- LoRaの機能
- LoRaWAN
- LoRaWANネットワークアーキテクチャ
- 1.エンドデバイス
- 2.ゲートウェイ
- 3.ネットワークサーバー
- 4.アプリケーションサーバー
- LoRaWANのセキュリティとプライバシー
- LoRAWANの主な機能
- LoRaの利点
コミュニケーションは、IoTプロジェクトの最も重要な部分の1つです。モノが他の「モノ」(デバイスクラウド/サーバー)と通信する能力は、「モノ」にその名前に「インターネット」を接続する権利を与えるものです。たくさんの通信プロトコルが存在しますが、それぞれに何かが欠けているため、IoTアプリケーションに「完全に適しているわけではありません」。主な問題は、消費電力、範囲/カバレッジ、および帯域幅です。
Zigbee、BLE、WiFiなどのほとんどの通信無線機は短距離であり、3GやLTEなどの他の通信無線機は電力を大量に消費し、特に発展途上国ではそのカバレッジエリアの範囲を保証できません。これらのプロトコルと通信モードは特定のプロジェクトで機能しますが、次のような広範な制限があります。セルラー(GPRS、EDGE、3G、LTE / 4G)カバレッジのないエリアにIoTソリューションを展開することの難しさと、デバイスのバッテリー寿命の大幅な短縮。したがって、IoTの未来と、あらゆる場所にあるあらゆる種類の「モノ」の接続を想定して、特に低電力、非常に長距離の要件をサポートするIoT向けの通信メディアが必要でした。 、安価で、安全で、導入が簡単です。これがLoRaの出番です。
LoRa(Long Rangeの略)は、超低消費電力と効果的な長距離を組み合わせた特許取得済みの無線通信技術です。範囲は環境と考えられる障害物(LOSまたはN-LOS)に大きく依存しますが、LoRaの範囲は通常13〜15Kmです。つまり、単一のLoRaゲートウェイで都市全体をカバーでき、さらに2、3個で全体をカバーできます。国。技術はフランスでCycleoによって開発され、同社は2012年にセムテックに買収されたとき、私たちが使用前面に来たのArduinoとLORAモジュールをとラズベリーパイにし、期待どおりに働きました。
LoRaの機能
LoRa無線は、長距離の実効電力と低コストを実現するのに役立ついくつかの機能で構成されています。これらの機能には次のものがあります。
- 変調技術
- 周波数
- 適応データレート
- 適応電力レベル
変調
Lora無線は、チャープスペクトラム拡散変調技術を使用して、FSK変調物理層ベースの無線と同様の低電力特性を維持しながら、非常に高い通信範囲を実現します。チャープスペクトラム拡散変調は、軍事および宇宙通信のアプリケーションでしばらくの間使用されてきましたが、LoRaは、変調技術の最初の低コストの商用アプリケーションを提示します。
周波数
LoRaテクノロジーは周波数に依存しませんが、LoRa無線間の通信は、世界中で利用可能なライセンスのないサブGHz無線周波数帯域を使用して行われます。これらの頻度は地域によって異なり、国によっても異なることがよくあります。たとえば、ヨーロッパでは868MHzがLoRa通信に一般的に使用されていますが、北米では915MHzが使用されています。周波数に関係なく、LoRaはテクノロジーに大きな変化を与えることなく使用できます。
さまざまな国のLoRaの周波数帯
2.4または5.8GHzISM帯域に基づくWiFiなどの通信モジュールの周波数よりも低い周波数を使用すると、特にNLOSの状況ではるかに広いカバレッジエリアが可能になります。
一部の国では、ライセンスのないバンドを使用する前に、許可が必要であることに注意することが重要です。
適応データレート
LoRaは、可変帯域幅と拡散係数(SF7-SF12)の組み合わせを使用して、送信範囲とのトレードオフでデータレートを適応させます。拡散率が高いと、データレートが低くなりますが、範囲が長くなります。その逆も同様です。帯域幅と拡散率の組み合わせは、リンク状態と送信するデータのレベルに応じて選択できます。したがって、拡散係数を高くすると、特定の帯域幅での伝送パフォーマンスと感度が向上しますが、データレートが低くなるため、伝送時間も長くなります。これらは、18bpsから40Kbpまでさまざまです。
適応電力レベル
LoRa無線で使用される電力レベルは適応型です。これは、とりわけデータレートやリンク条件などの要因に依存します。高速送信が必要な場合、送信電力は最大値に近づき、その逆も同様です。したがって、バッテリ寿命が最大化され、ネットワーク容量が維持されます。消費電力は、他のいくつかの要因の中でも特にデバイスのクラスに依存します。
LoRaWAN
LoRaWANは、LoRaAllianceによってLoRaPowered IoTソリューション向けに設計された大容量、長距離、オープン、低電力ワイドエリアネットワーク(LPWAN)標準です。これは、LoRaテクノロジーのすべての機能を最大限に活用して、信頼性の高いメッセージ配信、エンドツーエンドのセキュリティ、ロケーション、マルチキャスト機能などのサービスを提供する双方向プロトコルです。この規格は、世界中のさまざまなLoRaWANネットワークの相互運用性を保証します。
通常、人々がLoRaとLoRaWANを定義しようとすると、混乱が生じます。これは、OSI参照スタックモデルを調べることでおそらく最もよく解決されます。
簡単に言えば、OSIスタックモデルに基づいて、LoRaWANは通信ネットワークのメディアアクセスプロトコルに対応し、LoRaは物理層に対応します。したがって、LoRaWANはネットワークの通信プロトコルとシステムアーキテクチャを定義し、LoRaアーキテクチャは長距離通信リンクを可能にします。それらの2つは、ノードのバッテリー寿命、ネットワーク容量、サービス品質、セキュリティ、およびネットワークによって提供されるその他のアプリケーションを決定する機能を提供するために統合されました。LoRaWANはLoRaで最も人気のあるMACレイヤーですが、LoRaテクノロジーに基づいて構築された他の独自のレイヤーも存在します。良い例は、産業用アプリケーション用に特別に開発されたLinkLabsによるSymphonyリンクです。
LoRaWANネットワークアーキテクチャ
ほとんどのネットワークで採用されているメッシュネットワークトポロジとは対照的に、LoRaWANはスターネットワークアーキテクチャを使用します。したがって、各エンドデバイスをほぼ常にオン状態にするのではなく、他のデバイスからの送信を繰り返して、LoRaWANネットワーク内のエンドデバイスの範囲を拡大します。ゲートウェイと直接通信し、範囲は問題ではないため、ゲートウェイと通信する必要がある場合にのみオンになります。これは、LoRaエンドデバイスで得られる低電力機能と高バッテリ寿命の要因です。
LoRaネットワークアーキテクチャは、4つの主要な部分で構成されています。
1.エンドデバイス
2.ゲートウェイ
3.ネットワークサーバー
4.アプリケーションサーバー
1.エンドデバイス
これらは、ネットワークエッジのセンサーまたはアクチュエーターです。エンドデバイスはさまざまなアプリケーションに対応し、さまざまな要件があります。さまざまなエンドアプリケーションプロファイルを最適化するために、LoRaWAN™はエンドデバイスを構成できる3つの異なるデバイスクラスを利用します。これらのクラスは、ダウンリンク通信の遅延とデバイスのバッテリー寿命の間のトレードオフを特徴としています。3つの主要なクラスは次のとおりです。
1.双方向エンドデバイス(クラスA)
2.スケジュールされた受信スロットを備えた双方向エンドデバイス(クラスB)
3.最大受信スロットを備えた双方向エンドデバイス(クラスC)
私。クラスAエンドデバイス
これらは、アップリンクの直後にサーバーからのダウンリンク通信のみを必要とするデバイスです。たとえば、アップリンク後にサーバーからメッセージ配信確認を受信する必要があるデバイスです。このクラスのデバイスの場合、ダウンリンクを受信する前に、アップリンクがサーバーに送信されるまで待機する必要があります。この結果、通信が最小限に抑えられ、電力動作が最小になり、バッテリー寿命が最大になります。クラスAデバイスの良い例は、LoRaベースのスマートエネルギーメーターです。
ii。クラスBエンドデバイス
これらのデバイスには、アップリンクの送信時に受信されたダウンリンクに加えて、スケジュールされた間隔で追加のダウンリンクウィンドウが割り当てられます(クラスA +スケジュールされた追加のダウンリンク)。このダウンリンクのスケジュールされた性質により、通信はスケジュールされた間隔でのみアクティブになるため、動作は依然として低電力になりますが、スケジュールされたダウンリンク中に消費される余分な電力は、クラスAデバイスの消費電力を超えて増加し、バッテリーが少なくなります。クラスAエンドデバイスと比較した寿命。
iii。クラスCエンドデバイス
これらのクラスのデバイスには、ダウンリンクに関する制限はありません。これらは、ほとんどの場合、サーバーからの通信に対してオープンになるように設計されています。それらは他のクラスよりも多くの電力を消費し、バッテリー寿命が最も短くなります。クラスCデバイスの良い例は、フリート管理または実際のトラフィック監視で使用されるエンドデバイスです。
2.ゲートウェイ
ゲートウェイ(コンセントレータとも呼ばれます)は、シングルホップワイヤレス通信プロトコルを使用して中央ネットワークサーバーのバックエンドとエンドデバイス間でメッセージを中継する標準のIP接続を介してネットワークサーバーに接続されたデバイスです。これらは双方向通信をサポートするように設計されており、マルチキャストを備えているため、ソフトウェアは無線更新などの大量配信メッセージを送信できます。
すべてのLoRaゲートウェイの中心には、複数の周波数ですべてのLoRa変調バリアントを並列にデコードできるマルチチャネルLoRa復調器があります。
大規模なネットワーク事業者にとって、重要な識別要素は、無線性能(感度、送信電力)、SX1301チップのゲートウェイMCUへの接続(USBからSPIまたはSPIからSPI)、およびPPSのサポートと配布である必要があります。その可用性により、ネットワーク内のゲートウェイ母集団全体で正確な時刻同期が可能になる信号
LoRaは、エンドデバイスとゲートウェイ間の通信を複数の周波数チャネルとデータレートに分散します。スペクトラム拡散技術は、0.3kbpsから50kbpsの範囲のデータレートを使用して、通信が相互に干渉するのを防ぎ、ゲートウェイの容量を増やす「仮想」チャネルのセットを作成します。
エンドデバイスのバッテリ寿命と全体的なネットワーク容量の両方を最大化するために、LoRaネットワークサーバーは、適応データレート(ADR)スキームを通じて、各エンドデバイスのデータレートとRF出力を個別に管理します。
3.ネットワークサーバー
Lora Networkサーバーは、アプリケーションサーバーとゲートウェイ間のインターフェイスです。ゲートウェイからアプリケーションサーバーにデータを転送しながら、アプリケーションサーバーからゲートウェイにコマンドを中継します。重複パケットがないことの確認、確認応答のスケジューリング、適応データレート(ADR)スキームを使用した各エンドデバイスのデータレートとRF出力の個別管理などの機能を実行します。
4.アプリケーションサーバー
アプリケーションサーバーは、エンドデバイスからのデータが何に使用されるかを決定します。データの視覚化などはおそらくここで行われます。
LoRaWANのセキュリティとプライバシー
IoTソリューションにおけるセキュリティとプライバシーの重要性は強調しすぎることはありません。LoRaWANプロトコルは、データが安全であることを保証するための暗号化を具体的に指定します
*デバイスごとのAES128キー
*デバイスキーの即時再生/取り消し
*データプライバシーのためのパケットごとのペイロード暗号化
*リプレイ攻撃に対する保護
*中間者攻撃からの保護
LoRaは2つのキーを使用します。ネットワークセッションキーとアプリケーションセッションキーはどちらも、ネットワーク管理とアプリケーション通信のための分割された暗号化通信を提供します。
デバイスとネットワーク間で共有されるネットワークセッションキーはエンドノードデータの認証を担当し、アプリケーションとエンドノード間で共有されるアプリケーションセッションキーはデバイスデータのプライバシーを保証する責任があります。
LoRAWANの主な機能
*> 160dBリンクバジェット
* +20 dBmTX電力
*例外的なIIP3
* FSKよりも10dBの選択性の向上
*チャネル内バースト干渉に耐性
*最低RX電流-10mA
*最低の睡眠電流
*超高速ウェイクアップ(RX / TXへのスリープ)
LoRaの利点
以下は、LoRaに関連するいくつかの利点です。
1.長距離とカバレッジ:最大15kmのLOS範囲で、その範囲は他の通信プロトコルの範囲と比較できません。
2.低電力: LoRaは超低電力無線を提供するため、10年以上使用する必要のあるデバイスに最適です。