Introduzione a 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.
Caratteristiche tecniche di 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) 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
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) 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
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.
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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