Wat is LoRaWAN? [Technische storing]

Overweegt u LoRaWAN te gebruiken om uw IoT-oplossing te implementeren? De laatste tijd is er wat momentum ontstaan ​​voor dit protocol (voorbeeld:machineQ), dat goed werkt voor eenvoudige applicaties die op openbare netwerken worden geïmplementeerd. Als u echter een privénetwerkoplossing voor industrieel of zakelijk gebruik ontwikkelt, zijn er enkele beperkingen aan deze technologie waar u rekening mee moet houden (en alternatieve protocollen die u in veel gevallen beter van dienst zullen zijn).

Zie voorbeeld LoRaWAN Gateway voor ontwikkelaars.

In dit artikel gaan we dieper in op:

• Het verschil tussen LoRa en LoRaWAN
• Hoe LoRaWAN werkt
• LoRaWAN-klassen A, B en C
• Chirp-snelheid, verwerkingswinst en orthogonaliteit
• Barrières voor het bouwen van privénetwerken met LoRaWAN
• Een alternatieve oplossing:Symphony Link
  
  

Het verschil tussen LoRa en LoRaWAN

Soms denken mensen dat de termen LoRa en LoRaWAN hetzelfde betekenen, maar ze zijn anders.

LoRa is een methode voor het verzenden van radiosignalen die gebruik maakt van een getjilp, multi-symboolformaat om informatie te coderen. Het is een eigen systeem gemaakt door chipfabrikant Semtech; zijn LoRa IP is ook in licentie gegeven aan andere chipfabrikanten. In wezen zijn deze chips standaard ISM-bandradiochips die LoRa (of andere modulatietypes zoals FSK) kunnen gebruiken om radiofrequentie naar bits om te zetten, zonder dat er code hoeft te worden geschreven om het radiosysteem te implementeren. LoRa is een fysieke laagtechnologie op een lager niveau die in allerlei toepassingen buiten een groot gebied kan worden gebruikt.

LoRaWAN is een point-to-multipoint netwerkprotocol dat gebruikmaakt van het LoRa-modulatieschema van Semtech. Het gaat niet alleen om de radiogolven; het gaat over hoe de radiogolven communiceren met LoRaWAN-gateways om dingen als codering en identificatie te doen. Het bevat ook een cloudcomponent, waarmee meerdere gateways verbinding maken. LoRaWAN wordt vanwege de beperkingen zelden gebruikt voor industriële (privé-netwerk)toepassingen.

Er is nog een open source-protocol voor LoRa dat mogelijk beter geschikt is voor uw gebruik; download deze whitepaper voor een duidelijke uitleg over hoe het zich verhoudt tot LoRaWAN.

Hoe LoRaWAN werkt

Op het meest fundamentele niveau zijn radioprotocollen zoals LoRaWAN vrij eenvoudig. De manier waarop sterrennetwerken converseren is vergelijkbaar met een professor en studenten in een lezing. De gateway (de professor) spreekt tot eindknooppunten (de klas) en vice versa. Dit is een asymmetrische relatie in termen van communicatie. Iedereen in de klas zou tegelijkertijd met de professor kunnen proberen te communiceren, maar de professor zou ze niet allemaal tegelijk kunnen horen of begrijpen. Hoewel extreem vereenvoudigd, gaan veel elementen van stertopologieën terug op deze analogie.

Zie voorbeeld LoRaWAN Gateway voor ontwikkelaars.

Zo ziet dat er in de praktijk uit:laten we zeggen dat je bijvoorbeeld vier gateways en één node hebt. Het knooppunt zendt blindelings naar het radiospectrum, en elke gateway die het geluk heeft de transmissie te horen, kan het opnemen en naar de cloud sturen. Het is mogelijk dat alle vier de gateways dat bericht horen en verzenden. (Het enige voordeel hiervan:berichten kunnen nog steeds worden verzonden ondanks zeer zwakke verbindingen. Als een knooppunt vijf berichten verzendt en er slechts één het haalt, is uw bericht nog steeds doorgekomen.)

Zodra een bericht is afgeleverd, is er geen ontvangstbevestiging. Nodes in LoRaWAN kunnen echter bevestigingen vragen. Als er om bevestiging wordt gevraagd en alle vier de gateways hetzelfde bericht ontvangen, kiest de cloud één gateway om op een vast tijdstip te reageren, meestal een paar seconden later. Het probleem is dan dit:Wanneer die gateway terugzendt naar het knooppunt, stopt hij met luisteren naar al het andere. Dus als uw toepassing veel bevestigingen nodig heeft, zal het hoogstwaarschijnlijk meer tijd besteden aan het verzenden van bevestigingen dan aan het luisteren, wat uiteindelijk zal leiden tot een netwerkstoring.

Het bovenstaande diagram laat zien hoe LoRaWAN werkt. De bovenste balk geeft aan of de gateway zendt of niet. (Als het oranje is, zendt het uit; als het blauw is, is het dat niet.) De balk onderaan toont de ontvangerkanalen. Bijna alle LPWAN-systemen, inclusief LoRaWAN, hebben meerdere ontvangstkanalen en de meeste LoRaWAN-systemen kunnen acht berichten tegelijk ontvangen, over een willekeurig aantal frequentiekanalen.

LoRaWAN-klassen A, B en C

LoRaWAN heeft drie klassen die tegelijkertijd werken. Klasse A is puur asynchroon, wat we een puur ALOHA-systeem noemen. Dit betekent dat de eindknooppunten niet wachten op een bepaalde tijd om met de gateway te spreken - ze zenden eenvoudigweg wanneer ze maar willen en liggen tot die tijd inactief. Als je een perfect op elkaar afgestemd systeem over acht kanalen hebt, zou je elk tijdvak kunnen vullen met een bericht. Zodra een knooppunt zijn transmissie voltooit, begint een ander onmiddellijk. Zonder hiaten in de communicatie is de theoretische maximale capaciteit van een puur aloha-netwerk ongeveer 18,4% van dit maximum. Dit is grotendeels te wijten aan botsingen, want als een knooppunt aan het zenden is en een ander wordt wakker en besluit om op hetzelfde frequentiekanaal met dezelfde radio-instellingen te zenden, zullen ze botsen.

Met klasse B kunnen berichten worden verzonden naar knooppunten op batterijen. Elke 128 seconden zendt de gateway een baken uit. (Zie de tijdvakken bovenaan het diagram.) Alle LoRaWAN-basisstations zenden bakenberichten op exact hetzelfde moment uit, aangezien ze slave zijn van één puls per seconde (1PPS). Dit betekent dat elke GPS-satelliet in een baan om de aarde aan het begin van elke seconde een bericht verzendt, waardoor de tijd over de hele wereld kan worden gesynchroniseerd. Alle klasse B-knooppunten krijgen een tijdslot toegewezen binnen de 128 seconden durende cyclus en krijgen te horen wanneer ze moeten luisteren. U kunt bijvoorbeeld een node vertellen om elk tiende tijdslot te luisteren, en wanneer dit gebeurt, kan een downlinkbericht worden verzonden (zie bovenstaande diagram).

Met klasse C kunnen knooppunten constant luisteren en kan op elk moment een downlinkbericht worden verzonden. Dit wordt voornamelijk gebruikt voor toepassingen op wisselstroom, omdat het veel energie kost om een ​​node actief wakker te houden en de ontvanger te allen tijde te laten draaien.

Chirp-snelheid, verwerkingswinst en orthogonaliteit

Opmerking:In LoRaWAN verwijst Spreading Factor (SF) naar de chirp-snelheid. Deze grafiek toont de LoRa Chirp Modulatie in de tijd. Verschillende SF's kunnen tegelijkertijd in hetzelfde frequentiekanaal worden gedecodeerd.

LoRa werkt door een RF-toon in de loop van de tijd op een zeer lineaire manier te verplaatsen. Deze grafiek toont de chirps in een omgekeerde waterval - de nieuwste gegevens staan ​​bovenaan, wat een 'up chirp' wordt genoemd. U kunt zien hoe deze frequentie van de toon in de loop van de tijd toeneemt. LoRa-uitzendingen werken door te tjilpen, waarbij de chips op verschillende plaatsen worden gebroken in termen van tijd en frequentie om een ​​symbool te coderen. Het feit dat LoRa-transmissies op een bepaald moment van de ene plaats naar de andere springen, kan de ene bitreeks versus de andere betekenen. Het is niet alleen binair, het bevat veel informatie die u kunt overbrengen (hoge symbooldiepte).

Denk even aan pure frequency shift keying (FSK). Als een toon een tijdje stilstond en dan een tijdje naar ergens anders zou springen, zou je verschillende lijnen of tonen zien. Dit wordt 2-ary FSK genoemd, wat staat voor twee frequentiesymbolen. M-ary FSK heeft meerdere frequentietonen die nog meer symbolen kunnen vertegenwoordigen. LoRa heeft dit concept overgenomen, maar het doet alles op een chirp. Het krijgt dus verwerkingswinst. Omdat het een heel duidelijk patroon heeft, kan de LoRa-ontvanger stillere chirps detecteren, d.w.z. onder de ruisvloer. Als er nog een transmissie plaatsvindt in hetzelfde kanaal met een andere chirp-snelheid, is deze orthogonaal, wat betekent dat deze tegelijkertijd kan worden gedetecteerd. Dat gezegd hebbende, er is veel capaciteit aan de ontvangende kant.

Barrières voor het bouwen van privénetwerken met LoRaWAN

LoRaWAN werkt goed voor sommige toepassingen, maar is niet het meest geschikt voor door de klant geïmplementeerde (ook bekend als particuliere netwerkoplossingen). De belangrijkste redenen daarvoor zijn:

• Het naast elkaar bestaan ​​van meerdere gateways zorgt voor interferentie. Met LoRaWAN zijn alle gateways, ongeacht wie ze bezit of beheert, afgestemd op dezelfde frequenties. Dat betekent dat je LoRaWAN-netwerk al mijn verkeer ziet en vice versa. Het is beter om slechts één netwerk in een enkel gebied te hebben om botsingsproblemen te voorkomen.

  Het is echter mogelijk om via de LoRa Alliance te werken om specifieke kanalen te reserveren voor specifieke toepassingen. Het is ook mogelijk voor netwerkoperators om de hoeveelheid downlink in hun netwerken vanaf de serverzijde te beperken om ervoor te zorgen dat eindpunten met een lage prioriteit het netwerk niet "verstoppen" met downlinkverkeer.

• Het garandeert geen ontvangst van het bericht. LoRaWAN is een asynchroon, op ALOHA gebaseerd protocol waarbij pakketfoutpercentages (PER) van meer dan 50 procent gebruikelijk zijn. Dit is prima voor sommige meteruitleestoepassingen, maar voor industriële of bedrijfssensornetwerken of besturingssystemen is 0 procent PER een vereiste. De "spray-and-pray"-methode voor het afleveren van berichten is niet geschikt voor de meeste industriële toepassingen, daarom is LoRaWAN het meest geschikt voor uplink-gerichte netwerken.
• Het vereist behoorlijk wat ontwikkelingswerk. Een andere uitdaging waarmee onze klanten te maken hebben gehad, is dat LoRaWAN in de eerste plaats een datalink (MAC)-laag (OSI Layer 2) is, met slechts enkele elementen van een netwerklaag (OSI Layer 3). Tot op heden biedt geen enkele leverancier een end-to-end LoRaWAN-oplossing. In plaats daarvan moet u met meerdere leveranciers samenwerken om knooppunten, gateways, een backend-server en elk ander deel van het ecosysteem afzonderlijk te verwerven. Hoewel dit veel flexibiliteit in applicaties mogelijk maakt, laat het applicatieontwikkelaars veel werk over om een ​​compleet productaanbod te produceren. Dit omvat pakketvorming, downlinkcontrole, multicast, enz.
• Er zijn beperkingen in de werkcyclus. Er zijn enkele beperkingen die inherent zijn aan 868 MHz-banden in openbare netwerken. In Europa is de belangrijkste beperking de inschakelduur van één procent (in de meeste gevallen). Dit betekent dat als u de gemiddelde tijdsduur meet dat de gateway in de loop van de tijd zendt, deze niet meer dan één procent mag bedragen. Hierdoor is de gateway vrij beperkt in hoeveel hij kan verzenden. In de VS kennen de FCC-voorschriften voor de ISM-band geen dergelijke beperking.

• Het heeft een variabele maximale transmissie-eenheid (MTU) laadvermogen. Een andere grote beperking van LoRaWAN is dat de grootte van de MTU-payload variabel is op basis van de spreidingsfactor die het netwerk aan het knooppunt toewijst. Met andere woorden:als u ver weg bent van de gateway, is het aantal bytes dat u kunt verzenden klein, maar als u dichtbij bent, is het veel groter; dat kun je gewoon niet van tevoren weten. Daarom moet de node-firmware of -applicatie in staat zijn om veranderingen in de payload-kant op de applicatielaag op te vangen, wat een grote uitdaging is wanneer je firmware ontwikkelt.

  De meeste ontwikkelaars lossen dit probleem op door de kleinste beschikbare MTU te selecteren met de hoogste spreidingsfactor die het netwerk zou kunnen toewijzen, die in de meeste gevallen erg klein is, vaak minder dan 12 bytes. Dus LoRaWAN-knooppunten die grotere hoeveelheden gegevens moeten verzenden, bijvoorbeeld 300 bytes, zouden deze in 30 berichten van 10 bytes moeten verzenden, omdat ze mogelijk te maken krijgen met een situatie waarin ze een kleine MTU krijgen toegewezen. Als gevolg hiervan verzenden die knooppunten veel meer dan nodig is vanwege de complexe softwarewijzigingen die nodig zijn om deze veranderende MTU-waarden te verwerken.

LoRaWAN is prima als u wilt bouwen op openbare netwerken die eigendom zijn van en beheerd worden door een provider. Er zijn veel hardware- en netwerkserverproviders die concurreren op dit gebied, dus er is veel keuze. En voor eenvoudige toepassingen, waar je niet veel nodes hebt en niet veel bevestiging nodig hebt, werkt LoRaWAN. Maar als uw behoeften complexer zijn, zult u onvermijdelijk ernstige obstakels tegenkomen. Veel LoRaWAN-gebruikers hebben die wegversperringen nog niet ervaren, simpelweg omdat hun netwerken nog vrij klein zijn. Probeer LoRaWAN te gebruiken om een ​​openbaar netwerk te beheren met duizenden gebruikers die verschillende dingen doen, en de moeilijkheden zullen zeker toenemen.

Bovendien is het ontwikkelen en implementeren van een systeem rond LoRaWAN een complex proces. Een van de redenen waarom we dit artikel hebben geschreven, is omdat we klanten hebben die ons benaderen die de indruk hebben dat LoRaWAN "uit de doos werkt" zoals sommige wifi- of mobiele modems zouden kunnen doen. U wilt er zeker van zijn dat u alle architectuur begrijpt en goed begrijpt hoe het systeem werkt voordat u besluit dat dit de beste route voor u is.

Een alternatieve oplossing:Symphony Link

Symphony Link is een alternatieve LoRa-protocolstack ontwikkeld door Link Labs. Om de beperkingen van LoRaWAN aan te pakken en de geavanceerde functionaliteit te bieden die de meeste organisaties nodig hebben om IoT-oplossingen met succes te implementeren, hebben we onze eigen software bovenop de chips van Semtech gebouwd. Enkele van de geavanceerde functies zijn:

• Een bidirectionele link voor 100 procent gegarandeerde ontvangst van berichten. Nodes en gateways kunnen zowel naar boven als naar beneden betrouwbaar communiceren.
• Het gebruikt een dynamisch kanaalmasker dat wordt beheerd door de gateway, waardoor meerdere gateways naast elkaar kunnen bestaan met zo min mogelijk aanrijdingen. Er kunnen maximaal 48 gateways naast elkaar bestaan ​​zonder de prestaties te beïnvloeden.
• Er is geen duty cycle-limiet , omdat Symphony Link in Europa de 900 MhZ Band gebruikt.
• Symphony Link heeft een hogere capaciteit dan LoRaWAN , met een vaste MTU van 256 bytes. Het handelt alle subpacketization af en probeert indien nodig het verzenden van berichten opnieuw om de levering te garanderen.
• Symphony Link is een complete end-to-end IoT-oplossing dat werkt direct uit de doos. U kunt uw applicatie sneller opstarten dan met LoRaWAN.

Er zijn tal van andere redenen waarom bedrijven voor Symphony Link kiezen; u kunt er meer over lezen op onze website. Of, als u wilt zien hoe Symphony Link voor uw specifieke gebruiksscenario zou kunnen werken, plan dan vandaag nog een gratis demo van de technologie in. We laten u zien hoe het werkt voor uw LPWA; hoe een gateway en een dev-kit in Symphony Conductor in te stellen; en bekijk integratiestappen, stroombudgetten en bereik. Of neem contact met ons op als u vragen heeft over de technologie.