LoRaWAN jest protokołem telekomunikacyjnym umożliwiającym komunikację radiową o niskiej przepustowości obiektów o niskim poborze mocy komunikujących się przy użyciu technologii LoRa i połączonych z Internetem za pośrednictwem bramek , uczestnicząc tym samym w Internecie Rzeczy . Protokół ten jest wykorzystywany w kontekście inteligentnych miast , monitoringu przemysłowego, a nawet rolnictwa . Technologia modulacji powiązana z LoRaWAN to LoRa, stworzona w 2009 roku przez start-up Grenoble Cycléo i przejęta przez Semtech w 2012 roku. Semtech promuje swoją platformę LoRa poprzez LoRa Alliance, którego jest członkiem. Protokół LoRaWAN na warstwie fizycznej LoRa umożliwia podłączenie czujników lub obiektów wymagających długiej żywotności baterii (liczonej w latach), objętości (wielkość pudełka zapałek lub paczki papierosów) i obniżonych kosztach.
LoRaWAN to skrót od Long Range Wide-area network, który można przetłumaczyć jako „ sieć rozległa dalekiego zasięgu”.
Protokół lorawan to protokół komunikacyjny dla internetu przedmiotów, który wykorzystuje technikę modulacji o widmie rozproszonym typu Chirp Spread Spectrum (w) właściciel nazywa Lora. Protokół ten ma być prosty, niedrogi we wdrażaniu i energooszczędny, a nie pozwalać na wysokie natężenia przepływu. Celem LoRaWAN jest wyraźnie tania, energooszczędna komunikacja dalekiego zasięgu, a nie szybka komunikacja, która zużywa więcej procesora i energii. Rzeczywiście, wyzwania dotyczące wzajemnych połączeń obiektów tkwią w ich koszcie, ich autonomii oraz ich ilości z punktu widzenia sieci . Ten niski koszt uzyskuje się dzięki zastosowaniu architektury gwiazdy (prostszej niż architektura siatki), techniki modulacji, która jest prostsza do wdrożenia niż konwencjonalne sieci komórkowe, co zmniejsza koszt komponentów elektronicznych, które się tam znajdują. jak korzystanie z wolnych pasm częstotliwości (nie wymagające opłaty za ich użytkowanie). Używane urządzenia końcowe są w większości niedrogie ( od 1 do 5 USD ), dzięki czemu można je wdrażać w dużych ilościach.
Wykorzystanie darmowych częstotliwości pozwala również na tworzenie „prywatnych” sieci LoRa, czyli nie posiadających łączy z operatorem, mogących pokryć budynek, obszar taki jak miasto bez konieczności opłacania abonamentu.
Sieć LoRaWAN składa się z urządzeń bezprzewodowych o niskim poborze mocy, które komunikują się z serwerami aplikacji za pośrednictwem bram . Technika modulacji stosowana między urządzeniami a bramami to LoRa. Komunikacja między bramami a serwerami odbywa się za pomocą protokołu IP przy użyciu sieci zbiorczej Ethernet lub 3G .
Topologia sieci LoRaWAN nazywana jest gwiazdą gwiazd, ponieważ serwer aplikacji jest połączony z wieloma bramami, które same są połączone z wieloma urządzeniami końcowymi.
W sensie sieciowym urządzenia nie są połączone z bramami, służą jedynie jako przekaźniki do serwera zarządzającego siecią, który sam jest podłączony do jednego lub więcej serwerów aplikacji. Te pakiety wysyłane przez urządzenia są retransmitowane przez bramkami po dodaniu tylko informacje o jakości odbieranego sygnału.
Jeśli zasięg radiowy na to pozwala, kilka bramek może retransmitować ten sam komunikat z urządzenia, jest on następnie duplikowany w sieci zbiorczej, to serwer hostujący aplikację zapewnia duplikację pakietów. Ta szczególna cecha umożliwia w szczególności zlokalizowanie sprzętu przez porównanie różnych czasów nadejścia tego samego zduplikowanego pakietu.
Gdy odpowiedź musi zostać wysłana przez serwer, wykorzystuje on informacje dodane przez bramki dotyczące jakości sygnału w celu wybrania tego, do którego ma wysłać pakiet odpowiedzi.
LoRaWAN nie pozwala na bezpośredni dialog pomiędzy dwoma połączonymi obiektami. Jeśli taki dialog musi mieć miejsce, odbywa się to za pośrednictwem serwera aplikacji.
Lorawan używa modulowanego widma rozproszonego typu Chirp Spread Spectrum (w) właściciela o nazwie LoRa. Modulacja ta jest realizowana głównie na pasmach radiowych ISM 868 MHz w Europie i 915 MHz w Ameryce Północnej . Zastosowanie modulacji CSS dla Internetu Rzeczy zostało opatentowane przez francuską firmę Cycléo, która została przejęta przez Semtech w 2012 roku. Modulacja ta pozwala na średni dystans między bramą a urządzeniem do 5 km na danym obszarze. i 15 km na terenach wiejskich .
Techniki modulacji widma rozproszonego, takie jak LoRa, wykorzystują szerokość pasma większą niż ta, która jest idealnie potrzebna dla danej przepływności, ale wykorzystują to rozproszenie częstotliwości, aby działać ze słabym lub silnie zaszumionym sygnałem. Rozproszenie widma polega na kilkukrotnym powtórzeniu wiadomości przesyłanej na różnych częstotliwościach. Zmiana częstotliwości wywołana przez LoRa jest liniowa, co pozwala odbiornikom po prostu wyeliminować przesunięcia częstotliwości i efekty Dopplera związane z transmisją sygnału. Ta operacja pozwala na produkcję nadajników LoRa przy niskich kosztach. Ta technika widma rozproszonego pozwala również czujnikom być mniej czułymi na efekt Dopplera, a zatem łatwiej przesyłać wiadomości wysyłane podczas podróży (na przykład w poruszającym się TGV). W badaniu z 2017 r. zmierzono ten efekt przy użyciu sprzętu zainstalowanego na motocyklu .
Współczynnik rozprzestrzeniania jest zwykle ustalany przez serwer podczas podłączania urządzenia końcowego do sieci, wysyłając żądanie pomiaru stosunku sygnału do szumu.
LoRa definiuje współczynnik widma rozproszenia (SF) wzorem: gdzie Rc jest szybkością transmitowanej wiadomości (Chirp), a Rs szybkością symbolu, który ma być transmitowany. Zwiększenie współczynnika rozproszenia umożliwia pokrycie większej odległości między sprzętem a bramą kosztem dostępnej przepustowości.
Różne SF są ortogonalne , co oznacza, że kilka ramek może być odbieranych w tym samym czasie na tym samym kanale, o ile używają różnych SF. Jeśli dwie ramki są odbierane w tym samym czasie przez bramkę z różnicą mniejszą niż 6 dB na tym samym kanale iz tą samą SF, zostaną one utracone, ponieważ nie można ich rozróżnić.
Możliwe szerokości pasma do skonfigurowania dla kanału to 125, 250 i 500 kHz dla pasma 868 MHz , co pozwala osiągnąć maksymalną przepływność 22 kbit/s przy szerokości pasma 500 kHz i współczynniku rozprzestrzeniania wynoszącym 7.
Wykorzystanie wolnych częstotliwości wymaga przestrzegania maksymalnego czasu zajętości kanału radiowego ( duty-cycle (in) ). Maksymalna zajętość kanału w Europie wynosi 1% w paśmie 868 MHz . Na pasmo 868 MHz specyfikacja LoRa początkowo narzuca 3 kanały o szerokości 125 kHz wspólne dla wszystkich urządzeń 868,10 MHz , 868,30 MHz i 868,50 MHz tak, aby komunikat aktywacyjny mógł zostać odebrany przez serwer. Ten parametr może być następnie modyfikowany przez sieć i umożliwiać czujnikowi dystrybucję komunikatów na większą liczbę kanałów. W związku z tym urządzenia mogą losowo rozprowadzać swoje emisje na każdym z tych pasm, przestrzegając obowiązującego prawa czasu.
LoRa umożliwia ustawienie głównych parametrów radia za pomocą parametru Data Rate. Szybkość transmisji danych jest definiowana przez wartość od 0 do 15 i określa typ modulacji, współczynnik rozprzestrzeniania oraz wykorzystywane pasmo.
Szybkość transmisji danych dla pasma 863-70 MHz :
Szybkość transmisji danych (DR) | Modulacja | Współczynnik rozrzutu (SF) | Pasmo | Szybkość fizyczna (bit / s) |
---|---|---|---|---|
0 | LoRa | SF12 | 125 kHz | 250 |
1 | LoRa | SF11 | 125 kHz | 440 |
2 | LoRa | SF10 | 125 kHz | 980 |
3 | LoRa | SF9 | 125 kHz | 1,760 |
4 | LoRa | SF8 | 125 kHz | 3 125 |
5 | LoRa | SF7 | 125 kHz | 5470 |
6 | LoRa | SF7 | 250 kHz | 11 000 |
7 | FSK | 50kbit / s | 50 000 | |
8 | Zarezerwowane do wykorzystania w przyszłości |
Lora fizyczny rama składa się z preambuły, w nagłówku , dane, a następnie przeprowadzenie kontroli błędów.
Zgodnie z tymi parametrami możliwe jest zatem określenie użytecznego przepływu Rb za pomocą wzoru matematycznego :
LoRaWAN to protokół typu kontroli dostępu do mediów. Jego działanie jest prostsze niż w przypadku technologii komórkowych , które opierają się na potężnych urządzeniach końcowych, a przez to droższe niż te stosowane w Internecie Rzeczy.
Protokół nie jest symetryczny i istnieją różnice między komunikatami w łączu w górę pochodzącymi z obiektów i komunikatami w łączu w dół pochodzącymi z aplikacji i docierającymi do obiektów.
Opiera się na operacji wysyłania wiadomości typu ALOHA, więc gdy urządzenie musi wysłać dane, robi to bez sprawdzania, czy kanał, z którego będzie korzystało, jest dostępny i powtarza to wysyłanie na różnych kanałach, nie wiedząc, czy wiadomość została odebrana pomyślnie . Obiekt może zażądać wiadomości potwierdzającej, która może automatycznie powtórzyć wysyłanie, jeśli ta wiadomość nie została odebrana.
Wiadomości w dół wysyłane przez bramę mają wyższy koszt sieciowy, ponieważ jeśli brama wyśle wiadomość, nie może już słuchać innych wiadomości wysyłanych w tym czasie.
Protokół definiuje 3 klasy sprzętu (A, B i C). Klasa A musi być zaimplementowana we wszystkich urządzeniach ze względu na kompatybilność. Sprzęt może zmienić klasę podczas pracy.
Format pakietów LoRaWAN został opisany na poniższym schemacie. Rozmiary pól są podawane w bitach.
Oto definicja różnych pól zawartych w pakiecie LoRaWAN:
Mtyp To pole wskazuje rodzaj wiadomości (rosnąco lub malejąco). RFU To pole jest zarezerwowane do wykorzystania w przyszłości. Poważny To pole wskazuje wersję używanego protokołu. MIC To pole umożliwia obliczenie integralności pakietu w celu wykrycia, czy został on zmieniony podczas transportu. DevAddr To pole zawiera adres urządzenia. FCtrl To pole umożliwia dostosowanie przepływu i potwierdzeń. Wskazuje na obecność dodatkowych pakietów oraz długość pola FOpts. FCnt To pole to licznik ramek (przyrost przy każdym wysłaniu). FOpts To pole służy do przekazywania poleceń MAC (np. kontrola łączności przez urządzenie). FPort To pole zawiera port aplikacji lub usługi, do której zaadresowany jest pakiet.Aby móc działać w sieci, urządzenie musi być aktywowane. Możliwe są dwie procedury aktywacji:
Poniższa tabela podsumowuje informacje przesyłane przez urządzenie końcowe podczas procedury aktywacji.
Identyfikator użytkownika | własność | Uzyskiwanie |
---|---|---|
DevAddr | Tożsamość urządzenia końcowego (32 bity) | Wygenerowane w OTAA, skonfigurowane w ABP |
DevEUI | Tożsamość urządzenia końcowego (64 bity) | Skonfigurowany |
WSPARCIE | Tożsamość aplikacji (sprawia, że właściciel urządzenia końcowego jest unikalny) | Skonfigurowany |
NwkSKey | Klucz używany przez serwer i urządzenia końcowe do obliczania i weryfikacji pola MIC | Wygenerowane w OTAA, skonfigurowane w ABP |
Klawisz aplikacji | Klucz używany przez serwer i urządzenia końcowe do szyfrowania i odszyfrowywania danych pakietowych | Wygenerowane w OTAA, skonfigurowane w ABP |
Klucz aplikacji | Klucz używany przez urządzenie końcowe podczas procedury OTAA | Wygenerowane w OTAA *, nieistniejące w ABP |
* Generowany w OTAA dla urządzeń końcowych w wersji LoRaWAN 1.1, dla wcześniejszych wersji (LoRaWAN 1.0) klucz jest skonfigurowany.
Pole FOpts obecne w pakietach LoRaWAN umożliwia urządzeniom wysyłanie poleceń sieciowych. Polecenie LinkCheckReq umożliwia urządzeniu końcowemu przetestowanie połączenia. Pozostałe polecenia są używane przez serwer do ustawienia parametrów radiowych urządzenia końcowego, takich jak np. szybkość transmisji danych lub kanał. Inne polecenia pozwalają sprawdzić ich poziom naładowania baterii lub jakość odbioru.
LoRaWAN zużywa mało energii . Wykorzystuje uproszczoną wersję protokołu ALOHA dla warstwy MAC, topologię gwiazdy , cykliczną transmisję w każdym podpaśmie i zdefiniował trzy klasy urządzeń końcowych, aby maksymalnie przenieść złożoność do stacji bazowej.
Zużycie energii przez obiekty (urządzenia końcowe) w sieci LoraWan opiera się na wykorzystaniu czterech głównych trybów (nadawanie, odbiór, czuwanie i uśpienie) oraz czasu spędzanego w każdym trybie. W badaniu Kurtoglu z 2017 r. modelowano zużycie energii w tych czterech trybach, aby porównać zużycie sieci bezprzewodowych czujników liniowych dalekiego zasięgu zaprojektowanych przez ZigBee lub LoraWan. Porównanie wykonano na podstawie zużycia komponentów (dla LoRaWan RN2903, Zigbee MRF24j40MD):
Ekwipunek | Napięcie (V) | Intensywność emisji (mA) | Intensywność odbioru (mA) | Prąd czuwania (mA) | Intensywność snu (mA) | |
---|---|---|---|---|---|---|
LoraWan | RN2903 | 3,3 | 124,4 | 13,5 | 2,7 | 2 |
ZigBee | MRF24J40MD | 3,3 | 140,0 | 25,0 | - | 10 |
Zużycie baterii zależy głównie od kilku czynników: ilości przesyłanych danych (w liczbie wiadomości i/lub wielkości wiadomości), a także mocy transmisji wymaganej do przesłania tych danych oraz współczynnika rozproszenia widma (SF)
W celu optymalizacji zużycia, protokół LoRaWan umożliwia dostosowanie SF i zmniejszenie go w celu zaoszczędzenia mocy urządzeń peryferyjnych, a także uwolnienia pasma radiowego, a tym samym ograniczenia kolizji.
W kilku eksperymentach zbadano bardziej szczegółowo wpływ tych różnych parametrów.
Jedną ze specyfiki sieci LoRaWan jest możliwość geolokalizacji obiektów za pomocą techniki typu TDOA (Time Difference Of Arrival) lub Trilateracji. Różne bramy, które odbierają te same komunikaty ze znacznika czasu obiektu, bardzo dokładnie określają czas otrzymania tej wiadomości. Odległość między obiektem a anteną jest proporcjonalna do czasu odebrania komunikatu przez antenę, rozwiązanie równania z kilkoma niewiadomymi pozwala na wywnioskowanie z niego położenia obiektu pod warunkiem, że komunikaty z są odbierane przez co najmniej trzy różne anteny.
Maksymalny czas zajętości kanału radiowego (cyklu pracy) narzucony przez wykorzystanie wolnych częstotliwości jest czynnikiem ograniczającym liczbę pakietów, które może wysłać urządzenie. Na przykład wynikiem ograniczenia 1% w paśmie 868 MHz jest czas transmisji 36 sekund na godzinę na kanał dla każdego terminala.
Wykorzystanie tego czasu transmisji jest zmienne w zależności od wybranego współczynnika rozrzutu. W rzeczywistości im większy współczynnik rozprzestrzeniania, tym dłuższy będzie czas transmisji pakietu. Ponadto w typowej sieci częściej stosuje się wysokie współczynniki rozproszenia niż krótkie współczynniki. Poniższa tabela zawiera kilka przykładów:
Rozmiar danych | Współczynnik rozprzestrzeniania | Czas transmisji |
---|---|---|
20 bajtów | 10 | 0,4 s |
20 bajtów | 12 | 1,5 s |
40 bajtów | 10 | 0,5 s |
40 bajtów | 12 | 1,8 s |
Badanie przeprowadzone w 2017 roku przez Ferrana Adelantado pokazuje ewolucję wskaźnika pomyślnie odebranych pakietów w zależności od liczby urządzeń podłączonych do bramki za pomocą 3 kanałów. Logicznie rzecz biorąc, liczba odebranych pakietów zmniejsza się z powodu kolizji, ponieważ wzrasta prawdopodobieństwo, że kilka urządzeń używa tej samej SF jednocześnie na tym samym kanale.
Ogólnie rzecz biorąc, utratę danych związaną z korzystaniem z protokołu na wolnych częstotliwościach można rozwiązać na dwa sposoby:
Wybór jednej lub drugiej metody zależy od przypadków użycia.
Innym sposobem na zwiększenie przepustowości sieci LoRaWan jest zwiększenie gęstości anten, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie współczynnika rozprzestrzeniania się czujników, a tym samym zwolnienie przepustowości.
Eksperyment z prywatną siecią LoRa przeprowadzono w budynku (19 pięter) w północnych Włoszech. Celem tej instalacji jest monitorowanie i kontrolowanie temperatury i wilgotności różnych pomieszczeń w celu obniżenia kosztów związanych z ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją. Eksperymenty Marco Centaro sięgają 2016 roku. Instalacja składająca się z bramy, 32 czujników i serwera zbiorczego nadal działa i jest uważana za najbardziej odpowiednie rozwiązanie technologiczne dla kilku innych budynków.
W 2017 r. Fanghao Yu przeprowadził badanie dotyczące wdrożenia sieci LoRaWAN w regionie Wielkiego Londynu w celu raportowania jakości powietrza i monitorowania zatorów drogowych. Projekt sieci wykazał, że konieczne jest zainstalowanie 19 małych komórek dla centrum Londynu i 28 większych komórek dla większych przedmieść Londynu. W 47 sześciokątnych komórkach znajduje się 11 681 zacisków. Szacunkowy koszt materiału dla jakości powietrza wynosi 83,7 tys.
Symulacja Kurtoglu z 2017 r. pokazuje, że LoRaWAN ma znaczną przewagę energetyczną nad ZigBee w przypadku liniowych bezprzewodowych sieci czujnikowych dalekiego zasięgu, które byłyby wymagane do monitorowania niektórych rodzajów infrastruktury, takich jak linie przesyłowe i rurociągi. Ponadto energia potrzebna do ograniczenia najwyższego punktu zużycia energii sieci, poniżej 6 dżuli dziennie, jest na tyle niska, aby umożliwić zasilanie projektowanej sieci z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna.
Ocena LoraWAN przeprowadzona w 2016 r. przez Petäjäjärvi dotycząca rzeczywistego użycia sprzętu medycznego Lora pokazuje, że 96,7% przesyłek jest odbieranych na terenie kampusu Oulu w Finlandii. Kampus zajmuje powierzchnię 570 metrów na 320 metrów, głównie wewnątrz budynków. Wynik badania pokazuje, że LoRa jest atrakcyjną technologią do monitorowania pacjentów, zarządzania personelem w szpitalach, monitorowania samopoczucia personelu w miejscu pracy, a także monitorowania BHP.Bezpieczeństwo ludzi na zewnątrz.
Zozio opracowało pierwsze rozwiązanie wewnętrzne i zewnętrzne dla przemysłu w oparciu o sieć LoRa. Dzięki wysokowydajnym beaconom oferuje łatwą do wdrożenia, niedrogą infrastrukturę, która umożliwia geolokalizację z dokładnością do 2-3m.
Przeprowadzone przez Bellini badanie aktywności bydła umożliwia poznanie jego temperatury, a tym samym stanu zdrowia, dzięki czujnikowi akcelerometru do poznania jego aktywności. Każde zwierzę posiada obrożę z akcelerometrem oraz łączność bezprzewodową ze sprzętem LoRa za pomocą sieci LoRaWAN. Bateria 400 mAh z godzinową transmisją informacji z akcelerometru na odległość ponad 10 km , ma żywotność 5 lat. Koszt materiału to 25 USD za 100 sztuk.
LoRaWAN implementuje kilka kluczy, specyficznych dla każdego urządzenia końcowego, w celu zapewnienia bezpieczeństwa wymian na poziomie sieci i aplikacji.
128-bitowy klucz AES o nazwie Appkey służy do generowania kluczy NwkSKey i AppSKey.
NwkSKey jest używany przez serwer i urządzenie końcowe do generowania pola integralności MIC obecnego w pakietach. To pole zapewnia, że pakiet nie został zmodyfikowany podczas przesyłania przez złośliwy sprzęt. Ten klucz jest również używany do szyfrowania treści wiadomości zawierających tylko polecenia MAC.
AppSKey służy do szyfrowania danych aplikacji znajdujących się w pakiecie. Ten klucz zapewnia jedynie poufność treści wiadomości, ale nie jej integralność, co oznacza, że jeśli serwer sieciowy i serwer aplikacji są oddzielone, serwer sieciowy jest w stanie modyfikować treść wiadomości. Dlatego specyfikacja LoRaWAN zaleca stosowanie dodatkowych metod ochrony typu end-to-end dla aplikacji, które wymagają wyższego stopnia bezpieczeństwa.
Aby jednoznacznie zapewnić tożsamość urządzeń końcowych i aplikacji, protokół definiuje również pola DevEUI i AppEUI, każde o długości 64 bitów. DevEUI umożliwia identyfikację sprzętu, a AppEUI umożliwia identyfikację aplikacji, która będzie przetwarzać jego żądanie dostępu do sieci. Pola te są konfigurowane w urządzeniach. Podczas procedury aktywacji OTAA urządzenie wysyła do serwera niezaszyfrowane żądanie zawierające pola DevEUI i AppEUI oraz 16-bitową liczbę losową. Serwer przed zaakceptowaniem jego żądania sprawdza, czy urządzenie wcześniej użyło losowej liczby. Jeśli numer był wcześniej używany przez urządzenie, serwer może zaimplementować 2 zachowania:
Tak zwana procedura aktywacji Over the Air jest inicjowana przez wymianę komunikatów: JOIN REQUEST, JOIN ACCEPT pomiędzy urządzeniem a serwerem. Informacje o JOIN MESSAGE (AppEUI (8 bajtów), DevEUI (8 bajtów) i DevNonce (2 bajty)) są przesyłane w postaci jasnej. Ta luka może zostać wykorzystana.
Rozmiar (w bajtach) | 8 | 8 | 2 |
wiadomość aktywacyjna
Prośba o dołączenie |
WSPARCIE | DevEUI | DevNonce |
Badanie JungWoon Lee z 2017 roku pokazuje możliwość zmiany konkretnego pola bez odszyfrowania wiadomości w sieci LoRaWAN. Można użyć metody Bit-flipping Bit-flipping_attack (en), ponieważ w sieci LoraWAN tekst zaszyfrowany jest przewidywalny. JungWoon Lee zapewnia obejście tego problemu, zmieniając położenie bajtów w ramkach.
LoRa Alliance ogłasza 62 sieci operatorów publicznych w eksploatacji w grudniu 2017 r., a także ponad 100 krajów z dostępną usługą LoRaWAN.
LoRaWAN to jedna z sieci rozległych o niskim zużyciu energii, zdefiniowana angielskim terminem: LPWAN (Low Power Wide Area Network) Aby porównać technologie obecne w sieci LPWAN, ważne jest rozróżnienie okresu poprzedzającego nadejście tej sieci. najpierw sieć (Pre LPWAN), aby zobaczyć nadejście różnych sieci lub protokołów LPWAN i na koniec je porównać.
Dwie główne metody dostępu do danych opierały się albo na sieciach kratowych wykorzystujących technologie komunikacji krótkiego zasięgu ( WPAN , WLAN ) w nielicencjonowanym widmie, albo na technologiach komórkowych dalekiego zasięgu, głównie 2G / GSM / GPRS .
Technologie transmisji multihop krótkiego zasięgu, takie jak ZigBee i Bluetooth , zostały uznane za realny sposób na wdrożenie Internetu Rzeczy (Internet of Things lub IoT). Chociaż technologie te wiążą się z bardzo niskim zużyciem energii, bardzo ograniczony zasięg jest główną przeszkodą, zwłaszcza gdy aplikacje wymagają zasięgu miejskiego. Te typy sieci są szczegółowo opisane w artykule Łącze bezprzewodowe o małej mocy .
Bezprzewodowe sieci komórkowe ( 2G / GSM / GPRS ) są w stanie zapewnić wszechobecny zasięg i mogą odgrywać fundamentalną rolę w rozpowszechnianiu Internetu Rzeczy (Internet of Things IoT). Jednak standardy sieci komórkowych ( 2G / GSM / GPRS ) nie zostały zaprojektowane do świadczenia usług typu M2M dużej liczbie urządzeń. Ponadto modemy tych urządzeń marnują znaczną ilość energii ze względu na ciągłe nasłuchiwanie i wysokie zapotrzebowanie na moc nadawczą odbioru.
Rozwój technologii LPWAN (Low Power Wide Area Network) musi umożliwiać pokrycie dalekiego zasięgu od kilku kilometrów do kilkudziesięciu kilometrów, zużywać bardzo niskie zużycie energii operacyjnej i mieć zdolność obsługi zróżnicowanego zestawu aplikacji ze zróżnicowaną transmisją danych wymagania. Z komercyjnego punktu widzenia zaletą sieci LPWAN jest niski koszt urządzeń, infrastruktury i widma częstotliwości.
2008 On-Ramp Wireless została założona w 2008 roku, przemianowana na Ingenu (en) wwrzesień 2015. Ingenu z On-Ramp Wireless był pionierem standardu 802.15.4k. Firma opracowała i posiada prawa do opatentowanej technologii o nazwie RPMA (Random Phase Multiple Access). W przeciwieństwie do innych rozwiązań LPWAN, ta technologia działa w paśmie 2,4 GHz, ale dzięki solidnej konstrukcji warstwy fizycznej, może nadal działać na łączach bezprzewodowych o dużym zasięgu i w najbardziej wymagających środowiskach RF. 2009 SIGFOX , pierwsza technologia LPWAN oferowana rynkowi Internetu Rzeczy, powstała w 2009 roku. Warstwa fizyczna SIGFOX wykorzystuje modulację bezprzewodową ultra-wąskiego pasma (UNB), a protokół sieciowy jest własnością firmy SIGFOX. Model biznesowy SIGFOX to model operatora usług IoT, który w związku z tym nie musi otwierać specyfikacji swoich wewnętrznych modułów. Wczesne wersje technologii obsługiwały tylko komunikację jednokierunkową w górę, komunikacja dwukierunkowa jest obsługiwana od 2014 roku. 2012 Przejęcie firmy Cycleo Grenobloise, wynalazcy LoRaWan, przez amerykańską firmę Semtech 2013 Weightless (en) opracowało trzy otwarte standardy dla LPWAN: Weightless-W, Weightless-N i Weightless-P:2017
Stworzenie technologii Wize, technologii LPWAN wywodzącej się z europejskiego standardu Wireless MBus EN13757 i wykorzystującej częstotliwość 169 MHz . Protokół Wize został stworzony przez francuskie firmy GRDF, Suez i Sagemcom. Technologia Wize jest zarządzana przez Wize Alliance.
Jean-Paul Bardyn, CTO firmy Semtech w 2016 roku porównał różne rozwiązania, aby sprostać wymaganiom obiektów dedykowanych segmentowi LPWAN Internetu Rzeczy. Rynki docelowe dla różnych rozwiązań LPWAN są głównie różne; Obsługa pasm licencjonowanych jest bardziej korzystna w przypadku niektórych usług, które wymagają QoS i gwarantowanych opóźnień, a pasma nielicencjonowane zazwyczaj oferują lepszy zasięg, niższy koszt i wymagają mniejszej mocy.
W swoim porównaniu LoRa z NB-IoT z 2017 r. Yang pokazuje, że oba typy sieci mają swoje miejsce na rynku Internetu Rzeczy. LoRa skupia się na aplikacjach o niskich kosztach. Podczas gdy NB-IoT jest nastawiony na aplikacje, które wymagają wysokiej jakości usług i małych opóźnień.
Standard / Właściciel | Globalny Standard | Modulacja | częstotliwość pasma | Debet (w górę / w dół) | Dystans | Liczba liczba kanałów UL: upstream DL: downstream / sygnały ortogonalne |
Topologia | Adaptacyjna funkcja przepływu | Uwierzytelnianie i szyfrowanie |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Sojusz LoRa | LoRaWAN | CSS | Pasmo ISM sub-GHz : UE (433 MHz , 868 MHz ), USA (915 MHz ), Azja (430 MHz ) | 0,3-37,5 kb/s (Lora) 50 kb/s (FSK) |
5 km (miejski), 15 km (wiejski) | 10 w UE, 64 + 8 ( UL ) i 8 ( DL ) w USA plus wiele SF | Sieć gwiazd | tak | AES 128b |
Właściciel | Sigfox | UNB DB PSK ( UL ), G FSK ( DL ) | Pasmo ISM sub-GHz : UE (868 MHz ), USA (902 MHz ) | 100 b/s ( UL ) 600 b/s ( DL ) |
10 km (miejski), 50 km (wiejski) | 360 kanałów | Sieć gwiazd | Nie | szyfrowanie nie jest obsługiwane |
Właściciel | Ingenu (pl) RPMA | RPMA- DSSS ( UL ), CDMA ( DL ) | Pasmo ISM 2,4 GHz | 78 kb/s ( UL ) 19,5 kb/s ( DL ) |
15 km (miasto) | 40 kanałów 1 MHz , do 1200 sygnałów na kanał | Sieć gwiazda , hierarchiczna sieć | tak | Skrót 16B, AES 256b |
3GPP | LTE- Cat M (eMTC) Wydanie 12 | UL : SC-FDMA DL : OFDMAD | Licencja |
Przepustowość : 1 Mb/s Pobieranie : 1 Mb/s |
11 km | ||||
LTE — wersja Cat NB1 (NB-IoT) 13 | UL : SC-FDMA DL : OFDMAD | Licencja |
UL : 20 kbit / s (jednotonowy) 250 kbit / s (wielotonowy) DL : 250 kbit / s |
1,5 km miejskie, 20-40 km wiejskie | |||||
EC- GSM , rozszerzony zasięg GSM | 8 PSK , GMSK | Licencja | 240 kb / s | 1,5 km miejskie, 20-40 km wiejskie | |||||
Nieważkość-SIG (en) | Nieważkość-W | 16-QAM, B PSK , Q PSK , DBPSK | 470-790 MHz | 1 kb/s-10 Mb/s | 5 km (miejski) | 16 lub 24 kanały ( UL ) | Sieć gwiazd | AES 128b | |
Nieważkość-N | UNB DBPSK | Pasmo ISM sub-GHz UE (868 MHz ), USA (915 MHz ) | 30 kb/s-100 kb/s | 3 km (miejski) | wiele kanałów 200 Hz | Sieć gwiazd | AES 128b | ||
Nieważkość-P | GMSK , offset-Q PSK | Pasmo sub-GHz ISM lub licencjonowane | 200 b/s-100 kb/s | 2 km (miejski) | wiele kanałów 12,5 kHz | Sieć gwiazd | AES 128/256b | ||
Sojusz DASH7 | Protokół sojuszu DASH7 1.x | G FSK | Sub-GHz 433 MHz , 868 MHz , 915 MHz | 9,6 - 55,6 - 166,7 kb / s | 0-5 km (miasto) | 3 różne typy kanałów (liczba zależy od typu i regionu) | Sieć gwiazda , hierarchiczna sieć | AES 128b | |
IEEE | IEEE 802.15.4k | DSSS , FSK | Pasmo ISM sub-GHz i 2,4 GHz | 1,5 b/s — 128 kb/s | 5 km (miejski) | wiele kanałów. Liczba zależy od kanału i modulacji | Sieć gwiazd | AES 128b |
LoRa Alliance to stowarzyszenie non-profit, którego celem jest standaryzacja sieci LoRaWAN w celu zapewnienia niezawodnego sposobu połączenia Internetu rzeczy (IoT) z Internetem. Stowarzyszenie to zostało stworzone przez Semtech, a wielu graczy przemysłowych jest częścią Sojuszu LoRa, aby zagwarantować interoperacyjność i standaryzację technologii LoRa.