テクノロジーの出現の歴史、その位置付け、LoRaWANネットワークの典型的なアーキテクチャを検討します。 次に、その実装の物理的特徴の詳細な調査に進みます。 最後に、SemtechとMicrochipの2つのトランシーバー実装の経験。
LoRaテクノロジーの物語。
2015年の初めに、Semtech CorporationとIBM Research Centerは、新しいLoRaWAN（長距離ワイドエリアネットワーク）を導入しました。これは、マシン間（M2M）通信を展開し、ワイヤレス市場の落ち着きを可能にするため、Wi-Fiおよびセルラーネットワークに比べて大きな利点を提供する、オープンでエネルギー効率の高いネットワークプロトコルですテクノロジー。
LoRaテクノロジーは 、IBM、Semtech、Ciscoなどの企業によって設立された非営利団体LoRa Allianceの支援を受けて生まれました。LoRaWANプロトコルを低電力グローバルネットワーク（ LPWAN-英語から）として採用および促進することを目標としています。パワーワイドエリアネットワーク）。
実際、略語LoRaは、Semtechが開発したワイヤレスLPWANのLoRa変調方式とオープンLoRaWANプロトコルを組み合わせたものです。
LoRa Allianceの開発者は、最大20 kmの距離でマシンツーマシン（M2M）通信を展開できる可能性があるため、LoRaをセルラーネットワークやWiFiに比べて大きな利点がある技術と位置付けています。 最大50 Kbit / sの速度で、最小の電力消費で、単一の単三電池で数年間の電池寿命を提供します。
この技術の応用範囲は非常に広い。ホームオートメーションやモノのインターネット（モノのインターネット、IoT）から産業都市やスマートシティまで。
アーキテクチャLoRaWANネットワーク。
LoRaWANネットワークのアーキテクチャを検討してください。 典型的なLoRaWANネットワークは、エンドノード、ゲートウェイ、ネットワークサーバー、およびアプリケーションサーバーの要素で構成されています。
エンドノード（エンドノード）は 、制御または測定機能を実行するように設計されています。 必要なセンサーと制御要素のセットが含まれています。
Gateway LoRa（ゲートウェイ/コンセントレータ） -無線チャネルを使用してエンドデバイスからデータを受信し、トランジットネットワークに送信するデバイス。 このようなネットワークには、イーサネット、WiFi、セルラーネットワーク、その他の通信チャネルがあります。 ゲートウェイとエンドデバイスはスタートポロジを形成します。 通常、このデバイスには、複数のチャネルの信号を同時に処理したり、1つのチャネルの複数の信号を処理したりするためのマルチチャネルトランシーバが含まれています。 したがって、このようなデバイスのいくつかは、ネットワークカバレッジと、エンドノードとサーバー間の透過的な双方向データ転送を提供します。
ネットワークサーバー（Network Server）は 、ネットワークを管理するように設計されています：スケジュールの設定、速度の調整、受信データの保存と処理。
Application Server（アプリケーションサーバー）は、エンドノードの動作をリモートで監視し、エンドノードから必要なデータを収集できます。
図 1 LoRaWANネットワークアーキテクチャ。
最終的に、LoRaWANネットワークには、星のスタートポロジがあり、ネットワークの中央サーバーと透過的なブリッジを構成するゲートウェイを介して通信するエンドノードがあります。 このアプローチでは、通常、ネットワークオペレーターがゲートウェイと中央サーバーを所有し、サブスクライバーがエンドノードを所有していると想定されます。 加入者は、エンドノードへの透過的かつ安全なデータ転送を透過的に行うことができます。
なぜなら LoRaWANはグローバルネットワークを形成するため、開発者は、送信データのセキュリティと機密性に特別な注意を払いました。これは、いくつかのレベルのAES暗号化によって提供されます。
•一意のネットワークキー（EUI64）を使用するネットワークレベルで。
•一意のアプリケーションキー（EUI64）を使用したアプリケーションレベルでのエンドツーエンドセキュリティ。
•特別なデバイスキー（デバイス固有のキー、EUI128）。
さまざまな問題とアプリケーションを解決するために、LoRaWANは3つのクラスのデバイスを提供します。
図 2 LoRaWANネットワークのデバイスのクラス。
- 双方向エンドデバイス、クラスA このクラスのデバイスは、サーバーへのデータ転送が優勢で、最小の電力消費が必要な場合に使用されます。 エンドノードは通信セッションのイニシエーターとして機能し、必要なデータを含むパケットを送信してから、サーバーからのデータを待機する2つのウィンドウを選択します。 したがって、サーバーからのデータ転送は、エンドデバイスが接続した後にのみ可能です。
- 双方向エンドデバイス、クラスB 「クラスA」デバイスとの主な違いは、デバイスがスケジュールに従って開く追加の受信ウィンドウの割り当てです。 スケジュールするために、エンドデバイスはゲートウェイからの特別な信号によって同期します。 この追加ウィンドウのおかげで、サーバーは事前に決められた時間にデータ転送を開始できます。
- 最大受信ウィンドウを持つ「クラスC」の双方向エンドデバイス（双方向エンドデバイス、クラスC）。 このクラスのデバイスには、データを受信するためのほぼ連続したウィンドウがあり、データ転送の間のみ閉じます。これにより、大量のデータを必要とする問題の解決に使用できます。
合計で、LoRaWANを使用すると、多数のエンドノードでグローバルな分散ワイヤレスネットワークを構築できます。 Semtechによると、1つのLoRaゲートウェイで最大5000台のエンドデバイスのサービスが可能になります。
- ネットワークトポロジ。
- ネットワークサーバーによって指定されたデバイスの適応データレートと適応出力。
- メディアへのアクセスの一時的な共有。
- 周波数分割多重化。
- LoRa変調の機能。1つの周波数チャネルで、異なる速度で送信された信号を同時に復調できます。
おわりに
次の記事では、LoRaテクノロジーの裏側を調べてみます。つまり、LoRaテクノロジーで使用される変調のタイプと、その主なパラメーターであるデータエンコード方式について検討します。 一般に、この技術をユニークで競争力のあるものにするすべての要素。
著者：フェドロフアレキサンダー、プシュカリョフヴィクター。