مشخصات شبکه LoRaWAN چیست؟

تعریف شبکه LoRaWan :

شبکه LoRaWAN یک پروتکل توان پایین با برد وسیع (LPWA) است که بلخصوص برای دستگاه های بیسیم در اینترنت اشیا طراحی شده است و در سطح شبکه های منطقه ای، ملی یا جهانی میتواند عمل کند.

اهداف کلیدی اینترنت اشیاء (IoT) در این بحث عبارت اند از ارتباط دوجهته، امنیت به صورت نقطه End To End، پویا بودن و بومی سازی.

در این مقاله هر جا اسمی از دستگاه های پایانی یا نهایی بردیم منظورمان همان سنسورها یا دستگاههای عملگر یا به اصطلاح End Device هستند. همچنین اگر با اسم دروازه برخورد گردید نگران نباشید !!! دروازه همان گیتوی (Gateway) میباشد.

 

lorawan-febiot

توپولوژی یا معماری شبکه lorawan چگونه است؟

معماری شبکه LoRaWAN به صورت توپولوژی ستاره یا استار میباشد که در آن دروازه ها پیام ها را بین دستگاه های پایانی و سرور مرکزی شبکه انتقال می دهند. دروازه ها مانند یک پل نامرئی عمل می کنند و از طریق اتصالات استاندارد آی پی به سرور در شبکه متصل می شوند ، به سادگی بسته های RF را به بسته های IP تبدیل می کنند و بلعکس. ارتباطات بی سیم از مزایای برد زیاد لایه فیزیکی LoRaÒ بهره می برد، و اجازه می دهد یک لینک تک کانون بین دستگاه پایانی و یا یک یا چند دروازه باشد. تمام حالت ها قادر به برقراری ارتباط دو طرفه هستند و پشتیبانی از گروه های آدرس دهی چندرسانه ای برای استفاده کارآمد از طیف در حین انجام وظایف مانند ارتقاء نرم افزارها مانند Firmware (FOTA) یا سایر پیام های اپگرید وجود دارد.

 

چند نمونه کلاس بندی در شبکه لورا وجود دارد؟

 

LoRaWAN دارای سه کلاس مختلف از دستگاه های نقطه پایانی (end-point) برای پاسخگویی به نیازهای مختلف منعکس شده در طیف و برد گسترده ای از برنامه ها و اپلیکیشن های کاربردی است:

کلاس A – کمترین توان، دستگاههای پایانی دو طرفه:

کلاس پیش فرض باید توسط تمام دستگاه های نهایی LoRaWAN پشتیبانی شود.

ارتباط کلاس A همیشه توسط دستگاه پایانی آغاز می شود و کاملا ناهمگام است.

هر گونه انتقال uplink میتواند در هر زمانی ارسال شود و همچنین توسط دو downlink کوتاه دنبال میشود.

در صورت نیاز، امکان برقراری ارتباط دو طرفه یا ارسال کامنت یا دستورالعمل برای کنترل شبکه فراهم می شود. این یک پروتکل نوع ALOHA است.

دستگاه های پایانی این قابلیت را دارا خواند بود که توسط برنامه مشخص شده خود وارد حالت خواب بشوند. در حالت خواب با کم شدن قدرت مصرف دستگاه به حداقل میرسد و به همین علت هست که یک باتری برای دستگاه یک یا چند سال کار میکند. همچنین در این حالت دیگر نیازی به شبکه برای بیداری دوره ای دستگاه وجود ندارد. همین علت است که کلاس A کمترین مصرف را در این کلاس بندی پروتکل دارد.

  افزودنی رزبری پای بنام Lora Hat برای اینترنت اشیا

در این کلاس هر موقع که ارتباطی برقرار شود اجازه برقراری آن ارتباط به آن داده میشود.

از آنجا که ارتباط downlink همیشه باید به یک انتقال uplink با برنامه ای که توسط برنامه نهایی دستگاه تعریف می شود پیروی می کند،اگر ارتباط downlink بعدی بیاید باید در سرور شبکه نگهداری شود تا کار پیام قبلی تمام شود.

 

کلاس B – دستگاه های پایانی دو طرفه با تاخیر قطعی Downlink:

علاوه بر کلاس A ، دستگاه ها در کلاس B با استفاده از موجهای دوره ای همگام با شبکه می شوند و در زمان های برنامه ریزی شده بازه پینگ های downlink را باز می کنند. با استفاده از این مورد شبکه توانایی ارسال ارتباطات downlink را با تاخیر قطعی بدست می آورد، اما همین امر باعث افزایش مصرف انرژی دستگاه پایانی میشود. زمان تاخیر تا ۱۲۸ ثانیه قابل برنامه ریزی است تا با برنامه های مختلف متفاوت باشد، و مصرف انرژی اضافی به اندازه کافی کم است که هنوز هم برای استفاده از باتری برای برنامه ها قابل اعتماد باشد.

 

کلاس C – کمترین زمان تاخیر، دستگاههای پایانی دو طرفه:

علاوه بر ساختار کلاس  A که از uplink به دنبال دو مسیر downlink میباشد، کلاس C باعث کاهش زمان تأخیر در downlink می شود . چطور؟!!! با نگه داشتن گیرنده دستگاه نهایی در تمام زمان هایی که دستگاه چیزی انتقال نمی دهد (نیمه دو طرفه).

بر اساس این، سرور شبکه می تواند در هر زمان بر اساس فرضیه گیرنده دستگاه پایانی باز شود، بنابراین هیچ تأخیری نمی تواند یک انتقال downlink را شروع کند.

قدرت تخلیه گیرنده (قابل افزایش تا ۵۰mW) قابل سازگاری است و بنابراین کلاس C مناسب برای برنامه های کاربردی است که نیاز به قدرت و مصرف مداوم دارند.

برای دستگاه هایی که از باتری استفاده میکنند، حالت تعویض موقت بین کلاس A و کلاس C امکان پذیر است و برای انجام وظایف متناوب مانند به روز رسانی سیستم عامل از طریق راه دور(OTA) مناسب است.

نکته!!! OTA=Over The Air  به طور خلاصه به معنی بروزرسانی دستگاه ها از طریق اینترنت یا موارد دیگر از طریق فواصل دور است.

 

نرخ داده در شبکه لورا !!!

علاوه بر پرش فرکانس، تمام بسته های ارتباطی بین دستگاه های پایانی و دروازه ها و همچنین شامل یک متغیر “سرعت داده” (DR) تنظیم می شوند. انتخاب DR اجازه می دهد تا نقل و انتقال بین دامنه ارتباطات و مدت زمان پیام به صورت داینامیک انجام گردد. همچنین با توجه به طیف گسترده تکنولوژی، ارتباطات با DR های مختلف با یکدیگر تداخل نداشته و مجموعه ای از کانال های مجازی ایجاد میگردد که ظرفیت دروازه را افزایش می دهد. برای افزایش طول عمر باتری دستگاه های پایانی و ظرفیت کلی شبکه، سرور شبکه LoRaWAN تنظیمات DR و توان خروجی RF برای هر دستگاه پایانی را به صورت جداگانه با استفاده از یک روش به اسم  Adaptive Data Rate (ADR) مدیریت می کند.

  پاسخ ساده به 6 تا از پیچیده ترین چالش های اینترنت اشیا

نرخ بورد LoRaWAN از ۰٫۳ kbps تا ۵۰ kbps متغیر است.

 

امنیت در LoRaWan

security lora

امنیت نگرانی اصلی هر توسعه دهنده در IoT  است و به همین علت LoRaWAN دو لایه رمزنگاری را تعریف می کند:

۱-رمزگذاری ۱۲۸بیتی اختصاصی بین دستگاه پایانی و سرور شبکه.

۲-رمزگذاری ۱۲۸بیتی اختصاصی نرم افزاری در سطح برنامه (AppSKey)

الگوریتم AES برای تأیید هویت و یکپارچگی بسته ها در سرور شبکه و همچنین رمزنگاری end-to-end در سطح سرور برنامه مورد استفاده قرار میگیرد. با ارائه این دو سطح رمزگذاری، می توان شبکه های مشترک چندسطحی یا multi-tenant را بدون استفاده از داده های کاربران در سطح اپراتور شبکه به اجرا درآورد.

 

کلیدها را می توان با استفاده از شخصی سازی (ABP) در خط تولید یا در هنگام راه اندازی یا حتی از دور (OTAA  بروزرسانی بی  سیم از فواصل دور) فعال کرد.  OTAA(Over The Air Activated) به دستگاه اجازه می دهد تا در صورت لزوم دوباره کلید شود.

 

این مشخصات پروتکل لایه فیزیکی (LoRa®) دستگاه را به زیرساخت (LoRa®) و پروتکل (LoRaWAN) تعریف می کند و از طریق برنامه گواهینامه دستگاه نشان داده می شود که قابلیت همکاری بدون درز بین تولید کنندگان را نشان می دهد.

در حالیکه این مشخصات پیاده سازی فنی را تعریف می کند، هیچ مدل تجاری یا نوع استقرار (عمومی، مشترک، خصوصی، شرکتی) را تعریف نمی کند و به همین طریق صنعت را به نوآوری و تمایز آن از نحوه استفاده می پردازد.

مشخصات LoRaWAN توسط اتحادیه LoRa ایجاد شده و نگهداری می شود:

این پروتکل یک ارتباط متن باز است و هر کس میتواند آن را گسترش دهد به همین علت است که بسیار زود شاهد پیشرفت آن هستیم.

 

5/5 ( 2 نظر )
0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید