Введение
Поскольку отрасли ищут экономичные решения с расширенным охватом и поддержкой устройств, возможность подключения, отвечающая этим условиям, стала необходимостью. Такой спрос привел к появлению LPWAN. (Маломощная глобальная сеть) и технология LoRaWAN. LoRaWAN — это глобальная сеть с низким энергопотреблением. (ЛПВАН) протокол, позволяющий устройствам подключаться к Интернету по беспроводной сети на больших расстояниях.. Его основные характеристики — покрытие на большие расстояния и минимальное энергопотребление — хорошо соответствуют требованиям беспроводной связи IoT-устройства которые в основном работают от батареек.
Что такое ЛоРаВАН?
LoRaWAN — это тип технологии беспроводной связи, подпадающий под действие LPWAN. (Глобальная сеть малой мощности). Это означает, что он предназначен для использования минимальной мощности при обеспечении передачи на большие расстояния., что делает его идеальным для крупномасштабных приложений Интернета вещей.. По сути, LoRaWAN использует технологию модуляции LoRa., это особый способ реализации LPWAN.
Лора, по своей сути, это метод модуляции на физическом уровне, который использует Chirp Spread Spectrum. (CSS) технология кодирования информации. Он определяет различные настройки связи., включая пропускную способность, частота передачи, скорость кодирования, и коэффициент распространения. Опираясь на ЛоРа, Технология LoRaWAN определяет протокол для связи между устройствами конечных узлов Интернета вещей и сетью. шлюзы, помогая беспрепятственно подключать устройства к Интернету.
Классы LoRaWAN
Класс А
Класс A работает как асинхронная система, в которой конечные узлы могут передавать сообщения шлюзу, когда это необходимо, а затем переходить в неактивное состояние до следующей передачи.. Эта установка эффективно использует временные интервалы в многоканальной системе.
Класс Б
Способ отправки сообщений на узлы с батарейным питанием, где шлюз излучает маяк каждый раз 128 секунды. Этот маяк позволяет всем базовым станциям LoRaWAN синхронизировать свое время с помощью спутниковых сигналов GPS..
Класс С
Позволяет узлам постоянно прослушивать и передавать сообщения по нисходящей линии связи в любое время.. Этот класс обычно используется в приложениях с питанием от переменного тока, поскольку для поддержания полной активности узла и постоянной работоспособности приемника требуется значительная энергия..
Как работает LoRaWAN
Модуляция LoRa кодирует данные в беспроводные сигналы, используя метод, называемый расширенным спектром чирпа.. За счет увеличения скорости линейной частотной модуляции, сигнал распространяется по нескольким частотным диапазонам, позволяя ему путешествовать на большие расстояния без особых помех. LoRa использует запатентованную модуляцию с расширенным спектром, основанную на этой технологии чирпа.. Например, устройства, расположенные рядом со шлюзом, используют более низкий коэффициент расширения для быстрой передачи данных из-за их близости, в то время как устройства, расположенные дальше, используют более высокий коэффициент расширения для расширения диапазона сигнала., даже несмотря на то, что это замедляет скорость передачи.
IoT-устройства (такой как датчики) в сети LoRaWAN собирают данные периодически или по требованию. Эти устройства используют встроенный модуль LoRa и технологию модуляции LoRa для беспроводной передачи собранных данных на ближайший шлюз LoRaWAN., который затем загружает данные на сетевой сервер LoRaWAN. После дедупликации и проверки данных, и обработка таких функций, как проверка доступа к сети устройства и аутентификация личности., данные будут перенаправлены на сервер приложений, обычно это система, настраиваемая пользователем, облегчить анализ и хранение полученных данных, и выполнить соответствующую обработку, такую как инициирование сигналов тревоги и создание отчетов..
Ключевые особенности и преимущества LoRaWAN
Дальняя дальность и Покрытие:
Технология модуляции LoRa в рамках LoRaWAN обеспечивает дальность передачи в несколько километров., до десятков километров. В большинстве случаев, LoRaWAN достигает около 2-5 Дальность действия в городе, но в открытой сельской местности может превышать 15 км..
Низкое энергопотребление:
Использование систем LoRaWAN сопровождается низким энергопотреблением., поэтому эти системы предпочтительнее для устройств с низким энергопотреблением или питанием от батарей.. Это означает, что эти устройства не требуют замены батарей каждые несколько месяцев в течение многих лет., функция, которая важна для датчиков удаленного мониторинга и средств отслеживания активов, расположенных в труднодоступных местах.
Масштабируемость:
Один шлюз LoRaWAN способен одновременно обслуживать тысячи устройств., тем самым поддерживая обширные связи. Используя адаптивную скорость передачи данных (АДР) функция, Сеть LoRaWAN, также известная как управление ресурсами глобальной сети с низким энергопотреблением, нацелена на более эффективную связь между устройствами..
Экономичное оборудование:
Запуск сети LoRaWAN обходится недорого, поскольку не требует большого количества средств.. Инфраструктура с открытым исходным кодом и ресурсы программного обеспечения делают внедрение более экономичным..
Глобальная связь:
LoRaWAN открыт для каждого пользователя, как заявляет LoRaWAN Alliance.. Устройства и сети могут работать согласованно без необходимости использования общего провайдера., тем самым предлагая лучшую межбрендовую и межотраслевую интеграцию, и больше возможностей в их применении.
Распространенные случаи использования LoRaWAN
1. Умный город
Технология LoRaWAN может помочь в подключении различных устройств Интернета вещей., датчики, интеллектуальные счетчики и другие устройства, присутствующие в умных городах, обеспечивая большую сеть. Устройства и сети IoT могут быть включены в существующую инфраструктуру городов таким образом, чтобы облегчить автоматизацию процессов, а также надзор и контроль за системами, что, в свою очередь, приведет к снижению эксплуатационных затрат.. Вот несколько идей, которые можно реализовать в умных городах:
- Умное уличное освещение: Контроль, управлять и контролировать городские уличные фонари из широкой сети LoRaWAN с возможностью регулирования яркости в зависимости от транспортного потока и внешнего освещения для сокращения затрат на электроэнергию.
- Управление парковкой: Датчики LoRaWAN отслеживают занятость парковочных мест и информируют водителей о наличии парковочных мест., тем самым облегчая проблемы с парковкой и транспортный поток.
- Мониторинг качества воздуха: Используйте датчики LoRaWAN для мониторинга концентрации различных загрязняющих веществ в атмосфере по всему городу с целью контроля загрязнения..
2. Умное сельское хозяйство и его современные инструменты
Сельскохозяйственные предприятия адаптируют использование IoT и наружных приложений LoRaWAN в конкретных областях интеллектуального сельского хозяйства.. Использование сети LoRaWAN, датчики, которые передают в режиме реального времени все данные, касающиеся урожая, животноводство, оборудование, физическая среда и т. д., позволяя фермеру вносить соответствующие изменения в уровень производства и, таким образом, улучшать качество продукции..
3. Промышленный Интернет вещей
Технология LoRaWAN также эффективно применяется в промышленных условиях эксплуатации.. Автоматизированный мониторинг, безопасность, и управление активами позволяют быстрее реагировать со стороны операторов. Например, сфера логистики и интеллектуального складирования., Сети LoRaWAN стали лучше, чем раньше, обеспечивая более широкое покрытие и меньшее количество помех в соединениях..
4. Коммунальные услуги и интеллектуальные измерения
Умные счетчики (для электричества, вода, и т. д.) включить удаленный мониторинг в режиме реального времени, сокращение ошибок и повышение эффективности.
5. Здравоохранение и носимые устройства
Носимые медицинские устройства на базе LoRaWAN предназначены для непрерывного и надежного наблюдения за пациентами в больницах., резиденты по уходу за престарелыми, или кому-либо, кому необходим мониторинг жизненно важных функций в режиме реального времени.
Сетевая архитектура LoRaWAN
1. Публичные и частные сети LoRaWAN
Публичная сеть LoRaWAN — это сеть LoRaWAN, принадлежащая третьей стороне., в основном оператор связи или поставщик сетевых услуг, взимает комиссию с пользователей, подключающих устройства к сети. Частная сеть LoRaWAN — это сеть, которую строит и эксплуатирует физическое лицо или предприятие, и в основном, контролируемый ими, и часто географически ограничены по площади. Этот вид подключения часто обеспечивает лучшую безопасность данных и конфиденциальность..
2. Гибридные модели
Принципы частной и общедоступной сети LoRaWAN могут быть объединены таким образом, что потребности пользователя в комфорте в частной сети и покрытии удовлетворяются через общедоступную сеть, но более защищенную.. Пользователи могут выбрать либо общедоступную сеть, либо частную сеть, и даже обе одновременно, в зависимости от ситуации..
3. Сетевое развертывание
Оцените зону покрытия, достижимая скорость передачи данных и потребляемая электроэнергия сетями LoRaWAN, в объеме, продиктованном требованиями проекта. После определения количества шлюзов, необходимых в зоне покрытия и местах развертывания., построить топологию сети (обычно топология «звезда»). Выберите и смонтируйте подходящие точки доступа LoRaWAN и другие устройства.. После завершения развертывания оборудования, установить параметры шлюзов, настроить сетевой сервер, и начать тестирование и проверку. После завершения развертывания проекта, регулярно осуществлять мониторинг и техническое обслуживание оборудования.
Функции безопасности LoRaWAN
Сквозное шифрование
Сквозное шифрование защищает всю передачу от устройства к серверу приложений.. Обычно он имеет два уровня механизма шифрования., Шифрование сетевого уровня LoRaWAN и шифрование прикладного уровня.. Два вышеупомянутых метода шифрования создают два разных ключа NwkSKey и AppSKey.. Это означает, что вся информация будет зашифрована во время передачи с момента отправки устройством данных до тех пор, пока данные не достигнут сервера приложений.. Поэтому, даже если шлюз или промежуточный поставщик сетевых услуг получает пакет данных, они не смогут увидеть или изменить данные.
Аутентификация устройства
LoRaWAN использует очень строгий механизм аутентификации устройств, чтобы не допускать неавторизованных устройств в сеть.. Присоединение к сети LoRaWAN имеет два основных подхода..
ОТАА (Беспроводная активация)
Этот вариант является самым безопасным от всех атак.. В любое время, устройство подключается к сети LoRaWAN, новая пара ключей (ключ сеанса сети NwkSKey и ключ сеанса приложения AppSKey) сформулирован. Эти ключи создаются на основе DevEUI устройства и AppKey.. Использование ОТАА, каждый раз, когда устройство подключается к сети, личность устройства подтверждена, и таким образом, подтверждено, что ни одно постороннее устройство не допускается в сети.
АДП (Активация посредством персонализации)
В этой технике, ключи устройства готовы до развертывания устройства. ABP не требует, чтобы ключи создавались заново, но фиксированы и не позволяют изменить ограничения предлагаемой безопасности, что уступает OTAA..
Неважно, OTAA это или ABP., механизмы аутентификации устройств LoRaWAN предотвращают любое нежелательное соединение с сетью от неаутентифицированных устройств..
Управление ключами
Шифрование используется во всех взаимодействиях между устройствами и серверами, и такие процессы шифрования реализуются с использованием разных ключей.. В сети LoRaWAN используются в основном три ключевые функции управления..
- AppKey используется при генерации сеансовых ключей в процессе OTAA.. Когда пользовательское устройство впервые подключается к сети, этот ключ помогает создать ключ сеанса сети и ключ сеанса приложения..
- NwkSKey — это ключ, который помогает шифровать данные связи между устройствами и сетевыми серверами..
- AppSKey — это ключ, который шифрует данные приложения между устройствами и серверами приложений..
Следует отметить, что управление ключами в LoRaWAN должно выполнять следующие требования.:
- Уникальность: Каждое устройство имеет свой собственный ключ, который не совпадает с другими устройствами, поэтому другие устройства не будут мешать обмену данными между устройствами..
- Ключевое обновление: Механизм OTAA помогает устройствам создавать новые ключи всякий раз, когда они подключаются к новой сети, и это сводит к минимуму риски, связанные с использованием статических ключей в течение длительных периодов времени..
- Безопасность хранения ключей: Устройства, шлюзы и серверы должны эффективно защищать эти ключи, поскольку злоумышленник может захотеть получить эти ключи для расшифровки передаваемой информации..
ЛоРаВАН против. Другие протоколы Интернета вещей
ЛоРаВАН против. НБ-IoT
Покрытие: LoRaWAN предлагает расширенный диапазон связи, таким образом, наиболее выгодно в сельских или малонаселенных регионах, где диапазон может достигать 15 километры. В отличие, NB-IoT имеет ограниченный радиус покрытия около 10 километров, но более эффективен в городах и средах со множеством построек..
Потребляемая мощность: Энергопотребление LoRaWAN довольно низкое, поэтому батареи устройств могут работать несколько лет, что идеально подходит для размещения таких устройств в течение длительного времени.. NB-IoT также значительно энергоэффективен, но срок службы его батареи короче из-за объема передаваемых данных..
Сценарии применения: Из-за большого радиуса действия и низкой передачи данных, LoRaWAN хорошо подходит для таких приложений, как интеллектуальное сельское хозяйство., экологический мониторинг и многое другое.. С другой стороны, NB IoT более применим в тех случаях, когда объем данных велик и проникновение сигнала глубокое, например, в интеллектуальных счетчиках и решениях для умных городов..
ЛоРаВАН против. Wi-Fi/Bluetooth
Диапазон: Расстояние связи через LoRaWAN может достигать нескольких километров, тогда как расстояние связи Wi-Fi и Bluetooth колеблется от нескольких метров до примерно ста метров в лучшем случае..
Срок службы батареи: Из-за низкой мощности передачи и очень небольшого объема данных, передаваемых по LoRaWAN., батареи рабочего устройства может хватить на несколько лет активного использования. Напротив, устройства, использующие технологии Wi-Fi и Bluetooth, потребляют больше энергии, поэтому их необходимо заряжать или заменять в течение определенного периода времени..
Пропускная способность данных: LoRaWAN предназначен для передачи данных с низкой скоростью, и его пропускная способность ограничена всего несколькими пакетами данных, даже если задержка не является проблемой., в то время как технологии Wi-Fi и Bluetooth обеспечивают более высокую пропускную способность данных и, следовательно, могут применяться в контекстах, где передаются большие объемы данных..
Выбор подходящих продуктов и решений LoRaWAN
Понимание ваших потребностей:
Чтобы получить максимальную выгоду от развертывания инфраструктуры LoRaWAN, необходимо принять во внимание следующие соображения.
- Диапазон: Хотя LoRaWAN может поддерживать покрытие беспроводной сети на большом расстоянии., качество сигнала ограничено географическим рельефом и постройками. Важно было бы продумать конкретное место развертывания и спланировать обустройство шлюза..
- Срок службы батареи: Подумайте, как долго, по вашему мнению, ваше устройство LoRaWAN будет работать, и выберите устройство, у которого время автономной работы и энергопотребление в порядке..
- Пропускная способность данных: Определите, интересна ли вам простая и нечастая передача данных или наоборот., много данных передается часто. LoRaWAN предназначен для использования в средах, где скорость передачи данных не такая высокая..
- Экономически эффективный подход: Сеть LoRaWAN имеет очень значительное преимущество в стоимости, когда она развертывается на широкой географической территории.. С другой стороны, в зависимости от размера проекта и входных данных проекта, таких как стоимость оборудования, стоимость шлюзов и обслуживания сети, выберите правильный вариант.
- Масштабируемость: Если ваша инициатива требует широкого спектра возможностей подключения устройств, или вы предпочитаете легко подключать устройства в ближайшие годы, тогда LoRaWAN — наиболее подходящий вариант.
Типы устройств LoRaWAN:
Устройства LoRaWAN бывают различных форм, например шлюзы., датчики, теги, модули, и т. д.. Последний MST01 Датчик температуры и влажности LoRaWAN® от Минью, использует технологию LoRaWAN, чтобы выйти за рамки ограничений, налагаемых зоной покрытия традиционных датчиков, и даже снизить энергопотребление устройства. Этот датчик имеет большое значение для управления интеллектуальными складскими логистикой и транспортными системами..
Лучшие поставщики LoRaWAN:
Все больше поставщиков в отрасли Интернета вещей предлагают продукты и решения LoRaWAN.. Мины является одной из ведущих компаний в этой области, специализируется на аппаратных решениях IoT и может похвастаться более чем 200 патенты и сертификаты оригинальности. Вы можете сотрудничать с Minew, чтобы создать индивидуальное аппаратное решение IoT в соответствии с вашими требованиями..
Будущее LoRaWAN
1. Новые приложения: С развитием спутниковой связи, LoRaWAN может использовать мониторинг датчиков в таких приложениях, как обнаружение дыма в невидимых лесных районах или определение температуры на океанских буях и т. д.. Данные, поступающие от датчиков LoRaWAN при возникновении взаимодействия, умные города смогут реализовать эффективные стратегии управления транспортом.
2. ЛоРаВАН и 5G: Решения для промышленной автоматизации включают 5G для обеспечения удаленного управления оборудованием с использованием данных датчиков LoRaWAN..
3. LoRaWAN в глобальной экосистеме Интернета вещей: Рынок приложений технологии LoRaWAN демонстрирует стремительный рост. Прогнозируется, что по 2030 глобальный рынок IoT LoRa и LoRaWAN расширится до 48,4 млрд долларов США, с темпом роста рынка 36.8% в течение прогнозируемого периода. Рынок Интернета вещей действительно ценит эту технологию из-за ее множества преимуществ..
Заключение: Подходит ли вам LoRaWAN?
Преимущества технологии LoRaWAN очевидны.. Больше нет необходимости плотно развертывать шлюзы для приема сигналов от удаленных устройств.. LoRaWAN способен легко и с разумными затратами удовлетворить потребности вашего проекта.. Работает от сети LoRaWAN, вы также можете легко получить доступ к данным, которые помогут вам принять стратегические решения, которые повысят общую производительность проекта и бизнеса.. На рынке Интернета вещей, объем продуктов и специализированных услуг на базе технологии LoRaWAN стабильно увеличивается