Introduzione a LoRa
LoRa è una soluzione IoT a lunghissima distanza e a basso consumo fornita da Semtech. Semtech e molte aziende leader del settore, come Cisco, IBM e Microchip, hanno dato vita alla LoRa (Long Range, Wide Range) Alliance e si impegnano a promuovere la tecnologia LoRaWAN, standard dell'alleanza, per soddisfare le varie esigenze di copertura di un'ampia area e di basso consumo energetico. Requisiti applicativi dei dispositivi M2M. LoRaWAN conta attualmente più di 150 membri e diverse aziende cinesi sono coinvolte. È stata introdotta commercialmente in diversi Paesi europei e ha iniziato a essere utilizzata anche a livello nazionale.
Caratteristiche tecniche di LoRa
La progettazione del livello fisico e del livello MAC di LoRa riflette pienamente la considerazione delle esigenze aziendali dell'IoT. Il livello fisico LoRa utilizza la tecnologia spread spectrum per migliorare la sensibilità del ricevitore e il terminale può funzionare in diverse modalità di funzionamento per soddisfare le esigenze di risparmio energetico delle diverse applicazioni.
L'architettura di rete e la pila di protocolli di LoRa sono mostrati nella Figura 1. L'architettura di rete comprende terminali, gateway, server di rete e server aziendali. Il nodo terminale comprende l'implementazione del livello fisico, del livello MAC e del livello applicativo; il gateway completa l'elaborazione del livello fisico dell'interfaccia aerea; il server di rete è responsabile dell'elaborazione del livello MAC, compresa la selezione della velocità adattiva, la gestione e la selezione del gateway, il caricamento della modalità del livello MAC, ecc. L'application server ottiene i dati dell'applicazione dal server di rete ed esegue la visualizzazione dello stato dell'applicazione, gli allarmi in tempo reale, ecc. Il livello MAC può seguire il protocollo LoRaWAN standard dell'alleanza o il protocollo MAC sviluppato da ciascun produttore.
(1) Progettazione del livello fisico LoRa e del livello MAC LoRa è un sistema half-duplex e l'uplink e il downlink operano nella stessa banda di frequenza. L'attuale larghezza di banda del sistema LoRa supportata da un singolo chip nazionale è di 2Mbit/s, compresi 8 canali con una larghezza di banda fissa di 125kbit/s. Ogni canale a larghezza di banda fissa richiede una banda di guardia di 125 kHz, che richiede una larghezza di banda di sistema di almeno 2 Mbit/s. Ogni canale supporta 6 fattori di spreading SF7~12. L'aggiunta di 1 al fattore di spreading aumenta la sensibilità del ricevitore di 2,5 dB.
Il terminale utilizza la selezione casuale dei canali per evitare le interferenze. Ogni volta che il terminale trasmette dati in uplink o ritrasmette dati, seleziona casualmente un canale tra gli 8 canali di accesso. La comunicazione tra il terminale e il gateway può utilizzare diverse velocità, cioè diversi SF. La selezione della velocità deve tenere conto di fattori quali la distanza di comunicazione o la potenza del segnale, il tempo di invio dei messaggi, ecc. in modo che il terminale possa ottenere la massima durata della batteria e massimizzare la capacità del gateway. Quando l'ambiente di collegamento è buono, è possibile utilizzare un fattore di diffusione più basso, il che significa una velocità di trasmissione dati più elevata. Quando il terminale è lontano dal gateway e l'ambiente di collegamento è scadente, il fattore di diffusione può essere aumentato per ottenere una maggiore sensibilità. Allo stesso tempo, però, la velocità di trasmissione dei dati sarà ridotta. Per un canale a larghezza di banda fissa di 125 kbit/s, la velocità di trasmissione dei dati può essere selezionata all'interno di un intervallo considerevole che va da 250 bit/s a 5 kbit/s.
(2) Modalità di lavoro del terminale
Il terminale di progettazione LoRa ha tre diverse modalità, ovvero Classe A, B e C, ma il terminale può funzionare solo in una modalità alla volta e ogni modalità può essere caricata dal software. Le diverse modalità sono adatte a diversi modelli di business e modalità di risparmio energetico. Attualmente, la modalità di lavoro di Classe A è ampiamente utilizzata per adattarsi alle esigenze di risparmio energetico delle applicazioni IoT.
Classe A (apparecchiatura terminale bidirezionale): Le apparecchiature terminali di classe A consentono la comunicazione bidirezionale, ma non possono eseguire la trasmissione attiva in downlink. Il processo di invio di ciascun terminale sarà seguito da due brevi finestre di ricezione del downlink, come illustrato nella Figura 2. La fascia oraria di trasmissione del downlink è determinata in base alle esigenze del terminale e a una piccola quantità casuale. La fascia oraria di trasmissione in downlink è determinata in base alle esigenze del terminale e a una piccola quantità casuale, per cui i terminali di Classe A risparmiano la maggior parte dell'energia.
Classe B (terminale bidirezionale che supporta la programmazione della fascia oraria di downlink): I terminali di classe B sono compatibili con i terminali di classe A e supportano la ricezione di segnali Beacon di downlink per mantenere la sincronizzazione con la rete al fine di monitorare le informazioni all'ora programmata per il downlink, pertanto il consumo energetico sarà maggiore rispetto ai terminali di classe A.
Classe C (terminale bidirezionale con slot temporale di ricezione massimo): Il terminale di classe C interrompe la finestra di ricezione del downlink solo al momento della trasmissione dei dati ed è adatto ad applicazioni con grandi quantità di dati in downlink. Rispetto ai terminali di tipo A e B, i terminali di tipo C consumano più energia, ma per i servizi da server a terminale, la modalità di tipo C ha il ritardo minore.
(3) Sicurezza della rete LoRa
Il dispositivo terminale deve completare l'acquisizione della chiave di sicurezza di rete durante un processo di adesione prima di interagire con i dati del server di rete. Per l'accesso e l'utilizzo del terminale è necessario disporre delle seguenti informazioni di sicurezza: identificazione del dispositivo terminale (DevEUI), identificazione dell'applicazione (AppEUI) e chiave applicativa AES-128 (AppKey). Tra queste, DevEUI è l'ID globale del dispositivo terminale che identifica in modo univoco il dispositivo terminale. AppEUI è un ID globale dell'applicazione memorizzato nel dispositivo terminale, che identifica in modo univoco il fornitore dell'applicazione (ovvero l'utente) del dispositivo terminale. AppKey è una chiave applicativa AES-128 definita sul dispositivo terminale. È assegnata al dispositivo terminale dal proprietario dell'applicazione. È derivata dalla chiave principale indipendente di ogni applicazione. La chiave principale è nota al fornitore dell'applicazione e si trova nell'applicazione. sotto il controllo del fornitore del programma. Ogni volta che un dispositivo terminale si unisce alla rete attraverso il processo di adesione, AppKey viene utilizzata per dedurre le chiavi di sessione NwkSKey e AppSKey definite per il dispositivo terminale. La chiave di sessione viene utilizzata per garantire la sicurezza delle comunicazioni di rete, mentre la chiave di applicazione viene utilizzata per garantire la sicurezza dell'applicazione. Sicurezza end-to-end.
(4) Test e valutazione delle prestazioni
In quanto tecnologia LPWA, LoRa si concentra sui suoi indicatori di prestazione chiave, come la copertura, il consumo di energia e il costo.
Copertina
Poiché supporta la tecnologia a spettro diffuso, diversi fattori di diffusione possono raggiungere diversi requisiti di sensibilità. Quando la potenza di trasmissione raggiunge i 23dBm, LoRa supporta un MCL (massima perdita di accoppiamento) di circa 160dB, che soddisfa quasi i requisiti MCL della tecnologia IoT a banda stretta con i nuovi design dell'interfaccia aerea, come NB-IoT, e può raggiungere gli obiettivi di copertura indoor profonda. Le sensibilità corrispondenti a diversi fattori di diffusione del sistema LoRa sono mostrate nella Tabella 1. L'interferenza nella banda di frequenza in cui si trova il sistema LoRa influisce direttamente sulle sue prestazioni di copertura. A giudicare dagli attuali risultati dei test nelle bande di frequenza 470MHz e 915MHz del campo LoRa di Shanghai, il rumore di fondo di 470MHz è di circa -110dBm, e il SINR minimo nel caso di SF12 è di 15dB, quindi il livello di ricezione minimo effettivo di 470MHz è di circa -125dBm, per cui la copertura effettiva è influenzata dalle interferenze esterne. Se c'è una perdita di quasi 10dB, il vantaggio di copertura rispetto al GPRS non è eccezionale. La banda di frequenza di 915 MHz è soggetta a forti interferenze, con l'RSSI più basso che raggiunge i -100 dBm, il che non può riflettere il vantaggio di copertura, quindi non è consigliabile scegliere questa banda di frequenza.
②Capacità
Attualmente, il sistema LoRa utilizza principalmente la modalità di classe A, che attiva la trasmissione dei dati in uplink e non può eseguire la programmazione delle risorse. Si affida principalmente al salto di frequenza su canali diversi per evitare le interferenze. Pertanto, la selezione casuale dei canali e i meccanismi di prevenzione delle collisioni hanno un impatto sulla capacità del sistema. Secondo il modello di business della segnalazione 50B/2h, si stima che il numero di segnalazioni inviate con successo all'ora sia tale che ogni gateway LoRa supporta circa 50.000 messaggi di segnalazione, il che supera gli attuali requisiti di capacità del settore per la tecnologia LPWA. Simulare lo scenario di 4 gateway e 4000 utenti con una distanza di 1 km. Gli utenti segnalano 120B pacchetti di dati ogni mezz'ora. I risultati della simulazione sono mostrati nella Figura 3. A causa delle diverse condizioni di canale del terminale, quest'ultimo selezionerà in modo adattivo l'SF appropriato, ovvero diverse velocità di comunicazione. L'occupazione totale del canale dei diversi SF viene calcolata statisticamente. Il tasso di occupazione totale del canale non supera i 10%.
③Consumo di energia
La corrente dello stato di ricezione di LoRa è di 12mA. Quando la potenza di trasmissione è di 14dBm, la corrente è di circa 32mA; quando si entra nello stato Sleep, il consumo di corrente è inferiore a 1μA. Il meccanismo ADR rate-adaptive può trasmettere a una velocità maggiore quando le condizioni wireless lo consentono, riducendo così la durata dello stato Tx e il consumo totale della batteria. La tabella 2 mostra la durata stimata della batteria (in anni) delle applicazioni LoRa con batterie integrate da 5Wh in diverse condizioni di copertura e diversi modelli di business. A giudicare dai risultati della stima, il consumo di energia del sistema LoRa presenta notevoli vantaggi rispetto agli attuali sistemi di comunicazione cellulare e ai sistemi IoT a banda stretta.
④Ritardo
Attualmente sono molto diffusi i terminali di Classe A, che sono in grado di supportare solo la trasmissione downlink uplink-triggered, ma non i servizi downlink attivi. Pertanto, per i servizi con trasmissione attiva in downlink, LoRa non è in grado di supportare i corrispondenti requisiti aziendali. Allo stesso tempo, per la trasmissione di dati in uplink, se è richiesta la conferma dei dati, l'ACK in downlink deve essere inviato nello slot temporale fisso in downlink attivato dall'uplink. Attualmente, l'intervallo tra gli slot temporali di uplink e downlink è generalmente impostato su 1s, il che significa che il ritardo è almeno superiore a 1s. Poiché il sistema non è stato progettato con un meccanismo QoS completo per garantire una ricezione affidabile, le sue caratteristiche di ritardo non presentano alcun vantaggio rispetto ai sistemi cellulari basati sullo scheduling.
⑤Costo
Il costo attuale del chip LoRa è di circa US$1, mentre il costo del modulo è di circa US$5, il che soddisfa sostanzialmente i requisiti del settore per la tecnologia LPWA.
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