Introduction to LoRa technology
LoRa technology is one of the short-distance communication technologies in the Internet of Things communication technology. The same short-distance communication technologies include Bluetooth, WIFI, Zigbee, etc.
LoRa is the abbreviation of Long Range in English. It is a type of Low Power Wide Area Network (LPWAN) communication technology. It is an ultra-long-distance, low-power data transmission technology released by Semtech in 2013. In the past, before the emergence of LPWAN, it seemed that the only choice was between long distance and low power consumption.
The emergence of LoRa technology has changed the trade-off between transmission distance and power consumption. It can not only achieve long-distance transmission, but also have the advantages of low power consumption and low cost. The Сеть LoRa is formed as shown in the figure below. Remote nodes can connect to the back-end network server through multiple gateways, upload data and send it to the cloud or server.
In the LoRa network, each node is not connected to each other. It must first be connected to the gateway before it can connect to the central host, or transmit data to another node through the central host. Messages from terminal nodes can be transmitted to multiple gateways at the same time, and messages can also be further extended through bridges between gateways.
Состав сети LoRa
Сеть LoRa состоит в основном из четырех частей: терминала (может иметь встроенный модуль LoRa), шлюза (или базовой станции), сервера и облака. Данные приложения могут передаваться в обоих направлениях.
LoRa Alliance LoRa Alliance - это открытая некоммерческая организация, возглавляемая компанией Semtech в марте 2015 года. В число ее основателей входят французская Actility, китайская AUGTEK и голландская Royal Dutch Telecom kpn. Менее чем за год в альянсе появилось более 150 компаний-участников, в том числе многие производители-тяжеловесы, такие как IBM, Cisco и Orange of France. В каждом звене промышленной цепочки (производители терминального оборудования, производители микросхем, производители модульных шлюзов, производители программного обеспечения, системные интеграторы, сетевые операторы) присутствует большое количество компаний. Открытость этой технологии затрудняет конкуренцию и сотрудничество. Адекватность способствовала быстрому развитию и экологическому процветанию LoRa.
LoRa technology technical features
(1) Sensitivity -148dBm, communication distance >15km;
(2) Минимальные затраты на инфраструктуру, использование шлюзов/концентраторов для расширения емкости системы
(3) Battery life >5 years, receiving current 10mA, sleep current <200nA
(4) Безлицензионный частотный диапазон, низкая стоимость узлов/терминалов
Преимущества технологии LoRa
(1) Большое расстояние, расстояние передачи может достигать 8 км, широкая область
(2) Легко построить и развернуть, его можно установить и использовать в большинстве мест.
(3) Низкое энергопотребление и длительный срок службы батареи
(4) Низкое энергопотребление и длительное время автономной работы. Стоимость LoRa-терминала составляет около 100-200.
Технические недостатки LoRa
(1) Интерференция спектра: С увеличением количества устройств и сетей LoRa между ними возникают помехи в спектре.
(2) Сеть должна быть построена заново
(3) Технология слишком сконцентрирована: Технология LoRa слишком сконцентрирована в Semtech, что не способствует развитию отрасли
[Расширенный] Протокол LoRaWAN
LoRaWAN - это стандарт глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWAN), основанный на протоколе MAC-уровня с открытым исходным кодом, созданный LoRa Alliance. Эта технология может обеспечить локальные, национальные или глобальные сети для беспроводных устройств с питанием от батарей. LoRaWAN нацелена на удовлетворение некоторых основных потребностей Интернета вещей, таких как безопасная двусторонняя связь, мобильная связь и услуги статической идентификации местоположения. Эта технология обеспечивает беспрепятственное взаимодействие между интеллектуальными устройствами без необходимости сложной локальной настройки, предоставляя пользователям, разработчикам и предприятиям в сфере IoT свободные права на эксплуатацию.
Архитектура сети LoRaWAN представляет собой типичную топологию "звезда". В этой сетевой архитектуре шлюз LoRa является прозрачным ретранслятором, соединяющим терминальное устройство и внутренний центральный сервер. Шлюз и сервер соединены через стандартный IP, и терминальное устройство использует один хоп для связи с одним или несколькими шлюзами. Между всеми узлами и шлюзами поддерживается двусторонняя связь, а такие операции, как обновление облака, позволяют сократить время связи с облаком.
Communication between the terminal and the gateway is completed based on different frequencies and data transmission rates. The selection of data rate requires a trade-off between transmission distance and message delay. Due to the use of spread spectrum technology, communications with different transmission rates will not interfere with each other, and a set of “virtualized” frequency bands will be created to increase gateway capacity.
The data transmission rate of LoRaWAN ranges from 0.3 kbps to 37.5 kbps. In order to maximize the battery life of the terminal device and the entire network capacity, the LoRaWAN network server controls the data transmission rate and each time through an adaptive data rate (ADR) scheme.
The radio frequency output power of a terminal device.
The wide-area network with nationwide coverage targets IoT applications such as critical infrastructure construction, confidential personal data transmission or social public services. Regarding secure communication, LoRaWAN generally uses multi-layer encryption to solve the problem:
1. Unique network key (EU164) to ensure network layer security;
2. Unique application key (EU164) to ensure application layer terminal-to-terminal communication. security;
3. The special key (EUI128) belonging to the device.
The LoRaWAN network divides terminal equipment into three categories: A/B/C according to different actual applications: Class A: two-way communication terminal equipment. This type of terminal device allows two-way communication, and each terminal device’s upstream transmission is accompanied by two downstream reception windows. The end device’s transmission slot is based on its own communication needs, and its fine-tuning is based on a random time base (ALOHA protocol). Terminal equipment belonging to Class A has the lowest power consumption during application. After the terminal sends an uplink transmission signal, the server can quickly perform downlink communication. At any time, the server’s downlink communication can only follow the uplink communication.
Typical applications of LoRa technology
Умное нефтяное месторождение
Умные нефтяные месторождения используют различные онлайновые измерительные сенсорные устройства, работающие в режиме реального времени, такие как различные приборы и другие информационные сенсорные устройства, установленные на нефтяных и газовых скважинах, трубопроводах, оборудовании для переработки, обработки, хранения и транспортировки нефти и газа, для подключения к сети предприятия или Интернету, сети для обмена информацией и связи для достижения интеллектуальной идентификации, позиционирования, отслеживания, мониторинга и управления
Отслеживание логистики
An important requirement for tracking or positioning the market is the battery life of the terminal. Logistics tracking can serve as a practical example of hybrid deployment. Logistics companies can deploy networks at required locations according to positioning needs, which can be in warehouses or transport vehicles. At this time, portable base stations come in handy. LoRa can provide such a deployment solution. At the same time, LoRa technology has a characteristic that communication is relatively more stable when moving at high speeds. LoRa is more suitable for logistics tracking.
Умная вода
Интеллектуальная система водоснабжения отслеживает рабочее состояние городских систем водоснабжения и водоотведения в режиме реального времени с помощью оборудования онлайн-мониторинга, такого как цифровые регистраторы, беспроводные сети, датчики качества воды и давления, и использует визуальный метод для органичной интеграции отделов управления водными ресурсами и объектов водоснабжения и водоотведения в "Интернет вещей", а также может проводить своевременный анализ и обработку массивной информации о водоснабжении и делать соответствующие результаты обработки для принятия решений и предложений, управлять всем процессом производства, управления и обслуживания системы водоснабжения более тонким и динамичным способом, тем самым достигая "умного" состояния.
Умное сельское хозяйство
For agriculture, low-power and low-cost sensors are urgently needed. The application of sensors such as temperature and humidity, carbon dioxide, and salinity is of great significance to increasing agricultural yields and reducing water consumption. These sensors need to upload data regularly. LoRa technology is very suitable for such scenarios.
Интеллектуальное здание
For the renovation of buildings, sensors such as temperature and humidity, safety, harmful gas, and water flow monitoring are added and the monitoring information is uploaded regularly, which facilitates the supervision of managers and makes it more convenient for users. Generally speaking, the communication of these sensors does not need to be particularly frequent or to ensure particularly good service quality, and a portable home gateway can meet the needs. Therefore, LoRa technology is a more suitable choice in this scenario.
