Informe del análisis de viabilidad de la tecnología de LoRaWAN aplicado a la recogida de información de la electricidad/del consumo de agua

Con el desarrollo de Internet de cosas, muchos usos de IoT tienen pequeños paquetes de datos, mayor tolerancia para los retrasos, y necesidad de ser desplegado en una amplia gama, o están situados en remoto, subterráneo y otros lugares pesadamente protegidos, con la comunicación inalámbrica existente o la señal de la tecnología de comunicación móvil no son accesibles. Para el problema antedicho, se han desarrollado las tecnologías de comunicación de larga distancia y de baja potencia, designado colectivamente la red de área extensa de la energía baja (LPWAN). LPWAN tiene las ventajas del bajo consumo de energía, de la distancia, y de la conexión grande, así que es conveniente para los usos que requieren una amplia gama de despliegue y de pequeña cantidad de transmisión de datos. Es muy conveniente para los requisitos de uso de la recopilación de datos de metros elegantes de la energía. LPWAN se puede dividir en dos campos: la banda de frecuencia autorizada y la banda de frecuencia desautorizada según la banda de frecuencia utilizaron. La tecnología no autorizada de la banda de frecuencia LPWAN desarrolló anterior, y la tecnología principal es LoRaWAN.

1. Introducción a LoRaWAN

LoRaWAN es un sistema de protocolo de comunicación y de arquitectura de sistema diseñados para la red de comunicaciones de larga distancia de LoRa. Define cómo los datos se transmiten en la red de LoRaWAN (la red aquí refiere a nodos, a las entradas y a los servidores), define el tipo de mensaje, la estructura del marco de datos y el método de encripción de la seguridad; e introduce las operaciones específicas de la red, y explica la diferencia entre el amo y los dispositivos auxiliares.

En el diseño del protocolo y de la arquitectura de red, LoRaWAN considera completamente varios factores tales como consumo de energía del nodo, capacidad de red, seguridad y diversidad del uso de la red.

2. Arquitectura de red de LoRaWAN

Diagrama de la arquitectura de red de LoRaWAN

Una arquitectura de red de LoRaWAN incluye cuatro porciones: terminal, estación base, NS (servidor de red), y servidor de aplicaciones. La estrella y las topologías de red celulares se utilizan entre las estaciones base y los terminales. Debido a las características de larga distancia de LoRa, transmisión del solo-salto puede ser utilizado entre ellas. El nodo terminal puede enviar a las estaciones base múltiples al mismo tiempo. La estación base adelante los datos del protocolo de LoRaWAN entre el NS y el terminal, y lleva los datos de LoRaWAN sobre la transmisión de la radiofrecuencia de LoRa y el TCP/IP respectivamente.

3. Descripción del protocolo de LoRaWAN

3,1 clasificación de nodos terminales

En términos de especificaciones técnicas, el índice de transmisión de LoRaWAN está sobre 30bit/s-50kbit/s, la distancia de transmisión es cerca de 2-5 kilómetros en la zona urbana, y el más largo puede alcanzar 15 kilómetros en los suburbios. Apoya la transmisión bidireccional, y el método de la transmisión depende de los requisitos del retraso y las funciones del consumo de energía se pueden dividir en tres niveles: Línea de fondo (clase A), faro (clase B) y continuo (clase C). La clase que un método transmitirá solamente cuando el dispositivo terminal envía una petición, el consumo de energía es la más baja. Se utiliza en contadores del agua y metros de gas. La clase C significa la transmisión de datos continuos, con el tiempo de retraso más corto de transmisión. La clase C se utiliza generalmente en metros eléctricos.

3,2 transmisión del Uplink y del enlace descendente de nodos terminales

Éste es el diagrama de secuencia de la clase un uplink y un enlace descendente. Actualmente, la ventana de recepción RX1 comienza generalmente 1 segundo después del uplink, y la ventana de recepción RX2 comienza 2 segundos después del uplink.

La clase C y A es básicamente lo mismo, salvo que cuando está durmiendo la clase A, abre la ventana de recepción RX2.

3,3 método del nodo terminal unirse a la red

Hay dos maneras de unirse a la red: Sobre - la activación del aire (OTAA) y la activación por la personalización (ABP).

Las redes comerciales de LoRaWAN siguen generalmente el proceso de la activación de OTAA, para poder garantizar la seguridad. Este método necesita preparar los tres parámetros, incluyendo: DevEUI, AppEUI, y AppKey.

DevEUI es ID exclusivo de a global - similar a IEEE EUI64, que identifica un dispositivo terminal único. Es equivalente a la dirección MAC del dispositivo.

AppEUI es ID exclusivo de a global - similar a IEEE EUI64, que identifica un proveedor de uso único.

AppKey es asignado al terminal por el dueño del uso.

El terminal inicia “se une a” comando, y el NS (servidor de red) confirma que está correcto, él contestará al terminal y asignará la dirección de red DevAddr (identificación de 32 bits). Ambas partes utilizan la información relevante en la respuesta y el AppKey de la red, generan las claves de sesión NwkSKey y AppSKey, que se utilizan para cifrar y para verificar datos.

Si se utiliza el segundo método de cribado (activación de ABP), configure directamente los parámetros de comunicación finales de DevAddr, de NwkSKey, y de AppSKey, y únase al proceso se requiere no más. En este caso, el dispositivo puede enviar datos de uso directamente.

3,4 transmisión y recepción de datos

Después de únase a la red, los datos de uso se cifra.

Hay dos tipos de bastidor de datos de LoRaWAN: Confirmado o sin confirmar, es decir, el tipo que requiere la respuesta y otra que no requiere respuesta. Los fabricantes pueden elegir el tipo apropiado según necesidades del uso.

Además, puede ser visto de la introducción que LoRaWAN está a la diversidad del uso de ayuda. Además de usar AppEUI para dividir usos, el puerto del uso de FPort se puede también utilizar para procesar datos por separado durante la transmisión. La gama del valor de FPort es (1~223), que es especificado por la capa de aplicaciones.

3,5 mecanismo de ADR

Hay un factor de extensión en la modulación de LoRa, y diversos factores de extensión tienen diversas distancias de transmisión y tarifas de transmisión, y no tienen ninguna influencia en la transmisión de datos.

Para ampliar la capacidad de red de LoRaWAN, un mecanismo de la adaptación de la tarifa de LoRa (datos adaptantes tarifa-ADR) se diseña en el protocolo. Los dispositivos con diversas distancias de transmisión utilizarán la tarifa de datos más rápida posible según las condiciones de la transmisión. Esto también hace la transmisión de datos total más eficiente.

4. Características de LoRaWAN

LoRaWAN tiene las características de la transmisión inalámbrica, de la capacidad antiinterferente fuerte, de la comunicación cifrada, de la cobertura amplia, del bajo consumo de energía, de la conexión grande, y del bajo costo.

De larga distancia: LoRa alcanza aproximadamente dos veces la distancia de la comunicación de la tecnología celular.

Capacidad grande: Muchos nodos de IoT, y una red de LoRaWAN pueden conectar fácilmente decenas de miles de nodos.

Extensión fácil de la capacidad: Cuando una red de LoRaWAN necesita aumentar su capacidad, apenas añada una entrada.

Seguridad: LoRaWAN es Internet doble-cifrado de cosas. Es conveniente para el uso de la información del metro eléctrico.

5. Especificación de la entrada de LoRaWAN

5,1 entrada

5,2 módulo de LoRaWAN

Bajo consumo de energía: La corriente espera más baja es 1.5uA

Alta sensibilidad: Puede alcanzar -139dBm@SF12/125KHz

Antiinterferente: Comunicación de alto rendimiento de la frecuencia de la extensión, y corrección de error eficiente de la interpolación de ciclo

La capacidad penetrante fuerte, su gama de la cobertura puede alcanzar más los de 2km.

6. Informe de prueba

6,1 prueba de la distancia

En una distancia linear de los 3.7KM de Wuhan Radarking Electronics Corp., la fuerza de señal es -94, el SNR es -6,0, y los paquetes de datos de la antena incorporada y de la antena externa son normales.