Introdução a lora e lorawan: o que é lora e como funciona?

A comunicação é uma das partes mais importantes de qualquer projeto de IoT. A capacidade de uma coisa se comunicar com outras “coisas” (uma nuvem / servidor de dispositivo) é o que dá à “coisa” o direito de anexar a “internet” ao seu nome. Embora existam toneladas de protocolos de comunicação, cada um deles carece de uma coisa ou de outra que os torna “não totalmente adequados” para aplicações de IoT. Os principais problemas são o consumo de energia, alcance / cobertura e largura de banda.

A maioria dos rádios de comunicação como Zigbee, BLE, WiFi entre outros são de curto alcance e outros como, 3G e LTE, consomem muita energia e a extensão de suas áreas de cobertura não pode ser garantida, especialmente em países em desenvolvimento. Embora esses protocolos e modos de comunicação funcionem para certos projetos, eles trazem uma limitação extensa como; dificuldades na implantação de soluções de IoT em áreas sem cobertura de celular (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) e redução bruta na vida útil da bateria dos dispositivos. Assim, vislumbrando o futuro da IoT e a conexão de todos os tipos de "coisas", localizadas em todos os tipos de lugares, havia a necessidade de um meio de comunicação feito sob medida para a IoT que suportasse seus requisitos especificamente de baixa potência e alcance significativamente, barato, seguro e fácil de implantar. É aqui que entra o LoRa.

LoRa (que significa Long Range) é uma tecnologia de comunicação sem fio patenteada que combina o consumo de energia ultrabaixo com um longo alcance efetivo. Embora o alcance dependa altamente do ambiente e de possíveis obstruções (LOS ou N-LOS), LoRa normalmente tem um alcance entre 13-15 km, o que significa que um único gateway LoRa pode fornecer cobertura para uma cidade inteira, e com mais alguns, um todo país. A tecnologia foi desenvolvida pela Cycleo na França e veio à tona quando a empresa foi adquirida pela Semtech em 2012. Usamos os módulos LoRa com Arduino e com Raspberry Pi e funcionaram conforme o esperado.

Características do LoRa

Um rádio LoRa é composto por alguns recursos que o ajudam a alcançar potência efetiva de longo alcance e baixo custo. Alguns desses recursos incluem;

1. Técnica de modulação
2. Frequência
3. Taxas de dados adaptáveis
4. Níveis de potência adaptativa

Modulação

Os rádios Lora usam a técnica de modulação de espectro de espalhamento chirp para alcançar uma faixa de comunicação significativamente alta, enquanto mantém características de baixa potência que são semelhantes aos rádios baseados na camada física de modulação FSK. Embora a modulação de espectro de espalhamento chirp já exista há algum tempo com aplicações em comunicações militares e espaciais, LoRa apresenta a primeira aplicação comercial de baixo custo da técnica de modulação.

Frequência

Embora a tecnologia LoRa seja agnóstica de frequência, a comunicação entre rádios LoRa ocorre por meio do uso de bandas de frequência de rádio sub-GHz não licenciadas que estão disponíveis em todo o mundo. Essas frequências variam de região para região e frequentemente também diferem entre os países. Por exemplo, 868 MHz é comumente usado para comunicações LoRa na Europa, enquanto 915 MHz é usado na América do Norte. Independentemente da frequência, LoRa pode ser usado sem nenhuma variação significativa na tecnologia.

Faixas de frequência para LoRa em países diferentes

O uso de frequências mais baixas do que as dos módulos de comunicação como WiFi com base nas bandas ISM de 2,4 ou 5,8 GHz permitem uma área de cobertura muito maior, especialmente para situações de NLOS.

É importante observar que as permissões ainda são necessárias em alguns países antes que as bandas não licenciadas possam ser usadas.

Taxa de dados adaptável

LoRa usa uma combinação de largura de banda variável e fatores de espalhamento (SF7-SF12) para adaptar a taxa de dados em uma compensação com o alcance da transmissão. Fator de espalhamento mais alto permite maior alcance às custas de taxa de dados mais baixa e vice-versa. A combinação de largura de banda e fator de espalhamento pode ser escolhida de acordo com as condições do link e o nível de dados a serem transmitidos. Assim, um fator de espalhamento mais alto melhora o desempenho e a sensibilidade da transmissão para uma determinada largura de banda, mas também aumenta o tempo de transmissão como resultado de taxas de dados mais baixas. Eles podem variar de apenas 18bps até 40Kbp

Nível de potência adaptável

O nível de potência usado pelos rádios LoRa é adaptativo. Depende de fatores como a taxa de dados e as condições do link, entre outros. Quando uma transmissão rápida é necessária, a potência transmitida é empurrada para mais perto do máximo e vice-versa. Assim, a vida útil da bateria é maximizada e a capacidade da rede mantida. O consumo de energia também depende da classe de dispositivos, entre vários outros fatores.

LoRaWAN

LoRaWAN é um padrão de rede de longa distância (LPWAN) de alta capacidade, longo alcance, aberto e baixo consumo projetado para LoRa Powered IoT Solutions pela LoRa Alliance. É um protocolo bidirecional que aproveita ao máximo todos os recursos da tecnologia LoRa para fornecer serviços, incluindo entrega confiável de mensagens, segurança ponta a ponta, localização e recursos multicast. O padrão garante a interoperabilidade das várias redes LoRaWAN em todo o mundo.

Geralmente há uma confusão quando as pessoas tentam definir LoRa e LoRaWAN, o que provavelmente é melhor resolvido examinando o Modelo de pilha de referência OSI.

Simplificando, com base no modelo de pilha OSI, LoRaWAN corresponde ao protocolo de acesso à mídia para a rede de comunicação, enquanto LoRa corresponde à camada física. Assim, LoRaWAN define o protocolo de comunicação e a arquitetura do sistema para a rede, enquanto a arquitetura LoRa permite o link de comunicação de longo alcance. Os dois se fundiram para fornecer a funcionalidade que determina a vida útil da bateria de um nó, a capacidade da rede, a qualidade do serviço, a segurança e outros aplicativos servidos pela rede. Embora LoRaWAN seja a camada MAC mais popular para LoRa, existem outras camadas proprietárias que também são construídas na tecnologia LoRa. Um bom exemplo é o Symphony link da Link Labs, desenvolvido especialmente para aplicações industriais.

A arquitetura de rede LoRaWAN

Oposto à topologia de rede em malha adotada pela maioria das redes, LoRaWAN usa a arquitetura de rede em estrela, portanto, em vez de ter cada dispositivo final quase sempre ligado, repetindo a transmissão de outros dispositivos para aumentar o alcance, dispositivos finais na rede LoRaWAN comunicam-se diretamente com os gateways e só estão ligados quando precisam se comunicar com o gateway, já que o alcance não é um problema. Este é um fator que contribui para os recursos de baixo consumo de energia e alta vida útil da bateria obtidos nos dispositivos finais LoRa

A arquitetura de rede LoRa é composta por quatro partes principais;

1. Dispositivos finais

2. Gateways

3. Servidor de rede

4. Servidor de aplicativos

1. Dispositivos finais

Esses são sensores ou atuadores na extremidade da rede. Os dispositivos finais atendem a diferentes aplicativos e têm diferentes requisitos. Para otimizar uma variedade de perfis de aplicativos finais, o LoRaWAN ™ utiliza três classes de dispositivos diferentes para as quais os dispositivos finais podem ser configurados. As aulas apresentam compensações entre a latência de comunicação do downlink e a vida útil da bateria do dispositivo.

As três classes principais são;

1. Dispositivos finais bidirecionais (Classe A)

2. Dispositivos finais bidirecionais com slots de recepção programados (Classe B)

3. Dispositivos finais bidirecionais com slots máximos de recepção (Classe C)

Eu. Dispositivos Finais Classe A

Estes são dispositivos que requerem apenas comunicação de downlink do servidor imediatamente após um Uplink. Por exemplo, eles são dispositivos que precisam receber confirmação de entrega de mensagem do servidor após um uplink. Para esta classe de dispositivos, eles devem esperar até que um Uplink seja enviado ao servidor antes que qualquer downlink possa ser recebido. Como resultado disso, a comunicação é mantida no mínimo e, portanto, eles têm a operação de menor energia e a maior vida útil da bateria. Um bom exemplo de dispositivos de classe A é um medidor de energia inteligente baseado em LoRa

ii. Dispositivos Finais Classe B

Esses dispositivos são alocados janelas extras de downlink em intervalos programados, além do downlink recebido quando um uplink é enviado (Classe A + um downlink extra programado). A natureza agendada deste downlink garante que a operação ainda está com baixo consumo de energia, uma vez que a comunicação está ativa apenas em intervalos agendados, mas a energia extra consumida durante o downlink agendado aumenta o consumo de energia além dos dispositivos de Classe A, como tal, eles têm uma bateria mais baixa vida em comparação com dispositivos finais de classe A.

iii. Dispositivos Finais Classe C

Essa classe de dispositivos não tem limitação de downlink. Eles são projetados para estarem quase sempre abertos às comunicações do servidor. Eles consomem mais energia do que as outras classes e têm a vida útil da bateria mais baixa. Bons exemplos de dispositivos de classe C são dispositivos finais usados ​​no gerenciamento de frota ou monitoramento de tráfego real.

2. Gateways

Gateways (também chamados de concentradores) são dispositivos conectados ao servidor de rede por meio de conexões IP padrão que retransmitem mensagens entre o back-end do servidor de rede central e os dispositivos finais usando protocolo de comunicação sem fio de salto único. Eles são projetados para oferecer suporte à comunicação bidirecional e são equipados com multicast, permitindo que o software envie mensagens de distribuição em massa, como atualizações pelo ar.

No coração de cada gateway LoRa está um demodulador LoRa multicanal capaz de decodificar todas as variantes de modulação LoRa em várias frequências em paralelo.

Para uma operadora de rede em grande escala, os principais fatores de distinção devem ser o desempenho do rádio (sensibilidade, envio de energia), a conexão do chip SX1301 ao gateway MCU (USB para SPI ou SPI para SPI) e o suporte e distribuição de PPS sinal cuja disponibilidade permite a sincronização de tempo precisa em toda a população de gateway em uma rede

LoRa espalha a comunicação entre dispositivos finais e gateways em vários canais de frequência e taxas de dados. A tecnologia de espalhamento espectral usa taxas de dados que variam de 0,3 kbps a 50 kbps para evitar que as comunicações interfiram umas nas outras e cria um conjunto de canais "virtuais" que aumentam a capacidade do gateway.

Para maximizar a vida útil da bateria dos dispositivos finais e a capacidade geral da rede, o servidor de rede LoRa gerencia a taxa de dados e a saída de RF para cada dispositivo final individualmente por meio de um esquema de taxa de dados adaptável (ADR).

3. Servidor de rede

O servidor Lora Network é a interface entre o servidor de aplicativos e os Gateways. Ele retransmite comandos do servidor de aplicativos para o gateway enquanto transfere dados dos gateways para o servidor de aplicativos. Ele executa funções, incluindo garantir que não haja pacotes duplicados, agendamento de confirmações e gerenciamento da taxa de dados e saída de RF para cada dispositivo final individualmente, usando um esquema de taxa de dados adaptável (ADR).

4. Servidor de aplicativos

O servidor de aplicativos determina para que os dados dos dispositivos finais são usados. A visualização de dados, etc., provavelmente é feita aqui.

Segurança e privacidade LoRaWAN

A importância da segurança e privacidade em qualquer solução de IoT não pode ser subestimada. O protocolo LoRaWAN especifica criptografia para garantir que seus dados estejam seguros, concretamente

* Chaves AES128 por dispositivo

* Regeneração / revogação instantânea das chaves do dispositivo

* Criptografia de carga útil por pacote para privacidade de dados

* Proteção contra ataques de repetição

* Proteção contra ataques man-in-the-middle

LoRa usa duas chaves; As chaves de sessão de rede e de sessão de aplicativo fornecem comunicação criptografada e dividida para gerenciamento de rede e comunicação de aplicativo.

A chave de sessão de rede, compartilhada entre o dispositivo e a rede é responsável pela autenticação dos dados do nó final, enquanto a chave de sessão do aplicativo, compartilhada entre o aplicativo e o nó final, é responsável por garantir a privacidade dos dados do dispositivo.

Principais recursos do LoRAWAN

*> Orçamento de link de 160 dB

* +20 dBm de potência TX

* IIP3 excepcional

* Melhoria de seletividade de 10dB em relação ao FSK

* Tolerante à interferência de burst no canal

* Corrente RX mais baixa - 10mA

* Menor corrente de sono

* Despertar ultrarrápido (dormir para RX / TX)

Vantagens do LoRa

Abaixo estão algumas das vantagens associadas ao LoRa;

1. Longo alcance e cobertura: Com alcance LOS de até 15 km, seu alcance não pode ser comparado com o de qualquer outro protocolo de comunicação.

2. Baixo consumo de energia: LoRa oferece rádios de baixa potência, o que os torna ideais para dispositivos que duram 10 anos ou