El principio técnico de LoRaWAN y de su uso en agua, electricidad y gas

Con el desarrollo gradual de Internet de cosas, muchos usos de Internet de cosas tienen pequeños paquetes de datos y una alta tolerancia para el retraso, que requiere una amplia gama de despliegue, o están situados en remoto, el sótano, el metro y otros lugares con proteger serio. No es fácil para que la tecnología de la comunicación inalámbrica existente o de comunicación móvil transmita señales. La tecnología de comunicación con la distancia y el bajo consumo de energía desarrollados en respuesta a la situación antedicha colectivamente se llama la red de área extensa de la energía baja (LPWAN).

LPWAN tiene las ventajas del bajo consumo de energía, de la distancia y del gran número estupendo de conexiones, así que es conveniente para los usos que requieren el despliegue y la pequeña cantidad en grande de transmisión de datos. Esta característica es muy constante con los requisitos de uso de la información inteligente acquisition.LPWAN del metro de la energía se puede dividir en dos campos según la banda de frecuencia utilizó: banda de frecuencia autorizada y banda de frecuencia no autorizada. El desarrollo de la tecnología no autorizada de la banda de frecuencia LPWAN es anterior, y la tecnología principal es LoRaWAN.

Introducción a LoRaWAN

LoRaWAN es un sistema de protocolo de comunicación y de arquitectura de sistema diseñados para la red de comunicaciones de larga distancia de LoRa. Define cómo los datos se transmiten en la red de LoRaWAN (la red aquí refiere a nodos, a las entradas, y a los servidores), define el tipo de mensajes, de estructura del marco de datos, y de métodos de encripción de la seguridad, introduce la operación específica del acceso de red, y explica la diferencia entre el amo y los ordenadores auxiliares.

LoRaWAN considera completamente varios factores tales como consumo de energía del nodo, capacidad de red, seguridad y diversidad del uso de la red en el diseño de protocolo y de arquitectura de red.

Arquitectura de red de LoRaWAN

Lo que sigue es la arquitectura de red de LoRa:

Una arquitectura de red de LoRaWAN incluye cuatro porciones: terminal, entrada, servidor de red y servidor de aplicaciones. La estrella y las topologías de red celulares se utilizan entre la entrada y el terminal. Debido a las características de larga distancia de LoRa, la sola transmisión del salto se puede utilizar entre ellas. El nodo terminal puede enviar a las entradas múltiples al mismo tiempo. La entrada adelante los datos del protocolo de LoRaWAN entre el NS y el terminal, transmite los datos de LoRaWAN entre el terminal y la entrada con la radiofrecuencia de LoRa, y transmite los datos de LoRaWAN entre la entrada y el servidor de red con protocolo del TCP/IP.

Descripción del protocolo de LoRaWAN

1 clasificación del、 de nodos terminales

En términos de especificaciones técnicas, la tarifa de transmisión de LoRaWAN está sobre 30bit/s-50kbit/s, la distancia de transmisión es los cerca de 2-5km en zonas urbanas y el hasta 15km en áreas suburbanas. Apoya la transmisión bidireccional. Los modos de transmisión se pueden dividir en la línea de fondo (clase A), faro (clase B) y continuo (la clase C) según los requisitos del retraso y el consumo de energía, la clase un modo puede ser transmitida solamente cuando el dispositivo terminal envía una petición, con el consumo de la energía más baja, y se utiliza en contadores del agua y metros de gas; La clase C es la transmisión continua de datos con el retraso de transmisión más corto. La clase C se utiliza generalmente en metros de la electricidad.

Uplink de 2、 y transmisión del enlace descendente del nodo terminal

Éste es el diagrama de secuencia del uplink y del enlace descendente de la clase A. actualmente, RX1 del reciben la ventana comienzan generalmente 1 segundo después del uplink, y RX2 del reciben comienzo de la ventana 2 segundos después del uplink.

La clase C y A es básicamente lo mismo, salvo que cuando duerme la clase A, abre recibe la ventana RX2.

establecimiento de una red de 3、 de nodos terminales

Hay dos modos de investigación para el acceso de red terminal: Sobre la activación del aire (OTAA) y la activación por la personalización (ABP).

Las redes comerciales de LoRaWAN siguen generalmente el proceso de la activación de OTAA, para poder garantizar la seguridad. De esta manera, los parámetros de DevEUI, de AppEUI, y de AppKey necesitan ser preparados.

DevEUI es ID exclusivo de a global - similar a IEEE EUI64, que identifica un dispositivo terminal único. Es equivalente a la dirección MAC del dispositivo.

AppEUI es ID exclusivo de a global - similar a IEEE EUI64, que identifica un proveedor de uso único

AppKey es asignado al terminal por el dueño del uso. Necesita ser configurado en el servidor de red y quemó en el terminal correspondiente.

Después de los iniciados terminales únase al proceso, él publica el comando del establecimiento de una red. Después de que el NS (servidor de red) confirme que no hay error, hará una contestación del establecimiento de una red al terminal y asignará la dirección de red DevAddr (identificación de 32 bits). Ambas partes utilizan la información relevante en la contestación del establecimiento de una red y el AppKey para generar las claves de sesión NwkSKey y AppSKey, que se utilizan para cifrar y para verificar data.NwkSKey se almacena en el servidor de red para la comunicación entre el servidor de red y el terminal; AppSKey se ahorra en el servidor de aplicaciones para la comunicación con el servidor de red.

Si se utiliza el segundo método de cribado, activación de ABP, los tres parámetros de comunicación finales de LoRaWAN DevAddr, NwkSKey, y AppSKey se configura directamente, y se unen a proceso se requieren no más. En este caso, el dispositivo puede enviar datos de uso directamente. Debido a la falta de autentificación bidireccional, los terminales ilegales se pueden tener acceso a la red o inducir por las pseudo estaciones base. Por lo tanto, en general, los proyectos comerciales utilizan el proceso de la activación de OTAA.

4 datos del、 que reciben y que envían

Después de tener acceso la red, los datos de uso se cifran usando algoritmo de encripción del pedazo AES128. La figura siguiente muestra el mecanismo de seguridad de cada parte en el proceso de la comunicación:

Los servidores de red y los nodos terminales utilizan la verificación del MIC para asegurarse que la verificación de correctness.MIC utiliza algoritmo de AES-CMAC, incluyendo cuenta del marco (prevenir ataques de la retransmisión) y NwkSKey (prevenir el paquete que trata de forzar), y que utiliza la encripción de AppSKey para cifrar datos de usuario (tal y como se muestra en de la figura abajo)

LoRaWAN especifica dos tipos de bastidores de datos: Confirmado o sin confirmar, es decir, el tipo que requiere una respuesta y el tipo que no requiere una respuesta. El fabricante puede seleccionar el tipo apropiado según las necesidades del uso.

Además, podemos ver de la introducción que una de las consideraciones principales del diseño de LoRaWAN está al principio a la diversidad del uso de ayuda. Además de usar AppEUI para dividir usos, los puertos del uso de FPort se pueden también utilizar para procesar datos por separado durante la transmisión. La gama del valor de FPort es (1~223), que es especificado por la capa de aplicaciones.

mecanismo de ADR de 5、

La modulación de LoRa tiene factor del espectro separado, y diversos factores del espectro separado tendrán diversas distancia de transmisión y tarifa de transmisión, y no afectarán a la transmisión de datos.

Para ampliar la capacidad de la red de LoRaWAN, una tarifa de datos adaptante de LoRa - el mecanismo de ADR se diseña en el protocolo. Los dispositivos con diversas distancias de transmisión utilizarán la tarifa de datos más rápida como sea posible según la situación de la transmisión. Esto también hace la transmisión de datos total más eficiente.

LORAWAN ofrece

LoRaWAN es caracterizado por la transmisión inalámbrica, la capacidad antiinterferente fuerte, la comunicación cifrada, la cobertura amplia, el bajo consumo de energía, la conexión grande y el bajo costo.

De larga distancia: Los gracias al aumento de la modulación de espectro separado y del código de corrección de error delantero, LoRa alcanzan sobre dos veces la distancia de la comunicación de la tecnología celular.

Capacidad grande: Hay muchos nodos en Internet de cosas. Una red de LoRaWAN puede conectar fácilmente decenas de miles de nodos.

Extensión fácil de la capacidad: Cuando una red de LoRaWAN necesita aumentar capacidad, usted puede añadir las entradas.

Seguridad: LoRaWAN es Internet cifrado doble de Things.It es conveniente para el uso de la información de los metros del agua y de la electricidad.

Indicadores técnicos de la entrada y del módulo

1 entrada del、

Entrada inteligente G200 (interior)

Entrada inteligente G500 (al aire libre)

2. Módulo de LoRaWan

Datos medidos

1 prueba de la distancia del tirón del、

En una distancia rectilínea de los 3.7KM del sitio de prueba, la fuerza de señal es - 94, la relación señal-ruido es - 6,0, y los paquetes de datos de la antena interna y de antena externa son normales.

、 2 en prueba de penetración del edificio

La entrada está instalada en el pozo superficial en el 15ª planta de construir 4 en una comunidad

En los datos en la tabla arriba, la fuerza de señal es más que - 100dbm (lejos más que el límite de recepción de la sensibilidad del módulo de - 139dbm), y el ratio señal/ruido es más que - 10, que pueden alcanzar la comunicación confiable bidireccional. Por lo tanto, si la entrada se coloca en el 15ª planta, la cobertura de la señal del edificio entero en el 32ª planta puede ser alcanzada.

prueba del índice de éxito de la carga por teletratamiento de 3 datos del、

De los datos de prueba antedichos, podemos ver que 120 tablas pueden cargar datos en el plazo de 3 minutos, con un índice de éxito medio de más el de 99%.

conclusión de 4、

(1) el uso de la antena incorporada en la ciudad puede asegurar la comunicación normal dentro de los 2-3km, y el uso de la antena direccional externa puede alcanzar un más de larga distancia.

(2) la señal puede penetrar 10-15 pisos.

(3) una entrada semidúplex de 8 canales puede asegurar 120 metros para terminar la transmisión de datos confiable en el plazo de 3 minutos. Si se utiliza una entrada semidúplex de 16 canales, los datos de más de 200 metros pueden ser transmitidos confiablemente.

caso del uso de 7、

Este caso es un parque grande en Turkmenistán, que recolecta una serie de infraestructuras tales como edificios de oficinas, residencias, lugares de deportes y tiendas. Es los cerca de 2.3km anchos y los 4.3km largos.

El punto rojo indica la ubicación de la entrada

Éste es un parque grande, que utiliza Internet siguiente de los dispositivos de las cosas:

Puede ser visto tan de los datos antedichos, el parque no sólo utiliza muchos tipos de dispositivos de IoT, pero también un gran número. Con la tecnología de LoRaWan, la banda de frecuencia es 864-865MHz modificó para requisitos particulares para ella. 55 entradas elegantes G200 (interior) y 55 entradas elegantes G500 (al aire libre) se utilizan para terminar el establecimiento de una red del acceso de todos los dispositivos. Al mismo tiempo, un servidor de red puede recibir los datos transmitidos por todos los dispositivos y realizar el proceso eficiente.

La arquitectura de sistema total usada en el caso se muestra en la figura siguiente:

Todo el equipo y servicios en este caso se despliegan localmente en el campus del cliente de una manera integrada, que puede asegurar la seguridad y la aislamiento de los datos transmitidos por todo el equipo.

Si los clientes necesitan, pueden también desplegar el servidor de red, la plataforma del acceso o la plataforma del uso en la nube, o utilizar directamente la plataforma del uso existente para obtener y para procesar datos con atracar con la plataforma del acceso.

La plataforma del uso puede proporcionar los diversos servicios requeridos por los clientes para diversos dispositivos según los datos recogidos por diversos dispositivos: