LoRa چیست؟

LoRaWAN

مقدمه

هدف از این مقاله بررسی تخصصی LoRa و LoRaWAN است. شبکه‌های گسترده کم توان (LPWAN) برای پشتیبانی بخش عمده‌ای از دستگاه‌های اینترنت اشیا طرح ریزی شده‌اند. LoRaWAN به نحوی طراحی شده‌است تا LPWANها را به نحو احسن برای داشتن عمر مفید باتری، ظرفیت، برد و هزینه بهینه سازی کنند. خلاصه‌ای از مشخصات LoRaWAN برای مناطق مختلف و مقایسه‌ای بین تکنولوژی‌های در حال رقابت در LPWANها ارائه خواهد شد.

LoRa لایه فیزیکی یا مدولاسیون بی‌سیم است که به منظور برقراری لینک ارتباطی برد بالا استفاده می‌شود. بسیاری از سیستم‌های بیسیم از مدولاسیون FSK در لایه فیزیکی استفاده می‌کنند؛ زیرا این مدولاسیون برای مصرف توان پایین بسیار بهینه است. LoRa از مدولاسیون CSS استفاده می‌کند که هم مانند FSK مصرف توان پایینی داشته و هم برد طولانی دارد. از مدولاسیون CSS به خاطر برد بلند و مقاومت بالا در برابر تداخل، سال‌ها در صنایع نظامی و فضایی استفاده می‌شده است، اما LoRa اولین پیاده‌سازی ارزان قیمت برای استفاده‌های تجاری از این مدولاسیون است.

مزیت LoRa برد طولانی آن است. یک دروازه (Gateway) یا ایستگاه پایه (Base station) می‌تواند صدها کیلومترمربع را پوشش دهد. برد سیگنال وابستگی زیادی به محیط و موانع سر راه آن دارد. اما بودجه لینک Link Budget) LoRa) نسبت به بقیه تکنولوژی‌های ارتباطی بیشتر است. بودجه لینک معمولا در واحد دسیبل (dB) بیان می‌شود که فاکتور اصلی برای تعیین برد در یک محیط است.

LPWANها مناسب چه جاهایی هستند؟

یک تکنولوژی به تنهایی نمی‌تواند تمام نیازهای IoT را برطرف کند. WiFi و BTLE استاندارهای پذیرفته شده ای هستند و نیازهای کاربردهای شخصی را فراهم می‌کنند. تکنولوژی سلولار برای کاربردهایی که توان عملیاتی (Throughput) بالا و منبع تغذیه در دسترس دارند بسیار خوب است. LPWAN با تضمین عمر چند ساله باتری، برای سنسورها و کاربردهایی طراحی شده‌اند که نیاز دارند مقدار کمی دیتا را در بردی طولانی طی چند بار در ساعت ارسال کنند.

فاکتورهای مهم در LPWAN

فاکتورهای اساسی در LPWAN عبارتند از:

معماری شبکه
برد ارتباطی
عمر باتری یا توان کم
مقاوم در برابر تداخل
ظرفیت شبکه (حداکثر گره‌هایی که در یک شبکه هستند)
امنیت شبکه
ارتباط یک طرفه و دو طرفه
تنوع کاربرد

LoRaWAN چیست؟

LoRaWAN پروتکل ارتباطی و معماری سیستم را تعریف می‌کند، در حالی که لایه فیزیکی LoRa لینک ارتباطی برد بلند را فراهم می‌کند. پروتکل و معماری شبکه تاثیر زیادی در تعیین عمر باتری هر گره، ظرفیت شبکه، کیفیت سرویس، امنیت و انواع کاربردهای ارائه شده توسط شبکه دارد.

معماری شبکه

بسیاری از شبکه‌ها از توپولوژی مش در معماریشان استفاده می‌کنند. در شبکه‌های مش، هر گره، اطلاعات دیگر گره ها را نیز منتقل می‌کند تا برد ارتباطی و سایز سلول را افزایش دهند. از آن جایی که در این توپولوژی، برد افزایش می‌یابد، اما باعث اضافه شدن پیچیدگی، کاهش ظرفیت شبکه و کاهش عمر باتری (زیرا هر گره اطلاعات دیگر گره‌ها را که به آن‌ها هم مربوط نیست دریافت و انتقال می‌دهند) می‌شود. معماری برد بلند مبتنی بر توپولوژی ستاره، با ایجاد برد بلند، عمر باتری را نیز حفظ می‌کند.

در شبکه‌های LoRaWAN گره‌ها با یک دروازه خاصی روبرو نیستند بلکه دیتای منتقل شده از گره‌ها معمولا توسط چندین دروازه دریافت می‌شود. هر دروازه دیتای دریافتی از گره‌ها را از طریق (backhaul (cellular, Ethernet, satellite, or Wi-Fi به سرور منتقل خواهد کرد. هوشمندی و پیچیدگی به عهده سرور شبکه گذاشته خواهد شد که شبکه را مدیریت می‌کند؛ دیتاهای تکراری را فیلتر می‌کند، بررسی‌های امنیتی انجام می‌دهد، acknowledgment ها را بین دروازه زمان‌بندی می‌کند و نرخ دیتای تطبیقی را اعمال می‌کند.

عمر باتری

گره‌های شبکه LoRaWAN به صورت آسنکرون کار می‌کنند و هر وقت دیتایی آماده ارسال باشد ارتباط برقرا می کنند. به این نوع پروتکل معمولا روش Aloha گفته می‌شود. در شبکه‌های مش یا شبکه‌های سنکرون (شبکه‌های سلولار)، گره‌ها متناوبا بیدار شده و با شبکه سنکرون می‌شوند و پیغام‌ها را چک می‌کنند. این سنکرون سازی انرژی زیادی مصرف کرده و عامل اصلی کاهش عمر باتری است. در مطالعه و بررسی که توسط GSMA انجام شده، در بین LPWANها، LoRaWAN نسبت به بقیه مزیتی 3 تا 5 برابری داشته است.

ظرفیت شبکه

برای اینکه یک شبکه ستاره‌ای دوربرد پایداری و بقا داشته باشد، دروازه باید ظرفیت بالایی برای دریافت حجم بالایی از اطلاعات گره‌ها داشته باشد. برای بدست آوردن ظرفیت بالا در شبکه‌های LoRaWAN از نرخ داده تطبیقی و چند کانالی و چند مودمی در دروازه‌ها استفاده می‌شود تا پیام‌ها همزمان بر روی چند کانال دریافت شوند. تعداد کانال‌های هم‌زمان، نرخ دیتا، طول داده و اینکه هر چند وقت گره‌ها دیتا ارسال می‌کنند، از فاکتورهای تاثیر گذار بر ظرفیت شبکه می‌باشد.

سیگنال های منتشر شده LoRa بر یکدیگر عمودند. این ویژگی سبب شده که دروازه بتواند در یک لحظه و روی یک کانال، چندین نرخ داده مختلف را دریافت کند. اگر گره لینک خوبی داشته باشد و نزدیک به دروازه باشد، دلیلی ندارد تا همیشه از نرخ داده پایین استفاده کند و طیف در دسترس را بیشتر از نیازش اشغال کند. با بالابردن نرخ داده، زمان انتقال کاهش یافته و فضای خالی بیشتری برای دیگر گره‌ها فراهم می‌شود. همچنین نرخ داده تطبیقی طول عمر باتری را بهینه می‌کند.

برای اینکه نرخ داده تطبیقی کار کند، نیاز به uplink و downlink متقارن با ظرفیت کافی در downlink است. این ویژگی‌ها سبب می‌شود شبکه‌های LoRaWAN ظرفیت بالایی داشته باشند و شبکه مقیاس‌پذیر باشد. شبکه را می‌توان با کمترین زیرساخت، افزودن دروازه با توجه به ظرفیت مورد نیاز، افزایش نرخ داده، کاهش سطح شنود با دیگر دروازه‌ها و مقیاس کردن 6-8 برابری ظرفیت، پیاده سازی کرد. دیگر LPWAN ها به خاطر بده بستان تکنولوژی‌شان که ظرفیت downlink را محدود کرده یا محدوده downlink را به محدوده uplink نامتقارن می‌کنند، مقیاس‌پذیری LoRaWAN را ندارند.

کلاس بندی

دستگاه‌های LoRa کاربردها و تجهیزات متفاوتی دارند. برای بهینه سازی در انواع کاربردها، LoRaWAN از کلاس‌های مختلفی استفاده می‌کند. تفاوت این کلاس‌ها در تاخیر ارتباط downlink و عمر باتری است. در کاربردهایی که یک عملگر قرار است کنترل شود، تاخیر ارتباط downlink بسیار حائز اهمیت است.

کلاس A: در این کلاس یک ارتباط دو طرفه برقرار است که به دنبال هر انتقال uplink دو پنجره دریافت downlink دنبال می‌شود. کلاس A کم مصرف ترین سیستم برای کاربردهایی هستند که ارتباط downlink کوتاه مدتی بعد از رسیدن uplink از گره دارند. ارتباطات downlink که از سرور در زمان‌های دیگر اتفاق بیافتد، باید منتظر بمانند تا یک ارتباط uplink از طرف گره برقرار شود.

کلاس B: علاوه بر کلاس A که پنجره های دریافت اتفاقی ایجاد می‌شود، در کلاس B پنجره‌های دریافت در زمان مشخصی باز می‌شوند. برای اینکه گره بتواند پنجره دریافت را در زمان مشخص باز کند، از طریق علامتی که از دروازه می‌گیرد، با دروازه سنکرون می‌شود. از این طریق سرور می‌فهمد که کی گره در حال گوش دادن است.

کلاس C: گره‌های کلاس C همیشه پنجره دریافتشان باز است مگر در مواقع ارسال.

امنیت

برای هر LPWAN داشتن امنیت بسیار مهم است. LoRaWAN دو لایه امنیتی دارد: یکی برای شبکه و یکی برای کاربرد. امنیت شبکه اعتبار گره را در شبکه تضمین می‌کند در حالی که لایه امنیتی کاربرد، تضمین می‌دهد که اپراتور به اطلاعات کاربر دسترسی نداشته باشد.

بده بستان در انتخاب هر تکنولوژی وجود دارد اما ویژگی‌های LoRaWAN در معماری شبکه، کلاس دستگاه‌ها، امنیت، مقیاس‌پذیری برای ظرفیت و تحرک پذیری باعث شده برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای IoT مناسب باشد.

مشخصات LoRaWAN به خاطر تفاوت طیف‌های مجاز و ملزومات رگولاتوری در مناطق مختلف، متفاوت هستند. مشخصات LoRaWAN برای اروپا و امریکا شمالی تعریف شده‌اند اما برای دیگر مناطق هنوز در کمیته‌های فنی تعریف می‌شوند.

مقایسه آپشن‌های تکنولوژی LPWAN

مقایسه‌های زیادی در حوزه IoT وجود دارد که آپشن های LPWAN را هم از نظر فنی هم از دید مدل تجاری مقایسه کرده‌اند. شبکه‌های LPWAN امروزه بخاطر مقرون به صرفه بودن و پیاده سازی سریع بسار مورد استقبال قرار گرفته‌اند. سوالاتی که باید برای مقایسه تکنولوژی‌های مختلف LPWAN پاسخ داده شوند عبارتند از:

انعطاف پذیری برای هدف قرار دادن طیف گسترده ای از برنامه ها
آیا پروتکل ارتباطی امن است؟
جنبه های فنی (برد، ظرفیت، ارتباط دو طرفه، مقاومت در برابر تداخل)
هزینه پیاده سازی،قطعات و باتری
راه‌حل‌های اکوسیستمی برای مدل‌های تجاری منعطف
بازگشت سرمایه
قدرت اکوسیستم برای اطمینان از کیفیت و طول عمر راه حل

هزینه LPWAN در مقایسه با سیستم‌های قدیمی

LoRaWAN نسبت به سیستم‌های موجود، در پیاده سازی و تجهیزات زیر ساخت بسیار مقرون به صرفه است. تجزیه و تحلیل زیر توسط Talkpool انجام شده است که تجربه قابل توجهی در استقرار راه حل های WMBus و LoRa® دارند.