Технический принцип LoRaWAN и его применение в воде, электричестве и газе 

С постепенным развитием Интернета вещей многие приложения Интернета вещей имеют малые пакеты данных и высокую толерантность к задержкам, что требует широкого развертывания, или они расположены в отдаленных местах, подвалах, подземных и других местах с серьезной экранировкой. Существующим технологиям беспроводной связи или мобильной связи не легко передавать сигналы. Технология связи с дальним радиусом действия и низким энергопотреблением, разработанная в ответ на вышеуказанную ситуацию, в целом называется сеть широкополосной связи с низким энергопотреблением (LPWAN).

У LPWAN есть преимущества низкого энергопотребления, дальнего радиуса действия и сверхбольшого количества соединений, поэтому она подходит для приложений, требующих крупномасштабного развертывания и передачи небольшого количества данных. Эта функция очень согласуется с требованиями к приложению для получения информации от интеллектуального счетчика энергии. LPWAN можно поделить на два лагеря в зависимости от используемого частотного диапазона: уполномоченный частотный диапазон и неуполномоченный частотный диапазон. Развитие технологии LPWAN на не уполномоченном частотном диапазоне было раньше, и основная технология – LoRaWAN.

Введение в LoRaWAN
LoRaWAN – это набор протоколов связи и системная архитектура, разработанная для длиннодистанционной коммуникационной сети LoRa. Она определяет, как передаются данные в сети LoRaWAN (сеть здесь означает узлы, шлюзы и серверы), определяет тип сообщений, структуру кадра данных и методы шифрования безопасности, представляет конкретную работу сетевого доступа и объясняет разницу между главными и подчиненными компьютерами.

LoRaWAN полностью учитывает несколько факторов, таких как потребление энергии узла, емкость сети, безопасность и разнообразие сетевых приложений при проектировании протокола и архитектуры сети.

Архитектура сети LoRaWAN
Следующим является архитектура сети LoRa:

Архитектура сети LoRaWAN включает в себя четыре части: терминал, шлюз, сетевой сервер и приложение сервер. Звездная и сотовые сетевые топологии используются между шлюзом и терминалом. Благодаря дальней характеристике LoRa, между ними может использоваться однократная передача. Терминальный узел может одновременно отправлять на несколько шлюзов. Шлюз передает данные протокола LoRaWAN между NS и терминалом, передает данные LoRaWAN между терминалом и шлюзом через радиочастоты LoRa и передает данные LoRaWAN между шлюзом и сетевым сервером через протокол TCP / IP.

Обзор протокола LoRaWAN
1、Классификация терминальных узлов

С точки зрения технических характеристик, скорость передачи LoRaWAN составляет около 30 бит/с-50кбит/с, расстояние передачи составляет около 2-5км в городских условиях и до 15км в пригородных районах. Он поддерживает двухстороннюю передачу. Режимы передачи могут быть разделены на Baseline (Class A), Beacon (Class B) и Continuous (Class C) в зависимости от требований к задержке и энергопотреблению. В режиме Class A передача возможна только при отправке запроса терминальным устройством, с самым низким энергопотреблением, и используется в водомерах и газовых счетчиках; Class C – это непрерывная передача данных с самой короткой задержкой передачи. В целом Class C используется в счетчиках электроэнергии.

2、Прямая и обратная передача терминального узла

Это диаграмма последовательности прямой и обратной передачи класса A. В настоящее время RX1 окна приема обычно начинается через 1 секунду после прямой связи, а RX2 окна приема начинается через 2 секунды после прямой связи.

Классы C и A в основном одинаковы, за исключением того, что когда класс A спит, он открывает приемное окно RX2.

3. Сетевое взаимодействие терминальных узлов

Существует два режима скрининга для доступа к сети терминала: активация по воздуху (OTAA) и активация по персонализации (ABP).

Коммерческие сети LoRaWAN обычно следуют процессу активации OTAA, чтобы гарантировать безопасность. Таким образом, необходимо подготовить параметры DevEUI, AppEUI и AppKey.

DevEUI – это глобально уникальный идентификатор, подобный IEEE EUI64, который идентифицирует уникальное терминальное устройство. Он эквивалентен MAC-адресу устройства.

AppEUI – это глобально уникальный идентификатор, подобный IEEE EUI64, который идентифицирует уникального поставщика приложений.

AppKey назначается терминалу владельцем приложения. Его нужно настроить на сетевом сервере и записать на соответствующий терминал.

После того, как терминал инициирует процесс присоединения, он выпускает команду сетевого подключения. После подтверждения NS (сетевого сервера) о том, что ошибки нет, он сделает сетевой ответ терминалу и назначит сетевой адрес DevAddr (32-битный ID). Обе стороны используют соответствующую информацию в ответе на сетевое подключение и AppKey для генерации сеансовых ключей NwkSKey и AppSKey, которые используются для шифрования и проверки данных. NwkSKey хранится на сетевом сервере для связи между сетевым сервером и терминалом; AppSKey сохраняется на сервере приложений для связи с сетевым сервером.

Если используется второй метод отбора, активация ABP, три последних параметра коммуникации LoRaWAN DevAddr, NwkSKey и AppSKey настраиваются напрямую, и не требуется процесс присоединения. В этом случае устройство может непосредственно отправлять данные приложения. Из-за отсутствия двухсторонней аутентификации незаконные терминалы могут получить доступ к сети или быть индуцированными ложными базовыми станциями. Поэтому, в общем, коммерческие проекты используют процесс активации OTAA.

4. Прием и отправка данных

После доступа к сети данные приложения шифруются с использованием алгоритма шифрования AES128 бит. На следующем рисунке показан механизм безопасности каждой части в процессе коммуникации:

Серверы сети и терминальные узлы используют проверку MIC для обеспечения корректности. Проверка MIC использует алгоритм AES-CMAC, включая счетчик кадров (чтобы предотвратить атаки повторной передачи) и NwkSKey (для предотвратить подделку пакетов), и использует шифрование AppSKey для шифрования пользовательских данных (как показано на рисунке ниже).

LoRaWAN определяет два типа данных: подтвержденные или неподтвержденные, то есть тип, который требует ответа, и тип, который не требует ответа. Производитель может выбрать подходящий тип в соответствии с потребностями приложения.

Кроме того, мы можем видеть из вступления, что одним из основных соображений при проектировании LoRaWAN изначально была поддержка разнообразия приложений. Помимо использования AppEUI для разделения приложений, порты приложений FPort также могут быть использованы для отдельной обработки данных во время передачи. Диапазон значений FPort – (1 ~ 223), он определяется на уровне приложений.

5, механизм ADR

Модуляция LoRa имеет фактор распространения, и разные факторы распространения будут иметь разную дальность передачи и скорость передачи, и они не будут влиять на передачу данных.

Для расширения емкости сети LoRaWAN на протоколе разработан механизм адаптивной скорости передачи данных LoRa – ADR. Устройства с различной дистанцией передачи будут использовать максимально возможную скорость данных в соответствии с условиями передачи. Это также делает общую передачу данных более эффективной.

Особенности LORAWAN

LoRaWAN характеризуется беспроводной передачей, сильной способностью противодействовать помехам, зашифрованной связью, широким покрытием, низким энергопотреблением, большим подключением и низкой стоимостью.

Дальний радиус действия: благодаря получению спектрального распространения и кода исправления ошибок вперед, LoRa достигает примерно вдвое большей дистанции связи, чем сотовые технологии.

Большая мощность: в интернете вещей много узлов. Сеть LoRaWAN легко может подключить десятки тысяч узлов.

Легкое расширение емкости: когда сети LoRaWAN требуется увеличить емкость, вы можете добавить шлюзы.

Безопасность: LoRaWAN – это дважды зашифрованный интернет вещей, подходящий для информационного приложения водяных и электрических счетчиков.

Технические показатели шлюза и модуля

1, шлюз

Умный шлюз G200 (для помещений)

Интеллектуальный шлюз G500 (уличный)

2, Модуль LoRaWAN