Технический принцип LoRaWAN и своего применения в воде, электричестве и газе

С постепенным развитием интернета вещей, много применений интернета вещей имеют небольшие пакеты данных и высокую устойчивость для задержки, которая требует широкого диапазона раскрытия, или расположены в удаленном, подвале, подполье и других местах с серьезный защищать. Не легко для существующей беспроводной технологии связи или мобильной телефонной связи для того чтобы передать сигналы. Техника связи с потреблением дальнего расстояния и низкой мощности начатым в ответ на вышеуказанную ситуацию совместно вызвана сетью широкого пространства низкой мощности (LPWAN).

LPWAN имеет преимущества большого количества потребления низкой мощности, международных и супер соединений, поэтому соответствующее для применений требуя широкомасштабных раскрытия и небольшого количества передачи данных. Эту особенность очень последовательна с прикладными требованиями умных данных по acquisition.LPWAN счетчика энергии можно разделить в 2 лагеря согласно частотной полосе использовала: утвержденная частотная полоса и не утвержденная частотная полоса. Развитие не утвержденной технологии частотной полосы LPWAN более предыдущее, и главная технология LoRaWAN.

Введение к LoRaWAN

LoRaWAN набор комуникационного протокола и системной архитектуры конструированных для сети междугородной связи LoRa. Оно определяет как данные переданы в сеть LoRaWAN (сеть здесь ссылается на узлы, ворота, и серверы), определяет тип сообщений, структуры рамки данных, и методов шифрования безопасностью, вводит специфическую деятельность доступа к сети, и объясняет разницу между мастером и невольничьими компьютерами.

LoRaWAN полно рассматривает несколько факторов как расход энергии узла, пропускная способность сети, безопасность и разнообразие применения сети в дизайне протокола и архитектуры сети.

Архитектура сети LoRaWAN

Следующее архитектура сети LoRa:

Архитектура сети LoRaWAN включает 4 части: терминал, ворот, сетевой сервер и сервер программных приложений. Звезда и клетчатые топологии сети использованы между ворот и терминалом. Должный к международным характеристикам LoRa, одиночную передачу хмеля можно использовать между ими. Терминальный узел может отправить во множественные ворота в то же время. Ворот вперед данные по протокола LoRaWAN между NS и терминалом, передает данные по LoRaWAN между терминалом и ворот через радиочастоту LoRa, и передает данные по LoRaWAN между ворот и сетевым сервером через протокол TCP/IP.

Обзор протокола LoRaWAN

1 классификация、 терминальных узлов

По отоношению к техническим данным, тариф передачи LoRaWAN о 30bit/s-50kbit/s, дальность передачи около 2-5km в городских местностях и до 15km в пригородных районах. Она поддерживает двухстороннюю передачу. Виды передачи можно разделить в базис (класс a), маяк (класс b) и непрерывное (класс c) согласно требованиям к задержки и расход энергии, класс режим можно только передать когда конечное устройство отправляет запрос, с самым низким расходом энергии, и использовано в счетчиках воды и газовых счетчиках; Класс c непрерывная передача данных с самой короткой задержкой передачи. Класс c вообще использован в метрах электричества.

uplink 2、 и передача нисходящего канала терминального узла

Это диаграмма последовательности uplink и нисходящего канала A. класса в настоящее время, RX1 получают окно вообще начинают 1 второе после uplink, и RX2 получают начала окна через 2 секунды после uplink.

Класс c и a по существу это же, за исключением того, что когда класс a спит, он раскрывает получает окно RX2.

сеть 3、 терминальных узлов

2 режима скрининга для терминального доступа к сети: Над активацией воздуха (OTAA) и активацией персонализацией (ABP).

Коммерчески сети LoRaWAN вообще следовать процессом активации OTAA, так, что безопасность можно гарантировать. Таким образом, параметрам DevEUI, AppEUI, и AppKey нужно быть подготовленным.

DevEUI ID a глобально - уникальный подобный IEEE EUI64, который определяет уникальное конечное устройство. Оно соответствующий к MACу-адрес MAC-адрес прибора.

AppEUI ID a глобально - уникальный подобный IEEE EUI64, который определяет уникальный поставщика применения

AppKey назначено терминалу владельцем применения. Для этого нужно быть установленным на сетевом сервере и сгорел на соответствуя терминале.

После терминальных вновь принятых присоединяться к процессу, ему выдает команду сети. После того как NS (сетевой сервер) подтвердит что никакая ошибка, она сделает ответ сети к терминалу и назначитьет сетевой адрес DevAddr (трицатидвухразрядный ID). Обе партии используют релевантную информацию в ответе сети и AppKey для генерации ключей встречи NwkSKey и AppSKey, которые использованы для того чтобы шифровать и проверить data.NwkSKey хранится на сетевом сервере для сообщения между сетевым сервером и терминалом; AppSKey сохранено в сервере программных приложений для сообщения с сетевым сервером.

Если использован второй экранируя метод, активация ABP, то 3 окончательных параметра связи DevAddr LoRaWAN, NwkSKey, и AppSKey установлено сразу, и присоединяются к процессу больше не необходимы. В этом случае, прибор может отправить данные прикладной программы сразу. Должный к недостатку двухстороннего удостоверения подлинности, противозаконные терминалы могут получать доступ к сети или быть наведены псевдо базовыми станциями. Поэтому, вообще, коммерчески проекты используют процесс активации OTAA.

4 данного по、 получая и отправляя

После получения доступа к сети, данные прикладной программы шифровать используя алгоритм шифрования бита AES128. Следующую на диаграмму показано механизм обеспечения безопасности каждой из частей в процессе связи:

Сетевые серверы и терминальные узлы используют проверку MIC для обеспечения что проверка correctness.MIC использует алгоритм AES-CMAC, включая отсчет рамки (предотвратить нападения ретрансляции) и NwkSKey (предотвратить пакет незаконно изменяя), и использует шифрование AppSKey для того чтобы шифровать пользовательские данные (как показано в диаграмме ниже)

LoRaWAN определяет 2 типа рамок данных: Подтверженный или неподтвержденный, т.е., тип который требует ответа и типа который не требует ответа. Изготовитель может выбрать соотвествующий тип согласно потребностям применения.

К тому же, мы можем увидеть от введения что одно из главного рассмотрения в начале дизайна LoRaWAN к разнообразию вспомогательной программы. В дополнение к использованию AppEUI для того чтобы разделить применения, порты применения FPort можно также использовать для обработки данных отдельной во время передачи. Ряд значения FPort (1~223), которое определено прикладным уровнем.

механизм ADR 5、

Модуляция LoRa имеет фактор расширенного спектра, и различные факторы расширенного спектра будут иметь различный тариф дальности передачи и передачи, и не будут влиять на передачу данных.

Расширить емкость сети LoRaWAN, тариф данным по LoRa приспособительный - механизм ADR конструирован на протоколе. Приборы с различными дальностями передачи будут использовать самый быстрый тариф данных как возможный согласно ситуации передачи. Это также делает общую передачу данных более эффективной.

LORAWAN отличает

LoRaWAN охарактеризовано беспроводной передачей, сильной противоинтерференционной способностью, шифровать сообщением, широким охватом, потреблением низкой мощности, большим соединением и низкой ценой.

Международный: Спасибо увеличение модуляции расширенного спектра и переднего кода исправления ошибки, LoRa достигают о дважды расстоянии связи клетчатой технологии.

Большая емкость: Много узлов в интернете вещей. Сеть LoRaWAN может легко подключить десятки тысяч узлов.

Легкое расширение емкости: Когда сети LoRaWAN нужно увеличить емкость, вы можете добавить ворота.

Безопасность: LoRaWAN двойной шифровать интернет Things.It соответствующее для применения информации метров воды и электричества.

Технические индикаторы ворот и модуля

1 ворот、

Умное ворот G200 (крытое)

Умное ворот G500 (на открытом воздухе)

2. Модуль LoRaWan

Измеренные данные

1 тест расстояния тяги、

На прямолинейном расстоянии 3.7KM от полигона, сила сигнала - 94, отношение сигнал-шум - 6,0, и пакеты данных внутренней антенны и внешней антенны нормальны.

、 2 в тесте проникания здания

Ворот установлено в поверхностный колодец на пятнадцатый пол построения 4 в общине

В данных в таблице выше, сила сигнала больше чем - 100dbm (далеко больше чем предел чувствительности модуля получая - 139dbm), и коэффициент сигнал-шума больше чем - 10, которое могут достигнуть двухстороннего надежного сообщения. Поэтому, если ворот помещено на пятнадцатом поле, то охвата сигнала всего здания на 32nd поле можно достигнуть.

тест показателя успеха загрузки 3 данным по、

От вышеуказанных проверок данных, мы можем увидеть что 120 таблиц могут загружать данные не позднее 3 минуты, со средним показателем успеха больше чем 99%.

заключение 4、

(1) польза встроенной антенны в городе может обеспечить нормальное сообщение не позднее 2-3km, и польза внешней антенны направленного действия может достигнуть международного.

(2) сигнал может прорезать 10-15 полов.

(3) одно ворот 8 каналов полу- двухшпиндельное может обеспечить 120 метров для того чтобы завершить передачу достоверных данных не позднее 3 минуты. Если ворот 16 каналов полу- двухшпиндельное использовано, то данные больше чем 200 метров можно надежно передать.

случай применения 7、

Этот случай большой парк в Туркменистан, которое собирает серию инфраструктур как офисные здания, резиденции, места спорт и магазины. Он около 2.3km широкое и 4.3km длинные.

Красная точка показывает положение ворот

Это большой парк, который использует следующий интернет приборов вещей:

Как можно видеть от над данными, парк не только использует много типов приборов IoT, но также большое количество. С технологией LoRaWan, частотная полоса 864-865MHz подгоняла для ее. 55 умных ворот G200 (крытое) и 55 умных ворот G500 (на открытом воздухе) использованы для того чтобы завершить сеть доступа всех приборов. В то же время, один сетевой сервер может получить данные переданные всеми приборами и выполнить эффективную обработку.

Общая системная архитектура используемая в случае показана в следующей диаграмме:

Все оборудование и обслуживания в этом случае раскрыты по месту в кампусе клиента в интегрированном образе, который может обеспечить безопасность и уединение данных переданных всем оборудованием.

Если клиентам, то они могут также раскрыть сетевой сервер, платформу доступа или платформу применения в облаке, или сразу использовать платформу существующих приложений для того чтобы получить и обработать данные через стыковать с платформой доступа.

Платформа применения может обеспечить различные обслуживания необходима клиентами для различных приборов согласно данным собранным различными приборами: