Het technische principe van LoRaWAN en zijn toepassing in water, elektriciteit en gas

Met de geleidelijke ontwikkeling van Internet van Dingen, hebben vele toepassingen van Internet van Dingen kleine gegevenspakketten en een hoge tolerantie voor vertraging, die een brede waaier van plaatsing vereist, of in ver, kelderverdieping, ondergronds en andere plaatsen met ernstige beveiliging gevestigd. Het is niet gemakkelijk voor bestaande draadloze communicatie of mobiele communicatietechnologie om signalen over te brengen. De communicatietechnologie met machtsconsumptie over lange afstand en lage die in antwoord op de bovengenoemde situatie wordt ontwikkeld wordt collectief genoemd Lage Macht Breed Area Network (LPWAN).

LPWAN heeft de voordelen van laag machtsconsumptie, over lange afstand en super groot aantal verbindingen, zodat is het geschikt voor toepassingen die plaatsing op grote schaal en kleine hoeveelheid gegevenstransmissie vereisen. Deze eigenschap is zeer verenigbaar met de toepassingsvereisten van de intelligente informatie acquisition.LPWAN van de energiemeter kan in twee kampen volgens de gebruikte frequentieband worden verdeeld: gemachtigde frequentieband en niet gemachtigde frequentieband. De ontwikkeling van de niet gemachtigde technologie van de frequentieband LPWAN is vroeger, en de belangrijkste technologie is LoRaWAN.

Inleiding aan LoRaWAN

LoRaWAN is een reeks van communicatie die protocol en systeemarchitectuur voor communicatienetwerk het over lange afstand van LoRa wordt ontworpen. Het bepaalt hoe het gegeven in het LoRaWAN-netwerk (het netwerk verwijst hier naar knopen, gateways, en servers) wordt overgebracht, het type van berichten, de structuur van het gegevenskader, en de methodes van de veiligheidsencryptie bepaalt, de specifieke verrichting van netwerktoegang, introduceert en het verschil tussen meester en slavencomputers verklaart.

LoRaWAN overweegt volledig verscheidene factoren zoals de consumptie van de knoopmacht, netwerkcapaciteit, veiligheid en de diversiteit van de netwerktoepassing in het ontwerp van protocol en netwerkarchitectuur.

De architectuur van het LoRaWANnetwerk

Het volgende is de netwerkarchitectuur van LoRa:

Een LoRaWAN-netwerkarchitectuur omvat vier delen: terminal, gateway, netwerkserver en toepassingsserver. Ster en mobiel netwerk de topologieën worden gebruikt tussen gateway en terminal. wegens de kenmerken over lange afstand van LoRa, kan de enige hoptransmissie tussen hen worden gebruikt. De eindknoop kan naar veelvoudige gateways tegelijkertijd verzenden. De gateway verstuurt de LoRaWAN-protocolgegevens tussen NS en de terminal, brengt de LoRaWAN-gegevens tussen de terminal en de gateway door LoRa-radiofrequentie over, en brengt de LoRaWAN-gegevens tussen de gateway en de netwerkserver door TCP/IP-protocol over.

Overzicht van LoRaWAN-protocol

1 Classificatie、 van eindknopen

In termen van technische beschrijvingen, is het LoRaWAN-transmissietarief over 30bit/s-50kbit/s, is de transmissieafstand ongeveer 25km op stedelijke gebieden en tot 15km op gebieden in de voorsteden. Het steunt bidirectionele transmissie. De transmissiewijzen kunnen in Basislijn (Klasse A) worden verdeeld, Baken (Klasse B) en Ononderbroken (Klasse C) volgens de vertragingsvereisten en de machtsconsumptie, kan de Klassena wijze slechts worden overgebracht wanneer het eindapparaat verzendt een verzoek, met de laagste machtsconsumptie, en in watermeters en gasmeters gebruikt; De klasse C is de ononderbroken transmissie van gegevens met de kortste transmissievertraging. De klasse C wordt over het algemeen gebruikt in elektriciteitsmeters.

Opstraalverbinding 2、 en neerstraalverbindingstransmissie van eindknoop

Dit is het sequentiediagram van de opstraalverbinding en de neerstraalverbinding van Class A. Momenteel, ontvangt RX1 van venster begint over het algemeen 1 tweede nadat de opstraalverbinding, en RX2 van vensterbegin 2 seconden na de opstraalverbinding ontvangen.

De klasse C en A is fundamenteel hetzelfde, behalve dat wanneer de Klassena slaap, het opent ontvang venster RX2.

Voorzien van een netwerk 3、 van eindknopen

Er zijn twee het onderzoeken wijzen voor eindnetwerktoegang: Over de Luchtactivering (OTAA) en Activering door Verpersoonlijking (ABP).

De commerciële LoRaWAN-netwerken volgen over het algemeen het OTAA-activeringsprocédé, zodat de veiligheid kan worden gewaarborgd. Op deze wijze, moeten DevEUI, AppEUI, en AppKey-de parameters worden voorbereid.

DevEUI is a globaal - unieke ID gelijkend op IEEE EUI64, dat een uniek eindapparaat identificeert. Het is gelijkwaardig aan het MAC-adres van het apparaat.

AppEUI is a globaal - unieke ID gelijkend op IEEE EUI64, dat een unieke toepassingsleverancier identificeert

AppKey wordt toegewezen aan de terminal door de toepassingseigenaar. Het moet op de netwerkserver worden gevormd en op de overeenkomstige terminal worden gebrand.

Nadat de terminal in werking stelt sluit me aan bij proces, geeft het het voorzien van een netwerkbevel uit. Nadat NS (netwerkserver) bevestigt dat er geen fout is, zal het een voorzien van een netwerkantwoord aan de terminal maken en zal het netwerkadres DevAddr (identiteitskaart met 32 bits) toewijzen. Zowel gebruiken de partijen de relevante informatie in het voorzien van een netwerkantwoord en AppKey om de sessiesleutels NwkSKey en AppSKey te produceren, die worden gebruikt om data.NwkSKey te coderen en te verifiëren wordt opgeslagen op de netwerkserver voor communicatie tussen de netwerkserver en de terminal; AppSKey wordt bewaard in de toepassingsserver voor communicatie met de netwerkserver.

Als de tweede onderzoeksmethode, ABP-activering, wordt gebruikt, worden de drie definitieve LoRaWAN-communicatie parameters DevAddr, NwkSKey, en AppSKey direct gevormd, en sluit me aan bij proces niet meer wordt vereist. In dit geval, kan het apparaat toepassingsgegevens direct verzenden. wegens het gebrek aan bidirectionele authentificatie, kunnen de onwettige terminals tot het netwerk toegang hebben of door pseudobasisstations worden veroorzaakt. Daarom in het algemeen, gebruiken de commerciële projecten het OTAA-activeringsprocédé.

4 en Gegevens、 die ontvangen verzenden

Na de toegang tot van het netwerk, wordt het toepassingsgegeven gecodeerd gebruikend AES128-het algoritme van de beetjeencryptie. Het volgende cijfer toont het veiligheidsmechanisme van elk deel in het communicatie proces:

De netwerkservers en de eindmic van het knopengebruik controle om correctness.MIC-controle te verzekeren gebruiken algoritme aes-CMAC, met inbegrip van kadertelling (om wederuitzendingsaanvallen te verhinderen) en NwkSKey (om pakket te verhinderen knoeiend), en de encryptie van gebruiksappskey om gebruikersgegevens (zoals aangetoond in de figuur hieronder) te coderen

LoRaWAN specificeert twee types van gegevenskaders: Bevestigd of Niet bevestigd, d.w.z., het type dat een reactie en het type vereist dat geen reactie vereist. De fabrikant kan het aangewezen type volgens de toepassingsbehoeften selecteren.

Bovendien kunnen wij zien van de inleiding dat één van de belangrijkste overwegingen van LoRaWAN-ontwerp bij het begin toepassingsdiversiteit moet steunen. Naast het gebruiken van AppEUI om toepassingen te verdelen, FPort-kunnen de toepassingshavens ook worden gebruikt om gegevens tijdens transmissie afzonderlijk te verwerken. De waardewaaier van FPort is (1~223), wat door de toepassingslaag wordt gespecificeerd.

5、 ADR mechanisme

De LoRamodulatie heeft spectrumfactor uitgespreid, en de verschillende uitgespreide spectrumfactoren zullen verschillend transmissieafstand en transmissietarief, hebben en zullen gegevens geen transmissie beïnvloeden.

Om de capaciteit van het LoRaWAN-netwerk, een aanpassingsdatasnelheid van LoRa uit te breiden - ADR-het mechanisme wordt ontworpen op het protocol. De apparaten met verschillende transmissieafstanden zullen de snelste datasnelheid mogelijk volgens de transmissiesituatie gebruiken. Dit maakt ook de algemene gegevenstransmissie efficiënter.

LORAWAN eigenschappen

LoRaWAN wordt gekenmerkt door draadloze transmissie, sterke anti-interference capaciteit, gecodeerde mededeling, brede dekking, lage machtsconsumptie, grote verbinding en lage kosten.

Lange afstand: Dank aan de aanwinst van de modulatie van het verspreidingsspectrum en voorwaartse foutcorrectiecode, LoRa bereikt over tweemaal de communicatie afstand van cellulaire technologie.

Grote capaciteit: Er zijn vele knopen in Internet van Dingen. Een LoRaWAN-netwerk kan tientallen duizenden knopen gemakkelijk verbinden.

Gemakkelijke capaciteitsuitbreiding: Wanneer een LoRaWAN-netwerk capaciteit moet verbeteren, kunt u gateways toevoegen.

Veiligheid: LoRaWAN is dubbel gecodeerd Internet van Things.It is geschikt voor informatietoepassing van water en elektriciteitsmeters.

Technische indicatoren van gateway en module

1 gateway、

Intelligente gateway G200 (binnen)

Intelligente gateway G500 (openlucht)

2. LoRaWanmodule

Gemeten gegevens

1、 test van de Trekkrachtafstand

Bij een rechte lijnafstand van 3.7KM van de testplaats, is de signaalsterkte - 94, het signaal aan lawaaiverhouding zijn - 6,0, en de gegevenspakketten van de interne antenne en externe antenne zijn normaal.

2、 in de bouw van penetratietest

De gateway is in de oppervlakte op de 15de verdieping van Bouw 4 binnen een gemeenschap goed wordt geïnstalleerd die

In de gegevens in de lijst hierboven, is de signaalsterkte meer dan - 100dbm (meer dan ver de ontvangende de gevoeligheidsgrens van de module van - 139dbm), en de signal-to-noise verhouding is meer dan - 10, die bidirectionele betrouwbare mededeling kunnen bereiken. Daarom als de gateway op de 15de verdieping wordt geplaatst, kan de signaaldekking van het gehele gebouw op de 32ste verdieping worden bereikt.

3 Gegevens、 uploaden de test van het succestarief

Van de bovengenoemde testgegevens, kunnen wij zien dat 120 lijsten gegevens binnen 3 minuten, met een gemiddeld succestarief van meer dan 99% kunnen uploaden.

conclusie 4、

(1) het gebruik van ingebouwde antenne in de stad kan normale mededeling binnen 23km verzekeren, en het gebruik van externe richtingantenne kan een langere afstand bereiken.

(2) het signaal kan 10-15 vloeren doordringen.

(3) één 8 kanaliseert de helft - de duplexgateway kan 120 meters aan volledige betrouwbare gegevenstransmissie binnen 3 minuten verzekeren. Als een half kanaal 16 - de duplexgateway wordt gebruikt, kunnen de gegevens van meer dan 200 meters betrouwbaar worden overgebracht.

7、 Toepassingsgeval

Dit geval is een groot park in Turkmenistan, die een reeks infrastructuren zoals bureaugebouwen, woonplaatsen, sportentrefpunten en winkels verzamelt. Het is ongeveer brede 2.3km en 4.3km snakken.

De rode punt wijst op de plaats van de gateway

Dit is een groot park, dat volgend Internet van Dingenapparaten gebruikt:

Zoals van de bovengenoemde gegevens kan worden gezien, gebruikt het park niet alleen vele types van IoT-apparaten, maar ook een groot aantal. Met LoRaWan-technologie die, is de frequentieband 864-865MHz voor het wordt aangepast. 55 slimme gateways G200 (binnen) en 55 slimme gateways G500 (openlucht) worden gebruikt om het toegangsvoorzien van een netwerk van alle apparaten te voltooien. Tegelijkertijd, kan één netwerkserver de gegevens ontvangen door alle apparaten worden overgebracht en efficiënte verwerking uitvoeren die.

De algemene die systeemarchitectuur in het geval wordt gebruikt wordt getoond in het volgende cijfer:

Alle materiaal en diensten worden in dit geval ingevoerd plaatselijk in de campus van de klant op een geïntegreerde die manier, die de veiligheid en de privacy van gegevens kan verzekeren door al materiaal worden overgebracht.

Als de klanten nodig hebben, kunnen zij de netwerkserver, het toegangsplatform of het toepassingsplatform in de wolk ook opstellen, of direct het bestaande toepassingsplatform gebruiken om gegevens te verkrijgen en te verwerken door het dokken met het toegangsplatform.

Het toepassingsplatform kan diverse die diensten door klanten worden vereist voor verschillende die apparaten volgens de gegevens verlenen door verschillende apparaten worden verzameld: