視するスキーム.
安全
デバイスの認証:
LoRaでサポートされている2つの検証手法があります.
- Personalized activation ABP – here, DevAddrアドレスと暗号化キーは早い段階でガジェットに書き込まれます (デバイスのパーソナライズ))
ネットワークおよびプログラムセッションキー, また、事前に割り当てられた32ビットのコンピュータネットワークアドレス, デバイスの構成に使用されます, 静的IPアドレスの割り当てに似ています.
- 無線によるアクティベーション (OTAA) (共同手続きが必要, その間にDevAddrアドレスとセッション暗号化キーが作成されます).
OTAAを使用すると、デバイスは通信要求をネットワークサーバーに送信できます, 次に、コンピューターを認証し、セッションキーを取得するためのアドレスとトークンをコンピューターに割り当てます。. ネットワークおよびアプリケーションセッションキーは、接続手順中に、デバイスで以前にプロビジョニングされたパブリックアプリケーションキーから取得されます.
パラメーター
帯域幅はLoRaチャープレートとは関係ありません. チャープ率は, 実は, 帯域幅に比例します. LoRaシンボルは、周波数帯域全体をカバーする2SFチャープで構成されていると仮定します。 (SFはlog2拡散係数を示します), チャープ振幅と帯域幅の間の相互作用には多くの影響があります:
フォーマット
物理フレームを中継するには, LoRaは基本構造を採用しています:
各メッセージは、周波数帯域全体をカバーすることによって同期ワードをエンコードするアップチャーププリアンブルで始まります. The term “sync” distinguishes the LoRa network from those operating in the same frequency range.
オプションのヘッダーはペイロードサイズを指定します, コードレート, ペイロードCRCが存在するかどうか.
ヘッダーの後にはペイロードとオプションのCRCが続きます.
LPWANテクノロジーオプション
モノのインターネットでのLoRaの使用の増加が影響を及ぼしています, 変更する, そして私たちの周りの私たちの世界を管理します. このテクノロジーにより、信頼性の高いデータの迅速な交換が大幅に進歩しました。, 中小企業から大都市に至るまでの組織の生産性が向上しました. 以下の部分では、LoRaテクノロジーの重要性について説明します.
IoTのグローバルな使用を推進するLoRaテクノロジー
It’s as if IoT technology is maturing, また、LoRaベースのネットワークがさまざまな最先端のIoTアプリケーションに取り組む設計エンジニアにとってますます好まれるネットワークになっている理由はさまざまです。. もちろん, 信頼性, 安全, とスケーラビリティが重要です, but the technology’s ability to operate over distances of up to 20 他のプラットフォームに必要な電力の一部を使用しながらキロメートルも魅力的です. これらの特性により、LoRaはスマートビルディング間での双方向データ伝送に理想的です。, スマートシティ, そして国の間でさえ, and they will enable IoT to play an increasingly important role in virtually everyone’s lives.
LoRaWANの利点
- High range of radio signal – up to 30 オープンエリアと最大でkm 8 市内のキロ.
- Unique penetrating ability of radio signal – provides stable communication in hard-to-reach places: 井戸, 地下室, 峡谷, NS.
- Ultra-low power consumption – allows the device to stay online for up to 10 1つのバッテリーから数年:
- 200スタンバイモードのnA
- 11 受信モードでのmA (処方箋)
- 40mA送信 (Tx) (+ 14dBm)
- Bidirectional communication – provides full interaction with devices, 読書だけでなく, 制御コマンドの送信も.
- Remote software update – allows remote flashing of terminal devices software.
- High security of data transmission – is made due to 128-bit encryption of information in real time and key exchange (AES), TLS暗号化プロトコルを使用する.
- 最新のDSPテクノロジーの使用, LoRaWanプロトコルに組み込まれている最適化機能も同様です, 最大の動作を保証します 1 1つの基地局のネットワーク内の100万台のデバイス (5000 1個あたり 1 平方. 1つの基地局のKm)
- 周波数範囲での動作 433 と 868 MHz – does not require special permits to work in the network.
LoRaWANのデメリット
- 比較的低い帯域幅, 物理層で使用されるデータ伝送技術によって異なります, 数百ビットの範囲 / sから数十kbit / s.
- センサーから最終アプリケーションへのデータ送信の遅延, 無線信号の送信時間に関連付けられています, 数秒から数十秒の範囲である可能性があります.
- ワイヤレスLPWANネットワークの物理層とメディアアクセス制御を定義する単一の標準の欠如.
- ライセンスのない周波数範囲でのスペクトルノイズのリスク.
- 独自のLoRa変調技術, Semetechが特許を取得.
- 信号強度の制限.
LoRaWANIoTアプリケーション
- 水&ガスメータリング
- スマートホームシステム
- リーク検出
- 環境モニタリング
- 輸送の監視
- スマートエネルギー
- 廃棄物管理
- 公安
- スマートパーキング
- 照明の制御
- 石油とガスの採掘
- ロケーショントラッキング
- スマート農業
- 家畜
- 災害予防策
5Gの課題
その比類のないペースと信号強度のため, 5Gテクノロジーが人気を集めています. これにより、接続されたデバイスが最大でデータを共有できるようになります 50% より速くそしてはるかに大きな部分で, すべての業界で革命への道を開く.
特定の場所に5Gネットワークを作成するには, 特定のネットワークをゼロから構築する必要があります. 5Gが4Gの前に来るという事実にもかかわらず, 最新のルーターが必要です, ファブリックネットワーク, と送信機の塔.
このインフラストラクチャはコストがかかり、インストールに多くの時間を必要とします. 欧州委員会によると, bringing 5G to any town and city in Europe would cost €500 billion.
さらに, 顧客とサプライヤーは、人間の健康への影響が規定されているため、これまで5Gテクノロジーに関して冷淡でした。.
LoRaWANIoTがIoTの5Gネットワークに取って代わることができる理由
LoRa / LoRaWANは、5Gとほとんど同じアクティビティを実行します, ゆっくりと安価なペースではありますが. It’s doubtful that you’ll use LoRa to submit video or audio. LoRaの速度は 0.3 と 27 キロビット/秒, これにより、画像の送信には何時間もかかり、ビデオのストリーミングには数十年かかります。.
LoRa, 一方で, 他にもたくさんのアプリケーションがあります.
このシステムは、産業用IoTセンサー用に作成されました, 家庭用電化製品向けではありません. It’s used to send small data packets (その周り 240 バイト) and doesn’t have a network IP stack. 結果として, LoRaは温度を中継します, 湿度, 振動, イルミネーション, およびその他の関連する詳細.
NB-IoTはどうですか
狭帯域IoT (NB-IoT) ネットワークは、特定のLoRa対応コンピューターで使用されます. NB-IoTは低電力の広域ネットワークです (LPWAN) 4Gおよび5Gプロトコルを作成したのと同じ組織によって確立された仕様.
別の言い方をすれば, これはセルラー技術です:
- LoRaWANと連携して動作します
- 4G対応のスマートフォンで使用されます
- 5Gに簡単にアクセスできるようになったら, しばらく使用し続けることができます.
- また、セルラーテクノロジーとしてLoRaよりも高い帯域幅を備えています.
NB-IoTは特定のインフラストラクチャの構築を必要としません; アプリケーションのインストールが必要なだけです. 結果として, このようなネットワークは、数百万のユーザーに到達するために迅速に拡張されます. でも, LoRaシステムと比較して, そのようなデバイスの量ははるかに少ないです.
最大の欠点は、NB-IoTが大量の電力を消費することです, 電池がすぐに切れてしまいます.
NB-IoTはホップバイホップ暗号化に依存しています, ますます時代遅れになっている, LoRaWANはエンドツーエンドの暗号化を利用しています, これは新しいセキュリティプロトコルメカニズムです.
LoRaWANの未来
AWS LoRaWANIoTはLoRaWANの未来です. AWSは、LoRaとIoTを統合して、1つの管理可能なクラウドプラットフォームを形成します. LoRaWANゲートウェイ経由, LoRaWANデバイスはAWSIoTCoreに接続します. AWS IoTルールは、LoRaWANシステムメッセージを他のAWSリソースに送信し、それらを処理して結果をフォーマットします.
AWS IoT CoreがLoRaWANゲートウェイおよびデバイスを制御および接続するために必要なサービスおよびシステムポリシーは、LoRaWAN AWS IoTCoreによって管理されます. システムデータを他のプロバイダーに送信するAWSIoTルールを定義する宛先も、LoRaWAN IoTCoreによって管理されます.
LoRaWANの開発履歴
LoRaは特許取得済みの周波数スペクトラム拡散です. の 2008, フランスの会社Cycleoがこの技術の特許を取得, とで 2012 Semtechが購入しました. その瞬間から, LoRaWANが離陸しました. Semtechは、新しいテクノロジーでIBMとCiscoの注目を集めることに成功しました。, 後にLoRaアライアンスに参加しました.
LoRaWAN (長距離広域ネットワーク) ライセンスフリーの周波数スペクトルで展開されます.
LoRaWANネットワーク内のデバイスは、ゲートウェイに送信されるデータを非同期的に送信します. この情報を受信するいくつかのゲートウェイは、ネットワーク上の中央サーバーにデータパケットを送信します, そこからアプリケーションサーバーへ.
LoRa Allianceは、全世界のプロトコルを管理するものです。. 同盟は結集します 500 ハードウェアおよびソフトウェア会社とLoRaWANオペレーター.
LoRaWAN通信サービスはによって提供されます 42 以上の演算子 250 世界中の都市.
LoRaWANのしくみ
The “LoRa IoT” (a channel connecting end devices to the operator’s access point), LoRaWANテクノロジーを使用して構築, 3つの特徴によって特徴付けることができます: “far, 長期間にわたって自律的, and economical”.
LoRaWANネットワークは展開速度が速い (2日から) 簡単な試運転. スタートポロジは、各基地局に大きなカバレッジ半径を作成し、中間機器を排除します.
ADRのおかげで (データレートの自動調整) モード, エンドデバイスはデータ転送中にのみアクティブになります. これ, 送信機自体の低電力と相まって, デバイスが最大で自律的に機能できるようにします 10 1つのバッテリーから数年, また、1つの基地局と通信するデバイスの数を増やし、ネットワークを拡張します.
基地局とエンドノードの低コストにより、いくつかのソリューションを最大で実装できます。 10 ZigBeeやGSMなどの低電流システムと比較して数倍安い / GPRS.
LoRaはオープンスタンダードです, これにより、特定の機器メーカーへの独占や依存を回避できます。. オープン性のもう1つの利点は、このテクノロジーをアライアンスで使用する開発者とメーカーの統合です。, これにより、開発と宣伝をより迅速かつ効率的に行うことができます.
これらの特性のため, LoRaWANは、長距離での通信の安定性と低消費電力に対する高い要件を持つシステムに最適です。, エンドデバイスが自律的に動作し、長時間再充電する必要がないようにします. したがって, it is possible to assemble various types of devices into a single system – street lights, 住宅および共同サービスの消費のための計量装置 (電気, 水, ガス, 熱), 車両のフリート (動きの制御, 燃費), セキュリティデバイス (アクセス制御), NS. , また、通信サービスの分野で根本的に新しいソリューションを作成します, モニタリング, テレマティクス, テレメカニクス, 発送, 質問する, APCS, スマートホームとスマートシティシステム, NS.
LoRaWANの展開
LoRaWANは通常、ライセンスのないスペクトルで配布されます, 誰もがLoRaWANベースのIoT / LPWANネットワークを構築できるようにします. この結果、3つの実装モデルが可能になります:
オペレーターベース: この従来のモデルの下で, 事業者は全国ネットワークの構築に投資し、加入者にのみ接続サービスを提供します.
エンタープライズベース: LoRaWANはライセンスのないスペクトルで動作し、ゲートウェイは比較的安価でインストールが簡単なため, このモデルにより、商用顧客は独自のプライベートネットワークを設定できます.
ハイブリッドモデル: そのオープンデザインのため, LoRaWANは、最も興味深いハイブリッドパラダイムになります, これは、他のライバルのLPWAまたはセルラーIoTテクノロジーでは実現可能または困難ではありません (ライセンスされたスペクトルによる). 3GPPの内部, CBRSのようなプロジェクトがあります, ただし、それらはまだ作業中であり、大規模なIoT展開の準備ができているとは言えません。. このモデルにより、官民コラボレーションにより、アプリとサービスが最も普及しているネットワークを高密度化しながら、ネットワークの費用と売上を共有できます。. 複数のゲートウェイがLoRaWANメッセージを受け入れるため, ネットワークサーバーは冗長性を排除します, このモデルは可能です. ネットワークが複数の事業者/企業によって運営されている状況, LoRa Allianceは、オペレーターがネットワークを共有できるようにするローミングアーキテクチャをすでに受け入れています。. このモデルは、最も必要とされる場所にIoT機能を展開するための革新的なビジネスモデルを提供しながら、オペレーターの支出を削減します. ペーパーの最後のセクションでは、LoRaWANの可能性がゲートウェイ密度に応じて大幅に拡大する方法を説明します。.
