Le principe technique de LoRaWAN et de son application en eau, électricité et gaz

Avec le développement progressif de l'Internet des choses, beaucoup d'applications de l'Internet des choses ont de petits paquets de données et une tolérance élevée pour le retard, qui exige un large éventail de déploiement, ou sont situées dans à distance, le sous-sol, le souterrain et d'autres endroits avec l'armature sérieuse. Il n'est pas facile pour que la technologie sans fil existante de communication ou de communication mobile transmette des signaux. La technologie des communications avec la consommation de puissance faible de fond et développée en réponse à la situation ci-dessus s'appelle collectivement le réseau de zone ample de puissance faible (LPWAN).

LPWAN a les avantages du nombre de consommation de puissance faible, de fond et superbe grand de connexions, ainsi il convient aux applications exigeant le déploiement à grande échelle et l'un peu de la transmission de données. Cette caractéristique est très compatible aux exigences d'application d'information intelligente acquisition.LPWAN de mètre d'énergie peut être divisée en deux camps selon la bande de fréquence a employé : bande de fréquence autorisée et bande de fréquence non autorisée. Le développement de la technologie non autorisée de la bande de fréquence LPWAN est plus tôt, et la technologie principale est LoRaWAN.

Introduction à LoRaWAN

LoRaWAN est un ensemble de protocole de transmission et d'architecture de système conçus pour le réseau de transmission de fond de LoRa. Il définit comment des données sont transmises dans le réseau de LoRaWAN (le réseau ici se rapporte à des noeuds, à des passages, et à des serveurs), définit le type des messages, de la structure de cadre de données, et de méthodes de chiffrage de sécurité, présente l'opération spécifique de l'accès au réseau, et explique la différence entre le maître et les ordinateurs slaves.

LoRaWAN considère entièrement plusieurs facteurs tels que la puissance de noeud, la capacité du réseau, la sécurité et la diversité d'application de réseau dans la conception du protocole et de l'architecture de réseau.

Architecture de réseau de LoRaWAN

Ce qui suit est l'architecture de réseau de LoRa :

Une architecture de réseau de LoRaWAN inclut quatre parts : terminal, passage, serveur de réseau et serveur d'applications. L'étoile et les topologies de réseau cellulaires sont employées entre le passage et le terminal. En raison des caractéristiques de fond de LoRa, la transmission simple d'houblon peut être employée entre elles. Le noeud terminal peut envoyer aux passages multiples en même temps. Le passage en avant les données de protocole de LoRaWAN entre le NS et le terminal, transmet les données de LoRaWAN entre le terminal et le passage par la radiofréquence de LoRa, et transmet les données de LoRaWAN entre le passage et le serveur de réseau par le protocole de TCP/IP.

Aperçu de protocole de LoRaWAN

1 classification de、 des noeuds terminaux

En termes de spécifications techniques, le débit de transmission de LoRaWAN est au sujet de 30bit/s-50kbit/s, la distance de transmission est environ 2-5km dans les zones urbaines et jusqu'à 15km dans des secteurs suburbains. Elle soutient la transmission bilatérale. Les modes de transmission peuvent être divisés en ligne de base (classe A), balise (classe B) et continu (la classe C) selon les conditions de retard et la puissance, la classe un mode peut seulement être transmise quand le terminal envoie une demande, avec la consommation de la puissance faible, et est employé dans des mètres d'eau et des compteurs à gaz ; La classe C est la transmission continue des données avec le délai de transmission le plus court. La classe C est généralement employée dans des mètres de l'électricité.

liaison montante de 2、 et transmission de liaison descendante de noeud terminal

C'est le diagramme d'ordre de la liaison montante et de la liaison descendante de la classe A. actuellement, RX1 de reçoivent la fenêtre commencent généralement 1 seconde après la liaison montante, et RX2 de reçoivent des débuts de fenêtre 2 secondes après la liaison montante.

La classe C et A sont fondamentalement identique, sauf que quand la classe A dort, elle ouvre reçoivent la fenêtre RX2.

mise en réseau de 3、 des noeuds terminaux

Il y a deux modes menu pour l'accès au réseau terminal : Au-dessus de l'activation d'air (OTAA) et de l'activation par la personnalisation (ABP).

Les réseaux commerciaux de LoRaWAN suivent généralement le processus d'activation d'OTAA, de sorte que la sécurité puisse être garantie. De cette façon, des paramètres de DevEUI, d'AppEUI, et d'AppKey doivent être préparés.

DevEUI est identification unique d'a globalement - semblable à IEEE EUI64, qui identifie un terminal unique. Il est équivalent au MAC address du dispositif.

AppEUI est identification unique d'a globalement - semblable à IEEE EUI64, qui identifie un fournisseur d'application unique

AppKey est assigné au terminal par le propriétaire d'application. Il doit être configuré sur le serveur de réseau et a brûlé sur le terminal correspondant.

Après les initiés terminaux joignez le processus, il publie la commande de mise en réseau. Après que le NS (serveur de réseau) confirme qu'il n'y a aucune erreur, elle fera une réponse de mise en réseau au terminal et assignera l'adresse réseau DevAddr (identification à 32 bits). Les deux parties emploient les informations importantes dans la réponse de mise en réseau et l'AppKey pour produire des clés de session NwkSKey et AppSKey, qui sont employées pour chiffrer et vérifier data.NwkSKey est stocké sur le serveur de réseau pour la communication entre le serveur de réseau et le terminal ; AppSKey est sauvé dans le serveur d'applications pour la communication avec le serveur de réseau.

Si la deuxième méthode de dépistage, activation d'ABP, est employée, les trois paramètres de communication finaux de LoRaWAN DevAddr, NwkSKey, et AppSKey sont configurés directement, et joignent le processus n'est plus exigés. Dans ce cas, le dispositif peut envoyer des données d'application directement. En raison du manque d'authentification bi-directionnelle, des terminaux illégaux peuvent accéder au réseau ou être induits par de pseudo stations de base. Par conséquent, généralement les projets commerciaux emploient le processus d'activation d'OTAA.

4 données de、 recevant et envoyant

Après accès du réseau, les données d'application sont chiffrées utilisant l'algorithme de chiffrement du peu AES128. La figure suivante montre le mécanisme de sécurité de chaque partie dans le processus de communication :

Les serveurs de réseau et les noeuds terminaux emploient la vérification de MIC pour s'assurer que la vérification de correctness.MIC emploie l'algorithme d'AES-CMAC, y compris le compte de cadre (pour empêcher des attaques de retransmission) et le NwkSKey (pour empêcher le paquet trifouillant), et emploie le chiffrage d'AppSKey pour chiffrer des données d'utilisateur (suivant les indications de la figure ci-dessous)

LoRaWAN spécifie deux types de cadres de données : Confirmé ou non confirmé, c.-à-d., le type qui exige une réponse et le type qui n'exige pas une réponse. Le fabricant peut choisir le type approprié selon les besoins d'application.

En outre, nous pouvons voir de l'introduction qu'une des considérations principales de la conception de LoRaWAN au début est à la diversité d'application de soutien. En plus d'employer AppEUI pour diviser des applications, des ports d'application de FPort peuvent également être employés pour traiter des données séparément pendant la transmission. La chaîne de valeur de FPort est (1~223), qui est spécifié par la couche application.

mécanisme d'ADR de 5、

La modulation de LoRa a le facteur de spectre étalé, et les différents facteurs de spectre étalé auront la distance et le débit de transmission de transmission différents, et n'affecteront pas la transmission de données.

Afin d'augmenter la capacité du réseau de LoRaWAN, un débit adaptatif de LoRa - le mécanisme d'ADR est conçu sur le protocole. Les dispositifs avec différentes distances de transmission emploieront le débit le plus rapide comme possible selon la situation de transmission. Ceci rend également la transmission de données globale plus efficace.

LORAWAN comporte

LoRaWAN est caractérisé par la transmission sans fil, la capacité anti-parasitage forte, la communication chiffrée, la couverture large, la consommation de puissance faible, la grande connexion et le coût bas.

De fond : Grâce au gain de la modulation de spectre étalé et en avant du code de correction d'erreurs, LoRa réalise environ deux fois la distance de communication de la technologie cellulaire.

Grande capacité : Il y a beaucoup de noeuds dans l'Internet des choses. Un réseau de LoRaWAN peut facilement relier des dizaines de milliers de noeuds.

Expansion facile de capacité : Quand un réseau de LoRaWAN doit augmenter la capacité, vous pouvez ajouter des passages.

Sécurité : LoRaWAN est un double Internet chiffré de Things.It convient à l'application de l'information des mètres de l'eau et de l'électricité.

Indicateurs techniques de passage et de module

1 passage de、

Passage intelligent G200 (d'intérieur)

Passage intelligent G500 (extérieur)

2. Module de LoRaWan

Données mesurées

1 essai de distance de traction de、

À une distance à ligne directe de 3.7KM de la zone d'essai, la force du signal est - 94, le rapport de signal-bruit est - 6,0, et les paquets de données de l'antenne interne et de l'antenne externe sont normaux.

、 2 dans l'essai de pénétration de bâtiment

Le passage est installé dans le puits extérieur sur le 15ème étage de construire 4 dans une communauté

Dans les données dans la table ci-dessus, la force du signal est davantage que - 100dbm (bien davantage que la limite de réception de la sensibilité du module de - 139dbm), et le rapport signal/bruit est davantage que - 10, qui peuvent réaliser la communication fiable bi-directionnelle. Par conséquent, si le passage est placé sur le 15ème étage, la couverture de signal du bâtiment entier sur le trente-deuxième étage peut être réalisée.

essai d'indice de réussite de téléchargement de 3 données de、

Des essais ci-dessus, nous pouvons voir que 120 tables peuvent télécharger des données d'ici 3 minutes, avec un indice de réussite moyen de plus de 99%.

conclusion de 4、

(1) l'utilisation de l'antenne intégrée dans la ville peut assurer la communication normale à moins de 2-3km, et l'utilisation de l'antenne directrice externe peut réaliser un plus de fond.

(2) le signal peut pénétrer 10-15 planchers.

(3) un passage semi-duplex de 8 canaux peut assurer 120 mètres pour accomplir la transmission de données fiable d'ici 3 minutes. Si un passage semi-duplex de 16 canaux est utilisé, les données de plus de 200 mètres peuvent être sûrement transmises.

cas d'application de 7、

Ce cas est un grand parc au Turkménistan, qui recueille une série d'infrastructures telles que des immeubles de bureaux, des résidences, des rencontres sportives et des magasins. Il est environ 2.3km larges et 4.3km longs.

Le point rouge indique l'emplacement du passage

C'est un grand parc, qui emploie l'Internet suivant des dispositifs de choses :

Aussi peut être vu des données ci-dessus, le parc emploie non seulement beaucoup de types de dispositifs d'IoT, mais également un grand nombre. Avec la technologie de LoRaWan, la bande de fréquence est 864-865MHz a adapté aux besoins du client pour elle. 55 passages intelligents G200 (d'intérieur) et 55 passages intelligents G500 (extérieur) sont utilisés pour accomplir la mise en réseau d'accès de tous les dispositifs. En même temps, un serveur de réseau peut recevoir les données transmises par tous les dispositifs et effectuer le traitement efficace.

L'architecture de système global utilisée dans le cas est montrée dans la figure suivante :

Tous les équipement et services dans ce cas sont déployés localement dans le campus du client d'une façon intégrée, qui peut assurer la sécurité et l'intimité des données transmises par tout l'équipement.

Si les clients ont besoin, ils peuvent également déployer le serveur de réseau, la plate-forme d'accès ou la plate-forme d'application dans le nuage, ou directement utiliser la plate-forme d'application existante pour obtenir et traiter des données par l'accouplement avec la plate-forme d'accès.

La plate-forme d'application peut fournir de divers services exigés par des clients pour différents dispositifs selon les données rassemblées par différents dispositifs :