O princípio técnico de LoRaWAN e de sua aplicação na água, na eletricidade e no gás

Com o desenvolvimento gradual do Internet das coisas, muitas aplicações do Internet das coisas têm pacotes de dados pequenos e uma tolerância alta para o atraso, que exige uma vasta gama de desenvolvimento, ou são ficadas situadas em remoto, no porão, no subterrâneo e nos outros lugares com proteção séria. Não é fácil para que a tecnologia sem fio existente de uma comunicação ou de comunicação móvel transmita sinais. A tecnologia de comunicação com o consumo da grande distância e da baixa potência desenvolvido em resposta à situação acima é chamada coletivamente a rede de longa distância da baixa potência (LPWAN).

LPWAN tem as vantagens do número do consumo da baixa potência, o interurbano e o super grande de conexões, assim que é apropriado para as aplicações que exigem o desenvolvimento e a pequena quantidade em grande escala de transmissão de dados. Esta característica é muito consistente com as exigências de aplicação da informação inteligente acquisition.LPWAN do medidor da energia pode ser dividida em dois acampamentos de acordo com a faixa de frequência usou-se: faixa de frequência autorizada e faixa de frequência não autorizada. O desenvolvimento da tecnologia não autorizada da faixa de frequência LPWAN está mais adiantado, e a tecnologia principal é LoRaWAN.

Introdução a LoRaWAN

LoRaWAN é um grupo de protocolo de comunicação e de arquitetura de sistema projetados para a rede de comunicação interurbana de LoRa. Define como os dados são transmitidos na rede de LoRaWAN (a rede aqui refere nós, entradas, e servidores), define o tipo de mensagens, de estrutura do quadro de dados, e de métodos de criptografia da segurança, introduz a operação específica do acesso à rede, e explica a diferença entre o mestre e os computadores do escravo.

LoRaWAN considera inteiramente diversos fatores tais como o consumo de potência do nó, a capacidade de rede, a segurança e a diversidade da aplicação da rede no projeto do protocolo e da arquitetura de rede.

Arquitetura de rede de LoRaWAN

O seguinte é a arquitetura de rede de LoRa:

Uma arquitetura de rede de LoRaWAN inclui quatro porções: terminal, entrada, servidor de rede e servidor de aplicações. A estrela e as topologias de rede celulares são usadas entre a entrada e o terminal. Devido às características interurbanas de LoRa, a única transmissão do lúpulo pode ser usada entre elas. O nó terminal pode enviar às entradas múltiplas ao mesmo tempo. A entrada para a frente os dados do protocolo de LoRaWAN entre o NS e o terminal, transmite os dados de LoRaWAN entre o terminal e a entrada com a radiofrequência de LoRa, e transmite os dados de LoRaWAN entre a entrada e o servidor de rede com o protocolo do TCP/IP.

Vista geral do protocolo de LoRaWAN

1 classificação do、 de nós terminais

Em termos das especificações técnicas, a taxa de transmissão de LoRaWAN é sobre 30bit/s-50kbit/s, a distância de transmissão é aproximadamente 2-5km em áreas urbanas e até 15km em áreas suburbanas. Apoia a transmissão em dois sentidos. Os modos de transmissão podem ser divididos na linha de base (classe A), baliza (classe B) e contínuo (a classe C) de acordo com as exigências do atraso e o consumo de potência, a classe um modo pode somente ser transmitida quando o dispositivo terminal envia um pedido, com o consumo da mais baixa potência, e é usado em medidores de água e em medidores de gás; A classe C é a transmissão contínua dos dados com o atraso de transmissão o mais curto. A classe C é usada geralmente em medidores da eletricidade.

Uplink de 2、 e transmissão da ligação descendente do nó terminal

Este é o diagrama de sequência do uplink e da ligação descendente da classe A. presentemente, RX1 do recebem a janela começam geralmente 1 segundo após o uplink, e RX2 do recebem começos da janela 2 segundos após o uplink.

A classe C e A é basicamente a mesma, salvo que quando a classe A dorme, abre recebe a janela RX2.

trabalhos em rede de 3、 de nós terminais

Há dois modos de seleção para o acesso à rede terminal: Sobre a ativação do ar (OTAA) e a ativação pela personalização (ABP).

As redes comerciais de LoRaWAN seguem geralmente o processo da ativação de OTAA, de modo que a segurança possa ser garantida. Desta maneira, os parâmetros de DevEUI, de AppEUI, e de AppKey precisam de ser preparados.

DevEUI é identificação original da globalmente - similar a IEEE EUI64, que identifica um dispositivo terminal original. É equivalente ao MAC address do dispositivo.

AppEUI é identificação original da globalmente - similar a IEEE EUI64, que identifica um fornecedor de aplicação original

AppKey é atribuído ao terminal pelo proprietário da aplicação. Precisa de ser configurado no servidor de rede e queimou-se no terminal correspondente.

Após os novatos terminais junte-se ao processo, ele emite o comando dos trabalhos em rede. Depois que o NS (servidor de rede) confirma que não há nenhum erro, fará uma resposta dos trabalhos em rede ao terminal e atribuirá o endereço de rede DevAddr (identificação de 32 bits). Ambos os partidos usam a informação relevante na resposta dos trabalhos em rede e o AppKey para gerar as chaves de sessão NwkSKey e AppSKey, que são usadas para cifrar e verificar data.NwkSKey é armazenado no servidor de rede para uma comunicação entre o servidor de rede e o terminal; AppSKey salvar no servidor de aplicações para uma comunicação com o servidor de rede.

Se o segundo método de exame, ativação de ABP, é usado, os três parâmetros de comunicação finais DevAddr de LoRaWAN, NwkSKey, e AppSKey é configurado diretamente, e juntam-se ao processo estão exigidos já não. Neste caso, o dispositivo pode enviar dados de aplicação diretamente. Devido à falta da autenticação em dois sentidos, os terminais ilegais podem alcançar a rede ou ser induzidos por estações base pseudo-. Consequentemente, geralmente, os projetos comerciais usam o processo da ativação de OTAA.

4 dados do、 que recebem e que enviam

Após ter alcançado a rede, os dados de aplicação são cifrados usando o algoritmo de criptografia do bocado AES128. A seguinte figura mostra o mecanismo de segurança de cada parte no processo de uma comunicação:

Os servidores de rede e os nós terminais usam a verificação do MIC para assegurar-se de que a verificação de correctness.MIC use o algoritmo de AES-CMAC, incluindo a contagem do quadro (para impedir ataques da retransmissão) e o NwkSKey (para impedir o pacote que altera), e use a criptografia de AppSKey para cifrar dados de usuário (segundo as indicações da figura abaixo)

LoRaWAN especifica dois tipos de quadros de dados: Confirmado ou não-confirmado, isto é, o tipo que exige uma resposta e o tipo que não exige uma resposta. O fabricante pode selecionar o tipo apropriado de acordo com as necessidades da aplicação.

Além, nós podemos ver da introdução que uma das considerações principais do projeto de LoRaWAN é no início à diversidade da aplicação de apoio. Além do que a utilização de AppEUI para dividir aplicações, os portos da aplicação de FPort podem igualmente ser usados para processar separadamente dados durante a transmissão. A escala do valor de FPort é (1~223), que é especificado pela camada de aplicação.

mecanismo de ADR de 5、

A modulação de LoRa tem o fator do espectro espalhado, e os fatores diferentes do espectro espalhado terão a distância de transmissão e a taxa de transmissão diferentes, e não afetarão a transmissão de dados.

A fim expandir a capacidade da rede de LoRaWAN, uma taxa de dados adaptável de LoRa - o mecanismo de ADR é projetado no protocolo. Os dispositivos com distâncias de transmissão diferentes usarão a taxa de dados a mais rápida como possível de acordo com a situação da transmissão. Isto igualmente faz a transmissão de dados total mais eficiente.

LORAWAN caracteriza

LoRaWAN é caracterizado pela transmissão sem fio, pela capacidade antiparasitária forte, por uma comunicação cifrada, pela cobertura larga, pelo consumo da baixa potência, pela grande conexão e pelo baixo custo.

Interurbano: Os agradecimentos ao ganho da modulação de espectro espalhado e para a frente do código de correção de erros, LoRa conseguem sobre duas vezes a distância de uma comunicação da tecnologia celular.

Grande capacidade: Há muitos nós no Internet das coisas. Uma rede de LoRaWAN pode facilmente conectar dez dos milhares de nós.

Expansão fácil da capacidade: Quando uma rede de LoRaWAN precisa de aumentar a capacidade, você pode adicionar entradas.

Segurança: LoRaWAN é um Internet cifrado dobro de Things.It é apropriado para a aplicação da informação de medidores da água e da eletricidade.

Indicadores técnicos da entrada e do módulo

1 entrada do、

Entrada inteligente G200 (interna)

Entrada inteligente G500 (exterior)

2. Módulo de LoRaWan

Dados medidos

1 teste da distância da tração do、

Em uma distância em linha reta de 3.7KM do local de teste, a força de sinal é - 94, o sinal à relação de ruído são - 6,0, e os pacotes de dados da antena interna e de antena externo são normais.

、 2 no teste de penetração da construção

A entrada é instalada no poço de superfície no 15° andar de construir 4 em uma comunidade

Nos dados na tabela acima, a força de sinal é mais do que - 100dbm (distante mais do que o limite de recepção da sensibilidade do módulo de - 139dbm), e a relação de relação sinal-ruído são mais do que - 10, que podem conseguir uma comunicação segura em dois sentidos. Consequentemente, se a entrada é colocada no 15° andar, a cobertura do sinal da construção inteira no 32° andar pode ser conseguida.

teste da taxa de êxito da transferência de arquivo pela rede de 3 dados do、

Dos dados de teste acima, nós podemos ver que 120 tabelas podem transferir arquivos pela rede dados dentro de 3 minutos, com uma taxa de êxito média de mais de 99%.

conclusão de 4、

(1) o uso da antena incorporado na cidade pode assegurar uma comunicação normal dentro de 2-3km, e o uso da antena direcional externo pode conseguir um mais interurbano.

(2) o sinal pode penetrar 10-15 assoalhos.

(3) uma metade de 8 canais - a entrada frente e verso pode assegurar 120 medidores para terminar a transmissão de dados segura dentro de 3 minutos. Se uma metade de 16 canais - a entrada frente e verso é usada, os dados de mais de 200 medidores podem confiantemente ser transmitidos.

caso da aplicação de 7、

Este caso é um grande parque em Turquemenistão, que recolhe uma série de infraestruturas tais como prédios de escritórios, residências, locais de encontro de esportes e lojas. É aproximadamente 2.3km largos e 4.3km longos.

O ponto vermelho indica o lugar da entrada

Este é um grande parque, que use o seguinte Internet de dispositivos das coisas:

Tão pode ser visto dos dados acima, o parque usa não somente muitos tipos de dispositivos de IoT, mas igualmente um grande número. Com tecnologia de LoRaWan, a faixa de frequência é 864-865MHz personalizou para ela. 55 entradas espertas G200 (interno) e 55 entradas espertas G500 (exterior) são usadas para terminar os trabalhos em rede do acesso de todos os dispositivos. Ao mesmo tempo, um servidor de rede pode receber os dados transmitidos por todos os dispositivos e executar o processamento eficiente.

A arquitetura de sistema total usada no caso é mostrada na seguinte figura:

Todo o equipamento e serviços são distribuídos neste caso localmente no terreno do cliente em uma maneira integrada, que possa assegurar a segurança e a privacidade dos dados transmitidos por todo o equipamento.

Se os clientes precisam, podem igualmente distribuir o servidor de rede, a plataforma do acesso ou a plataforma da aplicação na nuvem, ou diretamente usar a plataforma da aplicação existente para obter e processar dados com do acoplamento com a plataforma do acesso.

A plataforma da aplicação pode proporcionar os vários serviços exigidos por clientes para dispositivos diferentes de acordo com os dados recolhidos por dispositivos diferentes: