Einführung in LoRa
LoRa is an ultra-long-distance, low-power IoT solution provided by Semtech. Semtech and many industry-leading companies, such as Cisco, IBM and Microchip, initiated the LoRa (Long Range, Wide Range) Alliance and are committed to promoting its alliance standard LoRaWAN technology to meet various needs for wide area coverage and low power consumption. M2M device application requirements. LoRaWAN currently has more than 150 members, and several Chinese companies are involved. It has been commercially deployed in several European countries, and has also begun to be used domestically.
Technische Merkmale von LoRa
The design of LoRa’s physical layer and MAC layer fully reflects its consideration of IoT business needs. The LoRa physical layer uses spread spectrum technology to improve receiver sensitivity, and the terminal can work in different working modes to meet the power saving needs of different applications.
The network architecture and protocol stack of LoRa are shown in Figure 1. The network architecture includes terminals, gateways, network servers and business servers. The terminal node includes the implementation of the physical layer, MAC layer and application layer; the gateway completes the processing of the air interface physical layer; and the network server is responsible for MAC layer processing, including adaptive rate selection, gateway management and selection, MAC layer mode loading, etc. The application server obtains application data from the network server and performs application status display, real-time alarms, etc. The MAC layer can follow the alliance’s standard LoRaWAN protocol or the MAC protocol developed by each manufacturer.
(1) LoRa physical layer and MAC layer design LoRa ist ein Halbduplex-System, und Uplink und Downlink arbeiten im selben Frequenzband. Die derzeitige Bandbreite des LoRa-Systems, die von einem einzelnen Chip im Inland unterstützt wird, beträgt 2Mbit/s, einschließlich 8 Kanälen mit einer festen Bandbreite von 125kbit/s. Jeder Kanal mit fester Bandbreite erfordert ein 125kHz Schutzband, was mindestens 2Mbit/s Systembandbreite erfordert. Jeder Kanal unterstützt 6 Spreizfaktoren SF7~12, wobei eine Erhöhung des Spreizfaktors um 1 die Empfängerempfindlichkeit um 2,5 dB erhöht.
Das Endgerät verwendet eine zufällige Kanalauswahl, um Störungen zu vermeiden. Jedes Mal, wenn das Endgerät Uplink-Daten überträgt oder Daten erneut überträgt, wählt es zufällig einen Kanal aus den 8 Kanälen für den Zugriff aus. Die Kommunikation zwischen dem Endgerät und dem Gateway kann mit unterschiedlichen Raten, d. h. mit unterschiedlichen SFs, erfolgen. Bei der Auswahl der Rate müssen Faktoren wie Kommunikationsentfernung oder Signalstärke, Zeit für das Senden von Nachrichten usw. berücksichtigt werden, damit das Terminal eine möglichst lange Batterielebensdauer hat und die Kapazität des Gateways maximiert werden kann. Bei guten Verbindungsbedingungen kann ein niedrigerer Spreizfaktor verwendet werden, was eine höhere Datenrate bedeutet. Wenn das Terminal weit vom Gateway entfernt ist und die Verbindungsumgebung schlecht ist, kann der Spreizungsfaktor erhöht werden, um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen. Gleichzeitig wird jedoch die Datenrate verringert. Bei einem Kanal mit fester Bandbreite von 125kbit/s kann die Datenrate in einem beträchtlichen Bereich von 250bit/s bis 5kbit/s gewählt werden.
(2) Arbeitsweise des Terminals
Das LoRa-Design-Terminal hat drei verschiedene Modi, nämlich Klasse A, B und C, aber das Terminal kann immer nur in einem Modus arbeiten, und jeder Modus kann per Software geladen werden. Die verschiedenen Modi eignen sich für unterschiedliche Geschäftsmodelle und Stromsparmodi. Derzeit ist der Arbeitsmodus der Klasse A weit verbreitet, um den Stromsparanforderungen von IoT-Anwendungen gerecht zu werden.
Klasse A (bidirektionale Endgeräte): Endgeräte der Klasse A ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation, können aber keine aktive Downlink-Übertragung durchführen. Auf den Sendevorgang jedes Endgeräts folgen zwei kurze Downlink-Empfangsfenster, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Zeitschlitz für die Downlink-Übertragung wird auf der Grundlage des Bedarfs des Endgeräts und eines kleinen Zufallsbetrags festgelegt, so dass Endgeräte der Klasse A den meisten Strom sparen.
Klasse B (Zwei-Wege-Terminal, das die Planung von Downlink-Zeitschlitzen unterstützt): Klasse-B-Terminals sind mit Klasse-A-Terminals kompatibel und unterstützen den Empfang von Downlink-Beacon-Signalen, um die Synchronisation mit dem Netz aufrechtzuerhalten und Informationen zum geplanten Downlink-Zeitpunkt zu überwachen; daher ist der Stromverbrauch höher als bei Klasse-A-Terminals.
Klasse C (bidirektionales Terminal mit maximalem Empfangszeitfenster): Terminals der Klasse C stoppen das Downlink-Empfangsfenster nur in dem Moment, in dem Daten übertragen werden, und eignen sich für Anwendungen mit großen Downlink-Datenmengen. Im Vergleich zu Terminals des Typs A und B verbrauchen Terminals des Typs C den meisten Strom, aber für Server-zu-Terminal-Dienste hat der Modus des Typs C die geringste Verzögerung.
(3) Sicherheit des LoRa-Netzes
The terminal device must complete the network security key acquisition during a joining process before interacting with the network server data. The terminal needs to have the following security information when accessing and using it: including terminal equipment identification (DevEUI), application identification (AppEUI) and AES-128 application key (AppKey). Among them, DevEUI is the global terminal device ID that uniquely identifies the terminal device. AppEUI is a global application ID stored in the terminal device, which uniquely identifies the application provider (i.e. user) of the terminal device. AppKey is an AES-128 application key defined on the terminal device. It is assigned to the terminal device by the owner of the application. It is derived from the independent root key of each application. The root key is known by the application provider and is in the application. under the control of the program provider. Whenever a terminal device joins the network through the joining process, AppKey is used to deduce the session keys NwkSKey and AppSKey defined for the terminal device. The session key is used to ensure the security of network communications, and the application key is used to ensure the security of the application. End-to-end security.
(4) Leistungsprüfung und -bewertung
Als LPWA-Technologie konzentriert sich LoRa auf seine wichtigsten Leistungsindikatoren wie Abdeckung, Stromverbrauch und Kosten.
①Deckel
Since it supports spread spectrum technology, different spreading factors can achieve different sensitivity requirements. When the transmit power reaches 23dBm, LoRa supports an MCL (maximum coupling loss) of approximately 160dB, which almost meets the MCL requirements of narrowband IoT technology with new air interface designs such as NB-IoT, and can achieve deep indoor coverage goals. The corresponding sensitivities of different spreading factors of the LoRa system are shown in Table 1. The interference in the frequency band where the LoRa system is located will directly affect its coverage performance. Judging from the current test results in the 470MHz and 915MHz frequency bands of LoRa field in Shanghai, the noise floor of 470MHz is about -110dBm, and the minimum SINR in the case of SF12 is 15dB, so the actual minimum reception level of 470MHz is about -125dBm, so the actual coverage is affected by external interference. If there is a loss of nearly 10dB, the coverage advantage over GPRS is not outstanding. The 915MHz frequency band has large interference, with the lowest RSSI reaching -100dBm, which cannot reflect the coverage advantage, so it is not recommended to choose this frequency band.
②Kapazität
Gegenwärtig verwendet das LoRa-System hauptsächlich den Klasse-A-Modus, der die Datenübertragung im Uplink auslöst und keine Ressourcenplanung durchführen kann. Es verlässt sich hauptsächlich auf Frequenzsprünge auf verschiedenen Kanälen, um Störungen zu vermeiden. Daher haben die zufällige Kanalauswahl und die Mechanismen zur Kollisionsvermeidung Auswirkungen auf die Systemkapazität. Gemäß dem Geschäftsmodell der 50B/2h-Berichterstattung wird geschätzt, dass die Anzahl der erfolgreich gesendeten Berichte pro Stunde so hoch ist, dass jedes LoRa-Gateway etwa 50.000 Berichtsnachrichten unterstützt, was die derzeitigen Kapazitätsanforderungen der Industrie für LPWA-Technologie übersteigt. Simulieren Sie das Szenario von 4 Gateways und 4000 Benutzern mit einer Entfernung von 1 km. Die Benutzer melden jede halbe Stunde 120B Datenpakete. Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Kanalbedingungen des Terminals wählt das Terminal adaptiv die geeignete SF, d.h. unterschiedliche Raten für die Kommunikation. Die Gesamtkanalbelegung der verschiedenen SFs wird statistisch berechnet. Die gesamte Kanalbelegungsrate übersteigt nicht 10%.
③Stromverbrauch
Der Stromverbrauch im Empfangszustand von LoRa beträgt 12 mA. Bei einer Sendeleistung von 14 dBm beträgt der Strom etwa 32 mA, und beim Übergang in den Ruhezustand beträgt der Stromverbrauch weniger als 1 μA. Der ratenadaptive ADR-Mechanismus kann mit einer höheren Rate senden, wenn die Funkbedingungen dies zulassen, wodurch die Dauer des Sendezustands verkürzt und der Gesamtstromverbrauch der Batterie reduziert wird. Tabelle 2 zeigt die geschätzte Batterielebensdauer (in Jahren) von LoRa-Anwendungen mit eingebauten 5-Wh-Batterien unter verschiedenen Abdeckungsbedingungen und verschiedenen Geschäftsmodellen. Nach den Schätzungsergebnissen zu urteilen, hat der Stromverbrauch des LoRa-Systems erhebliche Vorteile gegenüber aktuellen zellularen Kommunikationssystemen und schmalbandigen IoT-Systemen.
④Verzögerung
Derzeit sind Endgeräte der Klasse A weit verbreitet, d. h. sie können nur die Uplink-getriggerte Downlink-Übertragung unterstützen, aber keine aktiven Downlink-Dienste. Daher kann LoRa bei Diensten mit aktiver Downlink-Übertragung die entsprechenden Geschäftsanforderungen nicht unterstützen. Gleichzeitig muss bei der Uplink-Datenübertragung, wenn eine Datenbestätigung erforderlich ist, die Downlink-ACK in dem durch den Uplink ausgelösten festen Downlink-Zeitschlitz gesendet werden. Gegenwärtig ist das Intervall zwischen Uplink- und Downlink-Zeitschlitzen im Allgemeinen auf 1s festgelegt, was bedeutet, dass die Verzögerung mindestens mehr als 1s beträgt. Da das System selbst nicht mit einem vollständigen QoS-Mechanismus ausgestattet ist, um einen zuverlässigen Empfang zu gewährleisten, haben seine Verzögerungseigenschaften keine Vorteile im Vergleich zu zeitplanungsbasierten zellularen Systemen.
⑤Kosten
Die aktuellen Kosten für LoRa-Chips liegen bei etwa US$1 und die Kosten für Module bei etwa US$5, was im Wesentlichen den Anforderungen der Industrie an die LPWA-Technologie entspricht.
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