Технология LoRa (Long Range) — это маломощная технология беспроводной связи на большие расстояния, которая позволяет достигать расстояний связи в несколько километров при малой мощности. Его принцип основан на методе, называемом технологией расширенного спектра. Используя технологию модуляции расширенного спектра на передающей и приемной сторонах, низкоскоростной поток данных преобразуется в высокоскоростной широкополосный сигнал и восстанавливается с помощью соответствующей технологии сжатия на приемной стороне. . Этот метод позволяет передавать сигналы с меньшей мощностью и устойчив к помехам и эффектам многолучевого распространения, что обеспечивает связь на большие расстояния.
В частности, на физическом уровне технологии LoRa используется технология модуляции с расширенным спектром, называемая CSS (Chirp Spread Spectrum), которая свертывает исходный поток данных с базовым сигналом, называемым чирпом, для формирования широкополосного сигнала малой мощности. На передающей стороне исходный поток данных преобразуется в ЛЧМ-сигнал, который модулируется и усиливается по мощности радиочастотным входным каскадом и передается в эфир. На приемной стороне принятый сигнал демодулируется и фильтруется радиочастотным интерфейсом, а затем отправляется в модуль, называемый устройством сжатия расширенного спектра, для сжатия. Во время процесса сжатия устройство сжатия на приемной стороне преобразует широкополосный сигнал в узкополосный исходный поток данных путем сопоставления кода расширения, используемого на передающей стороне. Этот метод может эффективно улучшить дальность передачи сигнала и защиту от помех, одновременно снижая энергопотребление и сложность.
Уровень MAC технологии LoRa использует бесконфликтный протокол под названием ALOHA, который отправляет пакеты данных в разные временные интервалы случайным образом, чтобы избежать конфликтов между отправителями. В то же время, чтобы еще больше повысить надежность и гибкость сети, технология LoRa также представляет протокол связи под названием LoRaWAN.
Связь на большие расстояния: технология LoRa позволяет обеспечить связь на большие расстояния при более низкой мощности. Дальность связи может достигать нескольких километров. Он имеет широкую площадь и глубокое проникновение и может обеспечить комплексное покрытие внутри и снаружи помещений.
Низкое энергопотребление: благодаря использованию технологии расширенного спектра и протокола ALOHA технология LoRa имеет низкое энергопотребление и обеспечивает длительную работу, поэтому подходит для устройств с батарейным питанием. В технологии LoRaWAN устройство большую часть времени спит и просыпается только при передаче данных, за счет чего достигается низкое энергопотребление.
Защита от помех: технология LoRa использует технологию расширения спектра, чтобы сделать сигнал устойчивым к помехам и эффектам многолучевого распространения, тем самым повышая надежность связи.
Большая емкость: технология LoRa может обрабатывать данные с нескольких узлов одновременно и имеет преимущество большой емкости.
Безопасность: технология LoRa использует алгоритм шифрования AES-128 для обеспечения безопасности данных.
Принцип технологии LoRaWAN
Технология LoRaWAN — это сетевой протокол, основанный на технологии LoRa. Он предоставляет стандартизированный стек протоколов Интернета вещей, который позволяет подключать большое количество устройств LoRa и управлять ими. В технологии LoRaWAN используются топологии «звезда» и «ячеистая сеть», при этом один или несколько шлюзов подключены к Интернету для получения и отправки данных с устройств LoRa. Он в основном используется для связи между устройствами IoT на большие расстояния, с низким энергопотреблением и с низкой скоростью передачи данных.
Ядром технологии LoRaWAN является протокол уровня MAC, который добавляет полный стек протоколов на основе физического уровня LoRa, включая физический уровень, уровень MAC, сетевой уровень и уровень приложений.
физический слой
Физический уровень LoRaWAN основан на технологии LoRa, которая использует частотную манипуляцию (FSK) и технологию расширения спектра. При передаче данных данные сначала расширяются по спектру, затем модулируются с помощью FSK и, наконец, отправляются. Этот метод может улучшить помехоустойчивость сигнала и увеличить расстояние передачи данных.
MAC-уровень
Протокол уровня MAC LoRaWAN в основном включает в себя следующие части:
Произвольный доступ: устройства LoRaWAN могут получить доступ к сети в любое время без заранее определенного согласования со шлюзом. Этот метод позволяет устройству быстро получить доступ к сети.
Адаптивная скорость передачи данных: устройства LoRaWAN могут адаптивно регулировать скорость передачи в соответствии с текущей сетевой средой, чтобы обеспечить надежность и стабильность передачи.
Механизм подтверждения: устройства LoRaWAN могут выбирать, получать ли кадр подтверждения для подтверждения успешной отправки данных.
Шифрование данных: LoRaWAN использует 128-битный алгоритм шифрования AES для шифрования данных и обеспечения безопасности передачи данных.
Сетевой уровень
Протокол сетевого уровня LoRaWAN использует протокол на основе IPv6, который позволяет устройствам LoRaWAN обращаться и обмениваться данными через адреса IPv6. Кроме того, протокол сетевого уровня LoRaWAN также поддерживает обнаружение сетевых сервисов, защиту безопасности, управление узлами и другие функции.
Прикладной уровень
Протокол прикладного уровня LoRaWAN предназначен для различных сценариев применения. Он поддерживает множество различных протоколов приложений, таких как COAP, MQTT и т. д., что делает разработку приложений более удобной.
LoRaWAN — это маломощный протокол беспроводной связи на большие расстояния, предназначенный для обеспечения надежных, безопасных и недорогих коммуникационных решений для приложений Интернета вещей. Основные особенности технологии LoRaWAN заключаются в следующем:
Связь на большие расстояния: технология LoRaWAN использует технологию модуляции LoRa для обеспечения связи на большие расстояния в сложных условиях, таких как города и сельские районы, с радиусом действия от нескольких километров до десятков километров.
Низкое энергопотребление: устройства LoRaWAN обычно питаются от батареи, поэтому контроль энергопотребления очень важен. Технология LoRaWAN использует конструкцию с низким энергопотреблением, что значительно продлевает срок службы батареи устройства, часто на годы или даже десятилетия.
Большая емкость: технология LoRaWAN обладает характеристиками большой емкости и может одновременно подключать большое количество устройств для достижения связи «многие ко многим».
Безопасность: технология LoRaWAN обеспечивает многоуровневую безопасность, включая шифрование физического уровня, шифрование уровня MAC, шифрование уровня приложений и т. д. для обеспечения конфиденциальности и целостности данных.
Гибкость: технология LoRaWAN отличается высокой гибкостью и может быть настроена в соответствии со сценариями применения. В то же время он также обладает хорошей функциональной совместимостью и может быть легко интегрирован с другими коммуникационными технологиями.
Низкая стоимость: поскольку технология LoRaWAN использует простую аппаратную структуру и открытый протокол связи, стоимость относительно низкая. В то же время конструкция с низким энергопотреблением может также сэкономить затраты на техническое обслуживание оборудования.
В целом преимущества технологии LoRaWAN заключаются в ее связи на больших расстояниях, низком энергопотреблении, большой емкости, безопасности, гибкости и низкой стоимости, что делает ее одной из очень важных коммуникационных технологий в приложениях IoT.
Подводя итог, хотя LoRa и LoRaWAN — это две разные технологии, обе они имеют преимущества передачи на большие расстояния и низкого энергопотребления, поэтому они широко используются в сфере Интернета вещей. Для разработчиков и производителей приложений понимание принципов и характеристик LoRa и LoRaWAN поможет лучше выбрать технологию, подходящую для их собственных сценариев применения, и разработать эффективное и стабильное оборудование беспроводной связи.