Technische Merkmale von LoRa

Einführung in LoRa

LoRa ist eine von Semtech angebotene IoT-Lösung mit extrem großer Reichweite und geringem Stromverbrauch. Semtech und viele branchenführende Unternehmen wie Cisco, IBM und Microchip haben die LoRa (Long Range, Wide Range)-Allianz ins Leben gerufen und setzen sich für die Förderung des Allianzstandards LoRaWAN-Technologie ein, um die verschiedenen Anforderungen an eine großflächige Abdeckung und einen geringen Stromverbrauch zu erfüllen. Anwendungsanforderungen für M2M-Geräte. LoRaWAN hat derzeit mehr als 150 Mitglieder, und mehrere chinesische Unternehmen sind daran beteiligt. Die Technologie wird in mehreren europäischen Ländern kommerziell eingesetzt und hat auch im Inland begonnen, genutzt zu werden.

Technische Merkmale von LoRa

Das Design der physikalischen Schicht und der MAC-Schicht von LoRa spiegelt die Berücksichtigung der Anforderungen des IoT-Geschäfts vollständig wider. Die physikalische Schicht von LoRa nutzt die Spread-Spectrum-Technologie, um die Empfindlichkeit des Empfängers zu verbessern, und das Terminal kann in verschiedenen Betriebsmodi arbeiten, um den Energiesparbedarf verschiedener Anwendungen zu erfüllen.

Die Netzarchitektur und der Protokollstapel von LoRa sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Netzarchitektur umfasst Endgeräte, Gateways, Netzserver und Geschäftsserver. Der Endgeräteknoten umfasst die Implementierung der physikalischen Schicht, der MAC-Schicht und der Anwendungsschicht; das Gateway vervollständigt die Verarbeitung der physikalischen Schicht der Luftschnittstelle; und der Netzwerkserver ist für die Verarbeitung der MAC-Schicht verantwortlich, einschließlich der adaptiven Ratenauswahl, der Gateway-Verwaltung und -Auswahl, dem Laden des MAC-Schichtmodus usw. Der Anwendungsserver erhält die Anwendungsdaten vom Netzwerkserver und führt die Anzeige des Anwendungsstatus, Echtzeitalarme usw. durch. Die MAC-Schicht kann dem LoRaWAN-Standardprotokoll der Allianz oder dem von jedem Hersteller entwickelten MAC-Protokoll folgen.

(1) LoRa physical layer and MAC layer design LoRa ist ein Halbduplex-System, und Uplink und Downlink arbeiten im selben Frequenzband. Die derzeitige Bandbreite des LoRa-Systems, die von einem einzelnen Chip im Inland unterstützt wird, beträgt 2Mbit/s, einschließlich 8 Kanälen mit einer festen Bandbreite von 125kbit/s. Jeder Kanal mit fester Bandbreite erfordert ein 125kHz Schutzband, was mindestens 2Mbit/s Systembandbreite erfordert. Jeder Kanal unterstützt 6 Spreizfaktoren SF7~12, wobei eine Erhöhung des Spreizfaktors um 1 die Empfängerempfindlichkeit um 2,5 dB erhöht.

Das Endgerät verwendet eine zufällige Kanalauswahl, um Störungen zu vermeiden. Jedes Mal, wenn das Endgerät Uplink-Daten überträgt oder Daten erneut überträgt, wählt es zufällig einen Kanal aus den 8 Kanälen für den Zugriff aus. Die Kommunikation zwischen dem Endgerät und dem Gateway kann mit unterschiedlichen Raten, d. h. mit unterschiedlichen SFs, erfolgen. Bei der Auswahl der Rate müssen Faktoren wie Kommunikationsentfernung oder Signalstärke, Zeit für das Senden von Nachrichten usw. berücksichtigt werden, damit das Terminal eine möglichst lange Batterielebensdauer hat und die Kapazität des Gateways maximiert werden kann. Bei guten Verbindungsbedingungen kann ein niedrigerer Spreizfaktor verwendet werden, was eine höhere Datenrate bedeutet. Wenn das Terminal weit vom Gateway entfernt ist und die Verbindungsumgebung schlecht ist, kann der Spreizungsfaktor erhöht werden, um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen. Gleichzeitig wird jedoch die Datenrate verringert. Bei einem Kanal mit fester Bandbreite von 125kbit/s kann die Datenrate in einem beträchtlichen Bereich von 250bit/s bis 5kbit/s gewählt werden.

(2) Arbeitsweise des Terminals

Das LoRa-Design-Terminal hat drei verschiedene Modi, nämlich Klasse A, B und C, aber das Terminal kann immer nur in einem Modus arbeiten, und jeder Modus kann per Software geladen werden. Die verschiedenen Modi eignen sich für unterschiedliche Geschäftsmodelle und Stromsparmodi. Derzeit ist der Arbeitsmodus der Klasse A weit verbreitet, um den Stromsparanforderungen von IoT-Anwendungen gerecht zu werden.

Klasse A (bidirektionale Endgeräte): Endgeräte der Klasse A ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation, können aber keine aktive Downlink-Übertragung durchführen. Auf den Sendevorgang jedes Endgeräts folgen zwei kurze Downlink-Empfangsfenster, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Zeitschlitz für die Downlink-Übertragung wird auf der Grundlage des Bedarfs des Endgeräts und eines kleinen Zufallsbetrags festgelegt, so dass Endgeräte der Klasse A den meisten Strom sparen.

Klasse B (Zwei-Wege-Terminal, das die Planung von Downlink-Zeitschlitzen unterstützt): Klasse-B-Terminals sind mit Klasse-A-Terminals kompatibel und unterstützen den Empfang von Downlink-Beacon-Signalen, um die Synchronisation mit dem Netz aufrechtzuerhalten und Informationen zum geplanten Downlink-Zeitpunkt zu überwachen; daher ist der Stromverbrauch höher als bei Klasse-A-Terminals.

Klasse C (bidirektionales Terminal mit maximalem Empfangszeitfenster): Terminals der Klasse C stoppen das Downlink-Empfangsfenster nur in dem Moment, in dem Daten übertragen werden, und eignen sich für Anwendungen mit großen Downlink-Datenmengen. Im Vergleich zu Terminals des Typs A und B verbrauchen Terminals des Typs C den meisten Strom, aber für Server-zu-Terminal-Dienste hat der Modus des Typs C die geringste Verzögerung.

(3) Sicherheit des LoRa-Netzes

Das Endgerät muss den Erwerb des Netzwerksicherheitsschlüssels während eines Verbindungsvorgangs abschließen, bevor es mit den Daten des Netzwerkservers interagieren kann. Das Endgerät muss beim Zugriff und bei der Nutzung über die folgenden Sicherheitsinformationen verfügen: Endgerätekennung (DevEUI), Anwendungskennung (AppEUI) und AES-128-Anwendungsschlüssel (AppKey). Dabei ist DevEUI die globale Endgerätekennung, die das Endgerät eindeutig identifiziert. AppEUI ist eine im Endgerät gespeicherte globale Anwendungs-ID, die den Anwendungsanbieter (d. h. den Benutzer) des Endgeräts eindeutig identifiziert. AppKey ist ein auf dem Endgerät definierter AES-128-Anwendungsschlüssel. Er wird dem Endgerät vom Eigentümer der Anwendung zugewiesen. Er wird aus dem unabhängigen Stammschlüssel jeder Anwendung abgeleitet. Der Root-Schlüssel ist dem Anwendungsanbieter bekannt und befindet sich in der Anwendung. unter der Kontrolle des Programmanbieters. Wenn ein Endgerät dem Netz durch den Verbindungsprozess beitritt, wird AppKey verwendet, um die für das Endgerät definierten Sitzungsschlüssel NwkSKey und AppSKey abzuleiten. Der Sitzungsschlüssel wird verwendet, um die Sicherheit der Netzkommunikation zu gewährleisten, und der Anwendungsschlüssel wird verwendet, um die Sicherheit der Anwendung zu gewährleisten. Ende-zu-Ende-Sicherheit.

(4) Leistungsprüfung und -bewertung

Als LPWA-Technologie konzentriert sich LoRa auf seine wichtigsten Leistungsindikatoren wie Abdeckung, Stromverbrauch und Kosten.

①Deckel

Da es die Spreizspektrums-Technologie unterstützt, können mit verschiedenen Spreizfaktoren unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen erreicht werden. Wenn die Sendeleistung 23 dBm erreicht, unterstützt LoRa einen MCL (maximalen Kopplungsverlust) von ca. 160 dB, was fast den MCL-Anforderungen der Schmalband-IoT-Technologie mit neuen Luftschnittstellen-Designs wie NB-IoT entspricht und die Ziele einer tiefen Innenraumabdeckung erreichen kann. Die entsprechenden Empfindlichkeiten der verschiedenen Spreizfaktoren des LoRa-Systems sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Störungen in dem Frequenzband, in dem sich das LoRa-System befindet, wirken sich direkt auf seine Abdeckungsleistung aus. Ausgehend von den aktuellen Testergebnissen in den 470-MHz- und 915-MHz-Frequenzbändern des LoRa-Feldes in Shanghai beträgt die Rauschuntergrenze von 470 MHz etwa -110 dBm, und der minimale SINR im Fall von SF12 beträgt 15 dB, so dass der tatsächliche minimale Empfangspegel von 470 MHz etwa -125 dBm beträgt, so dass die tatsächliche Abdeckung durch externe Störungen beeinflusst wird. Bei einem Verlust von fast 10 dB ist der Abdeckungsvorteil gegenüber GPRS nicht besonders groß. Das 915-MHz-Frequenzband weist starke Störungen auf, wobei der niedrigste RSSI-Wert -100 dBm erreicht, was den Abdeckungsvorteil nicht widerspiegeln kann, weshalb es nicht empfehlenswert ist, dieses Frequenzband zu wählen.

②Kapazität

Gegenwärtig verwendet das LoRa-System hauptsächlich den Klasse-A-Modus, der die Datenübertragung im Uplink auslöst und keine Ressourcenplanung durchführen kann. Es verlässt sich hauptsächlich auf Frequenzsprünge auf verschiedenen Kanälen, um Störungen zu vermeiden. Daher haben die zufällige Kanalauswahl und die Mechanismen zur Kollisionsvermeidung Auswirkungen auf die Systemkapazität. Gemäß dem Geschäftsmodell der 50B/2h-Berichterstattung wird geschätzt, dass die Anzahl der erfolgreich gesendeten Berichte pro Stunde so hoch ist, dass jedes LoRa-Gateway etwa 50.000 Berichtsnachrichten unterstützt, was die derzeitigen Kapazitätsanforderungen der Industrie für LPWA-Technologie übersteigt. Simulieren Sie das Szenario von 4 Gateways und 4000 Benutzern mit einer Entfernung von 1 km. Die Benutzer melden jede halbe Stunde 120B Datenpakete. Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Kanalbedingungen des Terminals wählt das Terminal adaptiv die geeignete SF, d.h. unterschiedliche Raten für die Kommunikation. Die Gesamtkanalbelegung der verschiedenen SFs wird statistisch berechnet. Die gesamte Kanalbelegungsrate übersteigt nicht 10%.

③Stromverbrauch

Der Stromverbrauch im Empfangszustand von LoRa beträgt 12 mA. Bei einer Sendeleistung von 14 dBm beträgt der Strom etwa 32 mA, und beim Übergang in den Ruhezustand beträgt der Stromverbrauch weniger als 1 μA. Der ratenadaptive ADR-Mechanismus kann mit einer höheren Rate senden, wenn die Funkbedingungen dies zulassen, wodurch die Dauer des Sendezustands verkürzt und der Gesamtstromverbrauch der Batterie reduziert wird. Tabelle 2 zeigt die geschätzte Batterielebensdauer (in Jahren) von LoRa-Anwendungen mit eingebauten 5-Wh-Batterien unter verschiedenen Abdeckungsbedingungen und verschiedenen Geschäftsmodellen. Nach den Schätzungsergebnissen zu urteilen, hat der Stromverbrauch des LoRa-Systems erhebliche Vorteile gegenüber aktuellen zellularen Kommunikationssystemen und schmalbandigen IoT-Systemen.

④Verzögerung

Derzeit sind Endgeräte der Klasse A weit verbreitet, d. h. sie können nur die Uplink-getriggerte Downlink-Übertragung unterstützen, aber keine aktiven Downlink-Dienste. Daher kann LoRa bei Diensten mit aktiver Downlink-Übertragung die entsprechenden Geschäftsanforderungen nicht unterstützen. Gleichzeitig muss bei der Uplink-Datenübertragung, wenn eine Datenbestätigung erforderlich ist, die Downlink-ACK in dem durch den Uplink ausgelösten festen Downlink-Zeitschlitz gesendet werden. Gegenwärtig ist das Intervall zwischen Uplink- und Downlink-Zeitschlitzen im Allgemeinen auf 1s festgelegt, was bedeutet, dass die Verzögerung mindestens mehr als 1s beträgt. Da das System selbst nicht mit einem vollständigen QoS-Mechanismus ausgestattet ist, um einen zuverlässigen Empfang zu gewährleisten, haben seine Verzögerungseigenschaften keine Vorteile im Vergleich zu zeitplanungsbasierten zellularen Systemen.

⑤Kosten

Die aktuellen Kosten für LoRa-Chips liegen bei etwa US$1 und die Kosten für Module bei etwa US$5, was im Wesentlichen den Anforderungen der Industrie an die LPWA-Technologie entspricht.

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