Czym jest LoRaWan?

Osoba analizuje dane dostarczone z lpnGate'a przez sieć LoRaWAN

Wraz z postępem miniaturyzacji mamy coraz większy dostęp do niewielkich, a tym samym bardzo wydajnych i energooszczędnych komputerów. Możemy wyposażyć je w baterię, zamontować w trudno dostępnych miejscach i wykorzystać jako jednostkę monitorującą bądź kontrolującą działanie poszczególnych urządzeń. W celu nawiązania połączenia z centralą potrzebujemy technologii komunikacji bezprzewodowej takiej jak LoRa.

Na temat LoRaWAN

LoRaWAN jest to sieć działająca w oparciu o technologię transmisji bezprzewodowej LoRa. Definiuje protokół komunikacyjny i architekturę systemu dla sieci, podczas gdy warstwa fizyczna LoRa umożliwia łącze komunikacji dalekiego zasięgu. 

Topologia LoRaWAN

Architektura protokołu LoRaWAN została zaprojektowana w topologii gwiazdy. Gateway’e przekazują wiadomości pomiędzy urządzeniami końcowymi a centralnym serwerem sieci. Komunikacja z serwerem sieciowym oparta jest o standardowe połączenia IP i działa jako most przezroczysty. Innymi słowy, konwertują one po prostu pakiety radiowe do pakietów IP i na odwrót. Wszystkie tryby posiadają możliwość komunikacji dwukierunkowej.

Szybkość transmisji danych

Oprócz skakania sygnału po częstotliwościach, wszystkie pakiety komunikacyjne pomiędzy urządzeniami końcowymi a gateway’ami zawierają opcję zmiennej częstotliwości danych (DR). Wybór szybkości transmisji danych umożliwia dynamiczny kompromis pomiędzy zakresem komunikacji a czasem trwania wiadomości. Ponadto, dzięki technologii rozproszonego widma, możesz komunikować się z różnymi szybkościami transmisji danych, a informacje te nie będą powodowały wzajemnych zakłóceń. W rzeczywistości, serwer sieciowy LoRaWAN zarządza ustawieniami szybkości transmisji i mocą wyjściową częstotliwości radiowych dla każdego urządzenia indywidualnie przy pomocy schematu adaptacyjnej szybkości transmisji danych (ADR). Rezultatem jest zwiększenie żywotności baterii urządzeń końcowych oraz ogólnej pojemności sieci.

Klasy A, B i C

LoRaWAN wyodrębnia 3 klasy urządzeń, które mogą pracować jednocześnie: klasy A, B i C. Poszczególne klasy posiadają różne szybkości transmisji danych i możliwości komunikacji ze względu na ich zastosowanie.

Klasa A, czyli Asynchroniczna

Klasa A jest asynchroniczna, oznacza to, że czujniki nie czekają z wysyłaniem wiadomości do gateway’a. Innymi słowy, wysyłają wiadomość i same o siebie zadbają, niezależnie czy informacja została odebrana, czy nie. Następnie urządzenie otwiera dwa okna odbioru w określonych momentach po uplinkowaniu transmisji. W przypadku, gdy serwer nie odpowiada w żadnym z tych okien, następna próba nastapi po kolejnej transmisji uplink. Węzeł również otwiera okna odbioru w określonym czasie. 

Możesz korzystać z węzła zasilanego baterią w trybie czuwania i uruchamiać go tylko do odczytu danych z czujników i ich przesłania do gateway’a. Podejście to jest podobne do systemu ALOHA.

Klasa B, czyli Beacon

Następnie, klasa B ustala harmonogram okien odbioru dla wiadomości downlink z serwera, które są przesyłane w interwałach co 128 sekund. Krótko mówiąc, węzły okresowo otwierają okna odbioru.

Klasa C, czyli Ciągła

Urządzenia zasilane z sieci są głównym celem ostatniej już klasy C. W trybie tym urządzenia końcowe nieustannie oczekują na wiadomości wysyłane w dowolnym czasie.

Bezpieczeństwo

Bezpieczeństwo jest priorytetem we wdrażaniu IoT na masową skalę. Specyfikacja LoRaWAN wyróżnia dwie warstwy kryptografii:

  • Unikalny 128 bitowy Klucz Sesji Sieciowej (NwkSKey) współdzielony między urządzeniem końcowym a serwerem sieciowym,
  • Unikalny 128 bitowy Klucz Sesji Aplikacji (AppSKey) współużytkowany kompleksowo na poziomie aplikacji.

Algorytm szyfrowania

LoRaWAN korzysta z algorytmów AES w celu zapewnienia wierzytelności i integralności pakietów dla serwera sieciowego oraz kompleksowego szyfrowania dla aplikacji serwera. Zapewniając te dwa poziomy kryptografii, możliwe staje się wdrożenie pełnego szyfrowania przesyłanych danych.

Cały ruch LoRaWAN jest zabezpieczony. Każdy pakiet jest zaszyfrowany przez AES-CTR i zawiera licznik klatek, aby uniknąć replikacji pakietów. Kod Integralności Wiadomości (MIC) jest również obliczany za pomocą AES-CMAS, w celu uniknięcia manipulacji pakietów danych.

LoRaWAN encryption

ABP i OTAA

Klucze mogą być Aktywowane Przez Personalizację (ABP) na etapie linii produkcyjnej lub podczas uruchamiania, bądź też mogą zostać aktywowane bezprzewodowo (OTAA) w terenie.

Procedura ABP bezpośrednio wiąże urządzenia końcowe do określonej sieci. Aktywacja urządzenia końcowego przez personalizację oznacza, że węzeł posiada już DevAddr oraz cztery klucze: NwkSKey, SNwkSIntKey, NwkSEncKey i AppSKey. Nie ma potrzeby uzyskiwania ich w trakcie procedury łączenia. Innymi słowy, węzeł zawiera już wszystkie informacje potrzebne do pracy w sieci LoRa.

Z drugiej strony, podczas bezprzewodowej aktywacji, urządzenie końcowe przeprowadza procedurę łączenia z gateway’em LoRaWAN. Urządzenie odbiera DevAddr i dynamicznie zmieniające się wartości, które zostają wykorzystane do obliczenia pozostałych kluczy. Wartości te oparte są na licznych procedurach łączonych dokonywanych przez gateway i DevEUI. W przeciwieństwie do ABP, OTAA umożliwia urządzeniom generowanie nowej pary kluczy w razie potrzeby.

Adresowanie

Urządzenia i aplikacje posiadają 64 bitowy unikatowy identyfikator (DevEUI i AppEUI). W przypadku aktywacji bezprzewodowej, po połączeniu z siecią, urządzenie otrzymuje dynamiczny (nie-unikatowy) 32 bitowy adres (DevAddr). Adres ten składa się z pierwszych 7 bitów ustalonych dla sieci i 25 bitów, które identyfikują każde urządzenie w sieci.

Charakterystyka Internetu Rzeczy

Aplikacje Internetu Rzeczy są bardzo specyficzne. Większość podłączonych urządzeń nadaje wiadomości nie większe niż 2kB. Są to głównie czujniki, które wysyłają wyniki pomiarów w cyklach z możliwą konfiguracją czasu interwału. Węzły te są energooszczędne i zostają aktywowane z trybu uśpienia tylko podczas przesyłu pakietów danych. Aby możliwa była transmisja danych w krótkim czasie, musimy jak najszybciej połączyć się z siecią.

Podsumowanie

Technologia LoRa spełnia wymagania sieci Internetu Rzeczy. Niski pobór energii, daleki zasięg i szybkie połączenie z siecią po wyjściu z trybu uśpienia są kluczowe dla aplikacji tego typu. Co więcej, wiele krajów posiada publiczną infrastrukturę LoRa, jak na przykład The Things Network, czy Senet. Możesz stworzyć sieć czujników bez konieczności budowania i konfiguracji własnej infrastruktury. W istocie, możesz po prostu podłączyć swój gateway do już istniejącej infrastruktury.

W LPN Plant łączymy usługi z zakresu konsultacji, technicznej ekspertyzy oraz efektywności finansowej, aby projektować i wdrażać rozwiązania sieci bezprzewodowych małej mocy dla przedsiębiorstw. Jeżeli poszukujesz programistów dla produktów LoRaWAN, albo jedynie potrzebujesz wsparcia w określonym obszarze Twojego systemu, umów się na spotkanie z naszym ekspertem przez calendly. Jeżeli jesteś zainteresowany tematyką LoRaWAN, zapisz się do naszego newslettera i dziel się treściami na mediach społecznościowych.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *