O que é LoRaWAN

À medida que a escala da Internet das Coisas continua a expandir-se e as suas aplicações tornam-se mais extensas, há cada vez mais pontos de controlo de acesso, e a utilização de LoRaWAN tornou-se uma tendência. O que é LoRaWAN? Este artigo fornecerá uma visão geral técnica introdutória do LoRaWAN para ajudar os profissionais de LoRa a entender o LoRaWAN de uma forma geral.

1. O que é LoRaWAN

LoRaWAN é um conjunto de protocolos de comunicação e arquitetura de sistema projetado para uma rede de comunicação LoRa de longa distância. Ele define como os dados são transmitidos na rede LoRaWAN (a rede aqui se refere a nós, gateways e servidores), define o tipo de mensagem, a estrutura do quadro de dados e o método de criptografia de segurança; e apresenta as operações específicas da rede e explica a diferença entre mestre e escravo.

Diagrama de hierarquia de protocolo

No projeto do protocolo e da arquitetura de rede, LoRaWAN considera plenamente vários fatores, como consumo de energia do nó, capacidade da rede, QoS, segurança e diversidade de aplicativos de rede.

2. Arquitetura de rede LoRaWAN

Vamos entender um pouco do ponto de vista técnico. A seguir está o diagrama da arquitetura de rede no white paper oficial da LoRa Alliance.

Pode-se observar que uma arquitetura de rede LoRaWAN inclui quatro partes: terminal, estação base, NS (servidor de rede) e servidor de aplicação. Uma topologia de rede em estrela é adotada entre a estação base e o terminal. Devido às características de longa distância do LoRa, a transmissão de salto único pode ser usada entre eles. Na seção de terminais, existem 6 aplicações típicas listadas. Há um detalhe. Você descobrirá que o nó terminal pode enviar para várias estações base ao mesmo tempo. A estação base encaminha os dados do protocolo LoRaWAN entre o NS e o terminal e transporta os dados LoRaWAN na transmissão de radiofrequência LoRa e TCP/IP respectivamente.

Vamos dar uma olhada nesta arquitetura de rede em conjunto com a ecologia da indústria abaixo, e todos poderão ter uma compreensão mais profunda.

3. Visão geral do acordo

• Classificação de nós terminais

Na introdução inicial, vimos que existem três tipos de equipamentos terminais especificados no acordo, Classe A/B/C, e esses três tipos de equipamentos cobrem basicamente todos os cenários de aplicação da Internet das Coisas. Para sua comodidade, é feita uma mesa.

• Transmissão de uplink e downlink de nós terminais

Este é o diagrama de sequência do uplink e downlink Classe A. Atualmente, a janela de recepção RX1 geralmente inicia 1 segundo após o uplink, e a janela de recepção RX2 inicia 2 segundos após o uplink.

As classes C e A são basicamente iguais, exceto que quando a classe A está dormindo, ela abre a janela de recepção RX2.

O horário da Classe B é mais complicado. Ele possui um beacon de intervalo de tempo síncrono e um intervalo de tempo de ping de janela de recebimento de período fixo. Neste exemplo, o período de beacon é de 128 segundos e o período de ping é de 32 segundos.

• Triagem de nós terminais

Depois de compreender os conceitos básicos, você poderá entender como funcionam os nós. Antes de enviar e receber dados oficialmente, o terminal deve primeiro ser conectado à rede.

Existem dois métodos de triagem: Ativação Over-the-Air (OTAA) e Ativação por Personalização (ABP).

As redes comerciais LoRaWAN geralmente seguem o processo de ativação OTAA, para que a segurança possa ser garantida. Este método precisa preparar os três parâmetros DevEUI, AppEUI e AppKey.

DevEUI é um ID globalmente exclusivo semelhante ao IEEE EUI64, que identifica um dispositivo terminal exclusivo. É equivalente ao endereço MAC do dispositivo.

AppEUI é um ID globalmente exclusivo semelhante ao IEEE EUI64, que identifica um provedor de aplicativo exclusivo. Por exemplo, cada aplicativo de monitoramento de lata de lixo, aplicativo de alarme de fumaça, etc., todos têm seu próprio ID exclusivo.

AppKey é atribuído ao terminal pelo proprietário do aplicativo.

Após o terminal iniciar o processo de adesão à rede, ele envia um comando de adição de rede. Após o NS (servidor de rede) confirmar que está correto, ele responderá ao terminal e atribuirá o endereço de rede DevAddr (ID de 32 bits). Ambas as partes usam as informações relevantes na resposta da rede e o AppKey gera as chaves de sessão NwkSKey e AppSKey, que são usadas para criptografar e verificar os dados.

Se for utilizado o segundo método de triagem, ou seja, ativação da PA, é relativamente simples e rude. Configure diretamente os três parâmetros de comunicação final LoRaWAN, DevAddr, NwkSKey e AppSKey. O processo de adesão não é mais necessário. Neste caso, o dispositivo pode enviar dados do aplicativo diretamente.

• Envio e recebimento de dados

Após adicionar a rede, os dados do aplicativo são criptografados.

LoRaWAN estipula que existem dois tipos de frames de dados: Confirmados ou Não Confirmados, ou seja, o tipo que requer resposta e o tipo que não requer resposta. O fabricante pode escolher o tipo adequado de acordo com a necessidade da aplicação.

Além disso, pode-se observar na introdução que uma consideração importante no início do projeto LoRaWAN é apoiar a diversidade de aplicações. Além de usar AppEUI para dividir aplicativos, a porta de aplicativo FPort também pode ser usada para processar dados separadamente durante a transmissão. A faixa de valores de FPort é (1~223), que é especificada pela camada de aplicação.

• Mecanismo de ADR

Sabemos que existe um conceito de fator de espalhamento na modulação LoRa. Diferentes fatores de propagação terão diferentes distâncias e taxas de transmissão e não afetarão a transmissão de dados um do outro.

Para expandir a capacidade da rede LoRaWAN, um mecanismo de adaptação de taxa LoRa (Adaptive data rate-ADR) é projetado no protocolo. Dispositivos com diferentes distâncias de transmissão utilizarão a taxa de dados mais rápida possível de acordo com as condições de transmissão. Isso também torna a transmissão geral de dados mais eficiente.

• Comandos MAC

Visando as necessidades de gerenciamento da rede, uma série de comandos MAC são projetados no protocolo para modificar os parâmetros relevantes da rede. Por exemplo, o atraso da janela de recepção, a taxa do dispositivo e assim por diante. No processo de inscrição real, geralmente raramente é envolvido e é temporariamente ignorado.

A descrição acima é a visão geral básica do LoRaWAN. Acredito que todos deveriam ter uma compreensão mais profunda do LoRaWAN. Nos próximos anos, vários campos da Internet das Coisas serão amplamente utilizados no LoRaWAN, e alguns novos problemas também poderão ser encontrados em projetos reais. Mas isso é apenas um processo. Se quiser evitar problemas, você pode usar os módulos seriais LoRaWAN desenvolvidos por alguns fabricantes de módulos LoRa. Esses módulos fornecem comandos AT seriais simples, que são muito convenientes de usar.