LoRa (ראשי תיבות של "Long Range", באנגלית: "טווח ארוך") הוא פרוטוקול תקשורת לרשת אזורית בהספק נמוך (LPWAN). הוא מבוסס על טכניקות אפנון מסוג Spread Spectrum הפרוטוקול פותח על ידי חברת סיקלאו (Cycleo) מגרנובל, צרפת ונרכש על ידי חברת סמטק (Semtech), המייסדת של איגוד ה-LoRa.
תכונות
LoRa מבצעת תקשורת אלחוטית בתחומי תדר שלא דרושים רישוי כגון:
- 433MHz
- 868MHz (אירופה)
- 915MHz (אוסטרליה וצפון אמריקה)
- 923MHz (אסיה)
LoRa משתמשת באפנון קנייני של ספקטרום מפוזר הדומה לנגזרת של אפנון ספקטרום מפוצל (CSS). אפנון LoRa הספקטרום המפוזר מתבצע על ידי ייצוג כל סיביות של מידע מטען על ידי מספר ציוצי מידע. הקצב שבו נשלח מידע התפשטות מכונה קצב הסמלים, היחס בין קצב הסמלים הנומינלי וקצב הציוץ הוא גורם ההתפשטות (SF) ומייצג את מספר הסמלים הנשלחים לכל סיביות מידע. התוצאה היא אפנון דיגיטלי M-ary, כאשר צורות הגל האפשריות של {\displaystyle M=2^{SF}}{\displaystyle M=2^{SF}} במוצא של המאפנן הן אותות מאופנים בצייץ לאורך מרווח התדר ({\displaystyle f_{0}-B/2,f_{0}+B/2}{\displaystyle f_{0}-B/2,f_{0}+B/2}) עם M תדרים ראשוניים שונים: התדר המיידי גדל באופן ליניארי, ולאחר מכן עוטף ל-{\displaystyle f_{0}-B/2}{\displaystyle f_{0}-B/2} כאשר הוא מגיע לתדר המקסימלי {\displaystyle f_{0}+B /2}{\displaystyle f_{0}+B/2}.
LoRa יכולה להחליף קצב נתונים עבור רגישות עם רוחב פס ערוץ קבוע על ידי בחירת כמות הפיזור בשימוש (פרמטר רדיו הניתן לבחירה מ-6 עד 12 ). SF נמוך יותר אומר שיותר ציוץ נשלחים בשנייה; לפיכך, אתה יכול לקודד יותר נתונים בשנייה. SF גבוה יותר מרמז על פחות ציוצים בשנייה; לפיכך, יש פחות נתונים לקידוד בשנייה. בהשוואה ל-SF נמוך יותר, שליחת אותה כמות נתונים עם SF גבוהה יותר זקוקה ליותר זמן שידור, המכונה זמן אוויר. יותר זמן אוויר פירושו שהמודם פועל זמן רב יותר וצורך יותר אנרגיה. היתרון של SF גבוה הוא שזמן אוויר ממושך יותר נותן למקלט יותר הזדמנויות לדגום את עוצמת האות, מה שמביא לרגישות טובה יותר. מודם LoRa מאפשר לשנות את הספק השידור מ-2dBm ל-14dBm (433 מגה-הרץ) או עד ל-20dBm (865 מגה-הרץ עד 867 מגה-הרץ, 915 מגה-הרץ ו-923 מגה-הרץ) לפי התקנות של כל מדינה. כוח שידור גבוה יותר נותן למקלט כוח אות טוב יותר ורגישות טובה יותר, אך במחיר של צריכת אנרגיה רבה יותר. ישנם מחקרי מדידה של ביצועי LoRa ביחס לצריכת אנרגיה, מרחקי תקשורת ויעילות גישה בינונית. לפי פורטל הפיתוח של LoRa, הטווח שמספק LoRa יכול להיות עד שלושה מיילים (חמישה ק"מ) באזורים עירוניים, ועד 10 מיילים (15 ק"מ) או יותר באזורים כפריים (קו ראייה).
בנוסף, LoRa משתמשת בקידוד תיקון שגיאות קדימה כדי לשפר את העמידות בפני הפרעות. הטווח הגבוה של LoRa מאופיין בתקציבי קישור אלחוטיים גבוהים של כ-155 dB עד 170 dB. מרחיבי טווח עבור LoRa נקראים LoRaX.
LoRaWAN
מכיוון ש-LoRa מגדירה את השכבה הפיזית התחתונה, שכבות הרשת העליונות היו חסרות. LoRaWAN הוא אחד מכמה פרוטוקולים שפותחו כדי להגדיר את השכבות העליונות של הרשת. LoRaWAN הוא פרוטוקול שכבת בקרת גישה בינונית (MAC) מבוסס ענן, אך פועל בעיקר כפרוטוקול שכבת רשת לניהול תקשורת בין שערי LPWAN והתקני צומת קצה כפרוטוקול ניתוב, המתוחזק על ידי LoRa Alliance.
LoRaWAN מגדיר את פרוטוקול התקשורת וארכיטקטורת המערכת עבור הרשת, בעוד שהשכבה הפיזית של LoRa מאפשרת את קישור התקשורת לטווח ארוך. LoRaWAN אחראית גם על ניהול תדרי התקשורת, קצב הנתונים וההספק עבור כל המכשירים. התקנים ברשת הם אסינכרוניים ומשדרים כאשר יש להם נתונים זמינים לשליחה. נתונים המועברים על ידי התקן צומת קצה מתקבלים על ידי מספר שערים, המעבירים את מנות הנתונים לשרת רשת מרכזי. הנתונים מועברים לאחר מכן לשרתי יישומים. הטכנולוגיה מראה אמינות גבוהה עבור העומס המתון, עם זאת, יש לה כמה בעיות ביצועים הקשורות לשליחת אישורים.
LoRa Device Classes
רשת מבוססת LoRaWAN® מורכבת מהתקני קצה, שערים, שרת רשת ושרתי יישומים. מכשירי קצה שולחים נתונים לשערים (Uplinks), והשערים מעבירים אותם לשרת הרשת, שבתורו מעביר אותם לשרת היישומים לפי הצורך.
בנוסף, שרת הרשת יכול לשלוח הודעות (או לניהול רשת, או מטעם שרת היישומים) דרך השערים למכשירי הקצה (Downlink).
התקני קצה ברשת LoRaWAN מגיעים בשלוש קלאסים: Class A, Class B ו-Class C. בעוד שמכשירי קצה יכולים תמיד לשלוח Uplinks כרצונם, ה Device Class קובע מתי הוא יכול לקבל Downlink. ה Device Class קובע גם את יעילות האנרגיה של המכשיר. ככל שהמכשיר חסכוני יותר באנרגיה, כך חיי הסוללה ארוכים יותר.
כל מכשירי הקצה חייבים לתמוך בתקשורת Class A ("Aloha"). מכשירי קצה מסוג A מבלים את רוב זמנם במצב שינה. מכיוון ש-LoRaWAN אינו פרוטוקול "מחורץ", התקני קצה יכולים לתקשר עם שרת הרשת בכל פעם שיש שינוי בקריאה בחיישן או כאשר טיימר פועל. בעיקרון, הם יכולים להתעורר ולדבר עם השרת בכל רגע. לאחר שהמכשיר שולח Uplink, הוא "מאזין" ל Downlink מהרשת שניה ושתי שניות ה-uplink (חלונות Downlink) לפני החזרה למצב שינה. Class A הוא החסכוני ביותר באנרגיה ומביא לחיי הסוללה הארוכים ביותר.
לעומת זאת, במקום לחכות רק שאחד מהחיישנים שלו יבחין בשינוי בסביבה או יפעיל טיימר, גם מכשירי קצה Class B מתעוררים ופותחים חלון קבלה כדי להאזין ל Downlink על פי לוח זמנים שניתן להגדרה ומוגדר ברשת . אות משואה תקופתי המועבר על ידי הרשת מאפשר לאותם התקני קצה לסנכרן את השעונים הפנימיים שלהם עם שרת הרשת.
לבסוף, מכשירי קצה Class C ("רציף") לעולם אינם הולכים לישון. הם מקשיבים ללא הרף להודעות Downlink מהרשת, למעט בעת העברת נתונים בתגובה לאירוע חיישן. מכשירים אלו הם עתירי אנרגיה, ולרוב דורשים מקור חשמל קבוע, במקום להסתמך על סוללה.
הכירות עם התקני Class A
פרוטוקול LoRaWAN מסתמך על רשת מסוג Aloha. בסוג זה של רשת, התקני קצה רשאים לשדר באופן שרירותי.
המאפיין העיקרי של Class A הוא שהתקשורת יזומה רק על ידי מכשיר הקצה.
הודעות Downlink משרת הרשת מוצבות בתור עד לפעם הבאה שמתקבלת הודעת Uplink מהתקן הקצה וחלון קבלה (Rx) נפתח. עיצוב זה מיועד במיוחד ליישומים הדורשים תקשורת מטה בתגובה לקישור מעלה, או שיכולים לתזמן קישורי מטה מבעוד מועד עם דרישות חביון רופפות למדי.
חלון קבלה
לאחר Uplink , התקן קצה Class A פותח חלון קבלה קצר (Rx1), ואם לא מתקבל קישור למטה במהלך תקופה זו, הוא פותח חלון קבלה שני (Rx2). שעת ההתחלה של Rx1 מתחילה לאחר פרק זמן קבוע לאחר סיום השידור העולה. בדרך כלל, עיכוב זה הוא שנייה אחת, אולם משך זה ניתן להגדרה. Rx2 מתחיל בדרך כלל שתי שניות לאחר סיום שידור ה-uplink, אם כי גם משך זה ניתן להגדרה.
השהיה ברירת המחדל עבור Rx1 (RECEIVE_DELAY1) הוא פרמטר רשת שנמצא במסמך LoRaWAN Regional Parameters מ-LoRa Alliance®. העיכוב ברירת המחדל עשוי להיות ספציפי לאזור, וניתן לשנות אותו על ידי מפעיל הרשת באמצעות פקודת MAC RxTimingSetupReq. זה בדרך כלל מוגדר לשנייה אחת
התקן הקצה ממתין שנייה אחת לאחר סגירת Rx1 לפני פתיחת Rx2. המשמעות היא ש-RECEIVE_DELAY2 = RECEIVE_DELAY1 + שנייה אחת.
תדרי שידור וקצבי נתונים
התדר המשמש עבור Rx1 הוא פונקציה של תדר העלייה. קצב הנתונים שהוא משתמש בו הוא פונקציה של קצב הנתונים המשמש לשידור ה-Uplink. יחס ברירת המחדל בין תדר הקישור למעלה לבין תדירות ה Downlink Rx1 וקצב הנתונים מוגדרים במסמך LoRaWAN Regional Parameters. ניתן להגדיר מחדש את פרמטרי ברירת המחדל מרחוק על ידי מפעיל הרשת באמצעות פקודות LoRaWAN MAC הרלוונטיות.
Rx2 משתמש בתדר וקצב נתונים שניתן להגדיר באמצעות פקודת MAC. ברירות המחדל הן ספציפיות לאזור.
Leave a Reply