Inleiding tot LoRa
LoRa is een IoT-oplossing voor ultralange afstanden en met laag stroomverbruik, aangeboden door Semtech. Semtech en talrijke toonaangevende bedrijven, zoals Cisco, IBM en Microchip, hebben de LoRa (Long Range, Wide Range) Alliance opgericht en zetten zich in voor het promoten van de allianstandaard LoRaWAN-technologie om te voldoen aan diverse behoeften op het gebied van dekking over grote afstanden en een laag stroomverbruik, evenals aan de vereisten voor M2M-toepassingen. LoRaWAN telt momenteel meer dan 150 leden, waaronder verschillende Chinese bedrijven. De technologie is commercieel geïmplementeerd in verschillende Europese landen en wordt nu ook in China toegepast.
Technische kenmerken van LoRa
Het ontwerp van de fysieke laag en de MAC-laag van LoRa weerspiegelt volledig de aandacht die is besteed aan de zakelijke behoeften op het gebied van het IoT. De fysieke laag van LoRa maakt gebruik van spread spectrum-technologie om de gevoeligheid van de ontvanger te verbeteren, en het eindapparaat kan in verschillende bedrijfsmodi werken om tegemoet te komen aan de energiebesparingsbehoeften van verschillende toepassingen.
De netwerkarchitectuur en de protocolstack van LoRa worden weergegeven in figuur 1. De netwerkarchitectuur omvat terminals, gateways, netwerkservers en bedrijfsservers. Het eindapparaat omvat de implementatie van de fysieke laag, de MAC-laag en de applicatielaag; de gateway verzorgt de verwerking van de fysieke laag van de luchtinterface; en de netwerkserver is verantwoordelijk voor de verwerking op MAC-laag, waaronder adaptieve snelheidsselectie, gatewaybeheer en -selectie, het laden van de MAC-laagmodus, enz. De applicatieserver haalt applicatiegegevens op van de netwerkserver en zorgt voor de weergave van de applicatiestatus, realtime alarmen, enz. De MAC-laag kan het standaard LoRaWAN-protocol van de alliantie volgen of het door elke fabrikant ontwikkelde MAC-protocol.
(1) Ontwerp van de fysieke laag en de MAC-laag van LoRa LoRa is een half-duplexsysteem, waarbij de uplink en de downlink in dezelfde frequentieband werken. De huidige LoRa-systeembandbreedte die door een binnenlandse single-chip wordt ondersteund, bedraagt 2 Mbit/s, inclusief 8 kanalen met een vaste bandbreedte van 125 kbit/s. Elk kanaal met vaste bandbreedte vereist een 125 kHz-beschermingsband, waardoor een systeembandbreedte van ten minste 2 Mbit/s nodig is. Elk kanaal ondersteunt 6 spreidingsfactoren (SF7~12). Door 1 toe te voegen aan de spreidingsfactor neemt de gevoeligheid van de ontvanger met 2,5 dB toe.
Het eindapparaat maakt gebruik van willekeurige kanaalkeuze om interferentie te voorkomen. Telkens wanneer het eindapparaat gegevens via de uplink verzendt of gegevens opnieuw verzendt, kiest het willekeurig een van de 8 kanalen voor toegang. De communicatie tussen de terminal en de gateway kan verschillende snelheden gebruiken, dat wil zeggen verschillende SF's. Bij de keuze van de snelheid moet rekening worden gehouden met factoren zoals de communicatieafstand of signaalsterkte, de verzendtijd van berichten, enz., zodat de terminal een maximale batterijduur kan behalen en de capaciteit van de gateway optimaal kan benutten. Wanneer de verbindingsomstandigheden goed zijn, kan een lagere spreidingsfactor worden gebruikt, wat een hogere gegevenssnelheid betekent. Wanneer de terminal ver van de gateway verwijderd is en de verbindingsomstandigheden slecht zijn, kan de spreidingsfactor worden verhoogd om een hogere gevoeligheid te verkrijgen. Tegelijkertijd zal de gegevenssnelheid echter afnemen. Voor een kanaal met een vaste bandbreedte van 125 kbit/s kan de gegevenssnelheid binnen een aanzienlijk bereik van 250 bit/s tot 5 kbit/s worden gekozen.
(2) Werkmodus van de terminal
De LoRa-terminal beschikt over drie verschillende modi, namelijk Klasse A, B en C, maar de terminal kan slechts in één modus tegelijk werken, en elke modus kan via software worden ingesteld. Verschillende modi zijn geschikt voor verschillende bedrijfsmodellen en energiebesparingsmodi. Momenteel wordt de Klasse A-werkmodus op grote schaal gebruikt om tegemoet te komen aan de energiebesparingsbehoeften van IoT-toepassingen.
Klasse A (tweerichtings-eindapparatuur): Eindapparatuur van klasse A maakt tweerichtingscommunicatie mogelijk, maar kan geen actieve downlink-uitzendingen uitvoeren. Het verzendproces van elke terminal wordt gevolgd door twee korte ontvangstvensters voor de downlink, zoals weergegeven in figuur 2. Het tijdslot voor de downlink-transmissie wordt bepaald op basis van de behoeften van de terminal en een kleine willekeurige waarde, waardoor terminals van klasse A het meeste stroom besparen.
Klasse B (tweerichtingsterminal die de planning van tijdslots voor de downlink ondersteunt): Terminals van klasse B zijn compatibel met terminals van klasse A en ondersteunen de ontvangst van Beacon-signalen via de downlink om de synchronisatie met het netwerk te behouden, zodat informatie op het geplande tijdstip voor de downlink kan worden gevolgd; het stroomverbruik zal daarom hoger zijn dan bij terminals van klasse A.
Klasse C (bidirectionele terminal met maximale ontvangsttijdslot): Een Klasse C-terminal onderbreekt het ontvangstvenster voor de downlink alleen op het moment dat er gegevens worden verzonden, en is geschikt voor toepassingen met grote hoeveelheden downlink-gegevens. In vergelijking met terminals van type A en type B verbruiken terminals van type C de meeste stroom, maar voor server-naar-terminal-diensten heeft de modus van type C de geringste vertraging.
(3) Beveiliging van het LoRa-netwerk
Het eindapparaat moet tijdens het aanmeldingsproces de netwerkbeveiligingssleutel verkrijgen voordat het toegang krijgt tot de gegevens van de netwerkserver. Het eindapparaat moet over de volgende beveiligingsinformatie beschikken bij het verkrijgen van toegang en het gebruik ervan: waaronder de identificatie van het eindapparaat (DevEUI), de applicatie-identificatie (AppEUI) en de AES-128-applicatiesleutel (AppKey). Van deze gegevens is de DevEUI de globale ID van het eindapparaat, waarmee het eindapparaat op unieke wijze wordt geïdentificeerd. De AppEUI is een globale applicatie-ID die in het eindapparaat is opgeslagen en waarmee de applicatieaanbieder (d.w.z. de gebruiker) van het eindapparaat op unieke wijze wordt geïdentificeerd. AppKey is een AES-128-toepassingssleutel die op het eindapparaat is gedefinieerd. Deze wordt door de eigenaar van de toepassing aan het eindapparaat toegewezen. De sleutel is afgeleid van de onafhankelijke hoofdsleutel van elke toepassing. De hoofdsleutel is bekend bij de toepassingsaanbieder en bevindt zich in de toepassing, onder controle van de programma-aanbieder. Telkens wanneer een eindapparaat via het aansluitingsproces verbinding maakt met het netwerk, wordt AppKey gebruikt om de voor het eindapparaat gedefinieerde sessiesleutels NwkSKey en AppSKey af te leiden. De sessiesleutel wordt gebruikt om de beveiliging van de netwerkcommunicatie te waarborgen, en de applicatiesleutel wordt gebruikt om de beveiliging van de applicatie te waarborgen. End-to-end-beveiliging.
(4) Prestatietests en evaluatie
Als LPWA-technologie richt LoRa zich op zijn belangrijkste prestatie-indicatoren, zoals de dekking, het stroomverbruik en de kosten.
①Omslag
Aangezien LoRa spread spectrum-technologie ondersteunt, kunnen verschillende spreidingsfactoren worden gebruikt om aan verschillende gevoeligheidseisen te voldoen. Wanneer het zendvermogen 23 dBm bereikt, ondersteunt LoRa een MCL (maximale koppelingsverlies) van ongeveer 160 dB, wat bijna voldoet aan de MCL-eisen van smalband-IoT-technologie met nieuwe luchtinterfaceontwerpen zoals NB-IoT, en waarmee doelen voor diepgaande dekking binnenshuis kunnen worden bereikt. De bijbehorende gevoeligheden van verschillende spreidingsfactoren van het LoRa-systeem worden weergegeven in Tabel 1. De interferentie in de frequentieband waarin het LoRa-systeem zich bevindt, heeft een directe invloed op de dekkingsprestaties ervan. Afgaande op de huidige testresultaten in de 470 MHz- en 915 MHz-frequentiebanden van het LoRa-veld in Shanghai, bedraagt de ruisvloer van 470 MHz ongeveer -110 dBm en is de minimale SINR in het geval van SF12 15 dB, waardoor het werkelijke minimale ontvangstniveau op 470 MHz ongeveer -125 dBm bedraagt; de daadwerkelijke dekking wordt dus beïnvloed door externe interferentie. Bij een verlies van bijna 10 dB is het dekkingsvoordeel ten opzichte van GPRS niet opvallend. De 915 MHz-frequentieband kent veel interferentie, waarbij de laagste RSSI -100 dBm bereikt, wat het bereikvoordeel niet tot uiting laat komen; daarom wordt het niet aanbevolen om voor deze frequentieband te kiezen.
②Capaciteit
Momenteel maakt het LoRa-systeem voornamelijk gebruik van de Klasse A-modus, die gegevensverzending in de uplink activeert en geen toewijzing van bronnen kan uitvoeren. Het systeem is voornamelijk afhankelijk van frequentiesprongen tussen verschillende kanalen om interferentie te vermijden. Daarom hebben willekeurige kanaalkeuze en mechanismen voor het vermijden van botsingen invloed op de systeemcapaciteit. Volgens het bedrijfsmodel van 50 miljard rapporten per twee uur wordt geschat dat het aantal succesvol verzonden rapporten per uur zodanig is dat elke LoRa-gateway ongeveer 50.000 rapportberichten ondersteunt, wat de huidige capaciteitseisen van de sector voor LPWA-technologie overtreft. Simuleer het scenario van 4 gateways en 4.000 gebruikers met een afstand van 1 km. Gebruikers rapporteren elk half uur 120B datapakketten. De simulatieresultaten worden weergegeven in figuur 3. Vanwege verschillende kanaalomstandigheden van de terminal zal de terminal adaptief de juiste SF selecteren, dat wil zeggen verschillende communicatiesnelheden. De totale kanaalbezetting van verschillende SF’s wordt statistisch berekend. De totale kanaalbezettingsgraad overschrijdt 10% niet.
③Stroomverbruik
De stroomopname bij ontvangst van LoRa bedraagt 12 mA. Wanneer het zendvermogen 14 dBm bedraagt, is de stroom ongeveer 32 mA; en bij het overschakelen naar de slaapstand bedraagt het stroomverbruik minder dan 1 μA. Het snelheidsadaptieve ADR-mechanisme kan met een hogere snelheid verzenden wanneer de draadloze omstandigheden dit toelaten, waardoor de duur van de zendstand wordt verkort en het totale batterijverbruik wordt verminderd. Tabel 2 toont de geschatte levensduur van de batterij (in jaren) van LoRa-toepassingen met ingebouwde 5 Wh-batterijen onder verschillende dekkingsomstandigheden en verschillende bedrijfsmodellen. Afgaande op de schattingsresultaten biedt het stroomverbruik van het LoRa-systeem aanzienlijke voordelen ten opzichte van huidige mobiele communicatiesystemen en smalband-IoT-systemen.
④Vertraging
Momenteel worden er op grote schaal Class A-terminals gebruikt; deze ondersteunen alleen door de uplink geactiveerde downlink-transmissie, maar bieden geen ondersteuning voor actieve downlink-diensten. Daarom kan LoRa voor diensten met actieve downlink-transmissie niet aan de bijbehorende zakelijke vereisten voldoen. Tegelijkertijd geldt voor uplink-gegevensoverdracht dat, indien gegevensbevestiging vereist is, de downlink-ACK moet worden verzonden in het vaste downlink-tijdslot dat door de uplink wordt geactiveerd. Momenteel is het interval tussen uplink- en downlink-tijdvakken over het algemeen ingesteld op 1 s, wat betekent dat de vertraging minstens meer dan 1 s bedraagt. Aangezien het systeem zelf niet is ontworpen met een volledig QoS-mechanisme om betrouwbare ontvangst te garanderen, bieden de vertragingskenmerken ervan geen voordelen ten opzichte van op planning gebaseerde mobiele systemen.
⑤Kosten
De huidige chipkosten van LoRa bedragen ongeveer US$1 en de modulekosten ongeveer US$5, wat in principe voldoet aan de eisen van de sector voor LPWA-technologie.
Aanbevolen in dit artikel: LoRa RTU
