Что такое ЛоРаВАН

Поскольку масштабы Интернета вещей продолжают расширяться, а его приложения становятся все более обширными, точек контроля доступа становится все больше, а использование LoRaWAN становится тенденцией. Что такое ЛоРаВАН? В этой статье будет представлен вводный технический обзор LoRaWAN, который поможет практикам LoRa всесторонне понять LoRaWAN.

1. Что такое ЛоРаВАН

LoRaWAN — это набор протоколов связи и системной архитектуры, разработанный для сети связи LoRa на большие расстояния. Он определяет, как данные передаются в сети LoRaWAN (под сетью здесь подразумеваются узлы, шлюзы и серверы), определяет тип сообщения, структуру кадра данных и метод шифрования безопасности; знакомит с конкретными операциями сети и объясняет разницу между главным и подчиненным устройством.

Диаграмма иерархии протоколов

При разработке протокола и сетевой архитектуры LoRaWAN полностью учитывает несколько факторов, таких как энергопотребление узла, пропускная способность сети, качество обслуживания, безопасность и разнообразие сетевых приложений.

2. Сетевая архитектура LoRaWAN.

Давайте немного разберемся с технической точки зрения. Ниже представлена ​​схема сетевой архитектуры в официальном документе LoRa Alliance.

Видно, что архитектура сети LoRaWAN включает четыре части: терминал, базовую станцию, NS (сетевой сервер) и сервер приложений. Между базовой станцией и терминалом используется звездообразная топология сети. Благодаря характеристикам LoRa на большие расстояния между ними может использоваться односкачковая передача. В разделе терминалов перечислены 6 типичных приложений. Есть деталь. Вы обнаружите, что терминальный узел может отправлять данные на несколько базовых станций одновременно. Базовая станция пересылает данные протокола LoRaWAN между NS и терминалом и передает данные LoRaWAN по радиочастотной передаче LoRa и TCP/IP соответственно.

Давайте посмотрим на эту сетевую архитектуру в сочетании с экологией отрасли, представленной ниже, и каждый сможет получить более глубокое понимание.

3. Обзор соглашения

• Классификация терминальных узлов

Во введении в начале мы увидели, что в соглашении указано три типа терминального оборудования: класса A/B/C, и эти три типа оборудования в основном охватывают все сценарии применения Интернета вещей. Для вашего удобства сделана таблица.

• Передача по восходящей и нисходящей линии связи терминальных узлов

Это диаграмма последовательности восходящей и нисходящей линии связи класса А. В настоящее время окно приема RX1 обычно начинается через 1 секунду после восходящей линии связи, а окно приема RX2 начинается через 2 секунды после восходящей линии связи.

Классы C и A по сути одинаковы, за исключением того, что когда класс A спит, он открывает окно приема RX2.

Временной интервал класса B более сложен. Он имеет синхронный маяк временного интервала и временной интервал окна приема с фиксированным периодом. В этом примере период маяка составляет 128 секунд, а период проверки связи — 32 секунды.

• Скрининг терминальных узлов

Поняв основные понятия, вы сможете понять, как работают узлы. Прежде чем официально отправлять и получать данные, терминал необходимо сначала добавить в сеть.

Существует два метода проверки: активация по беспроводной сети (OTAA) и активация путем персонализации (ABP).

Коммерческие сети LoRaWAN обычно следуют процессу активации OTAA, поэтому можно гарантировать безопасность. Этот метод должен подготовить три параметра DevEUI, AppEUI и AppKey.

DevEUI — это глобальный уникальный идентификатор, аналогичный IEEE EUI64, который идентифицирует уникальное терминальное устройство. Он эквивалентен MAC-адресу устройства.

AppEUI — это глобальный уникальный идентификатор, аналогичный IEEE EUI64, который идентифицирует уникального поставщика приложений. Например, каждое приложение для мониторинга мусорных баков, приложение для сигнализации дыма и т. д. имеют свой собственный уникальный идентификатор.

AppKey присваивается терминалу владельцем приложения.

После того, как терминал инициирует процесс присоединения к сети, он отправляет команду добавления сети. После того, как NS (сетевой сервер) подтвердит правильность, он ответит терминалу и назначит сетевой адрес DevAddr (32-битный идентификатор). Обе стороны используют соответствующую информацию в ответе сети, и AppKey генерирует сеансовые ключи NwkSKey и AppSKey, которые используются для шифрования и проверки данных.

Если используется второй метод скрининга, то есть активация АД, он относительно прост и груб. Непосредственно настройте три окончательных параметра связи LoRaWAN: DevAddr, NwkSKey и AppSKey. Процесс присоединения больше не требуется. В этом случае устройство может отправлять данные приложения напрямую.

• Отправка и получение данных

После добавления сети данные приложения шифруются.

LoRaWAN предусматривает, что существует два типа кадров данных: подтвержденный и неподтвержденный, то есть тип, требующий ответа, и тип, который не требует ответа. Производитель может выбрать подходящий тип в соответствии с потребностями применения.

Кроме того, из введения видно, что основным моментом проектирования LoRaWAN является поддержка разнообразия приложений. Помимо использования AppEUI для разделения приложений, порт приложения FPort также можно использовать для раздельной обработки данных во время передачи. Диапазон значений FPort составляет (1–223), который определяется уровнем приложения.

• механизм АДР

Мы знаем, что в модуляции LoRa существует концепция коэффициента расширения. Различные коэффициенты расширения будут иметь разные расстояния передачи и скорости передачи, и они не будут влиять на передачу данных друг друга.

Для расширения пропускной способности сети LoRaWAN в протоколе предусмотрен механизм адаптации скорости LoRa (Adaptive datarate-ADR). Устройства с разным расстоянием передачи будут использовать максимально возможную скорость передачи данных в зависимости от условий передачи. Это также делает общую передачу данных более эффективной.

• MAC-команды

С целью удовлетворения потребностей управления сетью на основе протокола разработана серия MAC-команд для изменения соответствующих параметров сети. Например, задержка окна приема, скорость устройства и так далее. В реальном процессе подачи заявки он обычно редко участвует и временно игнорируется.

Выше приведен базовый обзор LoRaWAN. Я считаю, что каждый должен иметь более глубокое понимание LoRaWAN. В ближайшие несколько лет различные области Интернета вещей будут широко использоваться в LoRaWAN, а также в реальных проектах могут возникнуть некоторые новые проблемы. Но это всего лишь процесс. Если вы хотите избежать проблем, вы можете использовать последовательные модули LoRaWAN, разработанные некоторыми производителями модулей LoRa. Эти модули предоставляют простые последовательные AT-команды, которые очень удобны в использовании.