Συζήτηση

• Τι οδήγησε στην ευρύτερη ανάπτυξη του LoRa ;
  

  

  Το LoRa ταιριάζει εκεί που δεν ταιριάζουν το Wi-Fi, το BLE και η κινητή τηλεφωνία. Πηγή: Semtech Corporation 2020c. 

  Τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας όπως το 2G και το GPRS χρησιμοποιούνταν για επικοινωνία δεδομένων μεταξύ μηχανών (M2M), ιδιαίτερα για την αποστολή δεδομένων από απομακρυσμένες τοποθεσίες. Τέτοια δίκτυα κατανάλωναν σχετικά λιγότερη ενέργεια σε σύγκριση με το 3G ή το LTE. Ωστόσο, στις αρχές του 2017, οι πάροχοι δικτύων όπως η AT&T (ΗΠΑ) ανακοίνωσαν τον τερματισμό του 2G και του GPRS.

  Οι εναλλακτικές λύσεις του 3GPP για τις επικοινωνίες M2M ήταν το LTE-M και το NB – IoT . Ωστόσο, δεν αναμενόταν να είναι έτοιμα μέχρι τις αρχές ή τα μέσα του 2018. Αυτό δημιούργησε ένα κενό μετά την κατάργηση του 2G. Υπήρχε ανάγκη για ένα πρωτόκολλο που να καλύπτει συσκευές επικοινωνίας χαμηλής ισχύος, μεγάλης εμβέλειας και αμφίδρομης επικοινωνίας. Αυτό οδήγησε στην ευρύτερη ανάπτυξη του δικτύου LoRa .

  Το LoRa δεν απαιτεί δαπανηρές χρεώσεις αδειοδότησης φάσματος, όπως συνηθίζονται στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Μέχρι το 2013, οι βασικές τεχνολογίες που τροφοδοτούν το LoRa κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και ανήκουν στην Semtech. Η LoRa Alliance ιδρύθηκε στις αρχές του 2015 για να καλύψει τις ανάγκες της αγοράς, ενώ παράλληλα τυποποίησε και προώθησε το LoRaWAN που βασίστηκε στο LoRa .

• Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του LoRa ;Το LoRa έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
  • Μεγάλη εμβέλεια: Πολλά μίλια σε ζεύξεις με οπτική επαφή.
  • Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας: Μπορεί να λειτουργεί με μπαταρία για χρόνια.
  • Χαμηλό κόστος: Οι μονάδες LoRa είναι οικονομικές. Χρησιμοποιούν συνεχή διαμόρφωση περιβάλλουσας που προσφέρει χαμηλότερο κόστος και υψηλότερη απόδοση στον ενισχυτή ισχύος.
  • Καθολικό: Χρησιμοποιεί ζώνες χωρίς άδεια που είναι διαθέσιμες παγκοσμίως.
  • Αμφίδρομη: Μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει δεδομένα.
  • Επεκτασιμότητα δικτύου: Εύκολη κλιμάκωση καθώς υποστηρίζει εκατομμύρια μηνύματα ανά σταθμό. Μία μόνο πύλη μπορεί να υποστηρίξει χιλιάδες τελικές συσκευές.
  • Εύκολη θέση σε λειτουργία: Εύκολη εγκατάσταση σε υπάρχον δίκτυο.
• Ποιες είναι οι τυπικές περιπτώσεις χρήσης του LoRa ;
  

  

  Έξυπνα φώτα δρόμου με LoRa . Πηγή: inteliLIGHT 2020. 

  Το LoRa είναι κατάλληλο για αγροτική χρήση λόγω της μεγάλης εμβέλειάς του. Σε αστικές περιοχές, όπου τα σήματα πρέπει να διαπερνούν δάπεδα και τοίχους, το LoRa είναι κατάλληλο. Μεταξύ των τομέων εφαρμογής του είναι οι έξυπνες πόλεις, τα έξυπνα σπίτια και κτίρια, η έξυπνη γεωργία, η έξυπνη μέτρηση και η έξυπνη αλυσίδα εφοδιασμού και η εφοδιαστική αλυσίδα.

  Μια τυπική περίπτωση χρήσης είναι η έξυπνη μέτρηση . Για παράδειγμα, οι μετρητές με δυνατότητα LoRa θα αυξήσουν την αποδοτικότητα και θα βελτιστοποιήσουν τις διαδικασίες. Για τη διαχείριση του νερού, οι αισθητήρες θα παρακολουθούν την πίεση του νερού, τη στάθμη του νερού ή θα ανιχνεύουν διαρροές.

  Σε έξυπνα κτίρια , η τυπική χρήση του LoRa είναι για ανίχνευση καπνού, παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων και οχημάτων, χρήση δωματίων και πολλά άλλα.Η παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων είναι δυνατή επειδή το LoRa λειτουργεί καλά ακόμα και όταν οι συσκευές βρίσκονται σε κίνηση.

  Δεδομένου ότι το LoRa είναι αμφίδρομο, οι εφαρμογές μπορούν να επωφεληθούν από τη λειτουργικότητα εντολών και ελέγχου . Η ανοδική ζεύξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συνεχή παρακολούθηση και η κατερχόμενη ζεύξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της συσκευής.

  Το LoRa, όταν συνδυάζεται με Wi-Fi, μπορεί να βελτιστοποιήσει μια σειρά από περιπτώσεις χρήσης του IoT . Για παράδειγμα, η παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων, οι υπηρεσίες τοποθεσίας και η ροή κατ’ απαίτηση μπορούν να βελτιωθούν.

• Θα μπορούσατε να μοιραστείτε μερικές τεχνικές λεπτομέρειες του LoRa ;
  

  

  Βασικές τεχνικές παράμετροι του LoRa . Πηγή: Semtech Corporation 2020. 

  Το LoRa λειτουργεί σε διαφορετικές ζώνες σε διαφορετικά μέρη του κόσμου. Στις ΗΠΑ λειτουργεί στα 902-928 MHz. Στην Ευρώπη, λειτουργεί στα 863-870 MHz. Στην Κίνα, το φάσμα είναι 470-510 MHz και 779-787 MHz. Στην Ινδία, λειτουργεί σε 3 κανάλια: 865,0625 MHz, 865,4025 MHz, 865,9850 MHz. Σε πολλές ασιατικές χώρες, το φάσμα είναι 920-923 MHz ή 923-925 MHz. Η Αυστραλία χρησιμοποιεί 915-928 MHz. Συνήθως, τα κανάλια κατερχόμενης ζεύξης είναι υψηλότερα από τα ανερχόμενα.

  Τα δεδομένα διαδίδονται με μια ακολουθία τσιπ, κατανέμοντας έτσι την ενέργεια του σήματος σε ένα ευρύτερο εύρος ζώνης. Το LoRa έχει έξι παράγοντες διασποράς, SF7-SF12. Όσο μεγαλύτερη είναι η διασπορά, τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος και μικρότερος είναι ο ρυθμός μετάδοσης bit. Οι παράγοντες διασποράς είναι ορθογώνιοι, πράγμα που σημαίνει ότι σήματα με διαφορετικούς παράγοντες διασποράς μπορούν να συνυπάρχουν. Στη Βόρεια Αμερική, υπάρχουν 64 κανάλια ανοδικής ζεύξης 125 kHz, 8 κανάλια ανοδικής ζεύξης 500 kHz και 8 κανάλια κατερχόμενης ζεύξης 500 kHz. Για το ίδιο SF , το χαμηλότερο εύρος ζώνης συνεπάγεται καλύτερη ευαισθησία.

  Οι πομποδέκτες SX1276/77/78/79 της Semtech επιτυγχάνουν μέγιστο προϋπολογισμό σύνδεσης 168 dB. Η ευαισθησία είναι -148 dBm. Ο ρυθμός μετάδοσης bit μπορεί να προγραμματιστεί έως και 300 kbps. Καταναλώνουν ρεύμα λήψης 9,9 mA και 200 ​​nA για τη διατήρηση του καταχωρητή.

• Ποιο είναι το εύρος του LoRa ;
  

  

  Έχει αποδειχθεί ότι το LoRa λειτουργεί σε απόσταση 702 χλμ. Πηγή: Telkamp και Slats 2017. 

  Το LoRa έχει μια τυπική εμβέλεια 2-8 km, με την υψηλότερη εμβέλεια να επιτυγχάνεται όταν ο συντελεστής εξάπλωσης ( SF ) είναι μεγαλύτερος. Μεγαλύτερος συντελεστής εξάπλωσης συνεπάγεται επίσης χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης bit. Επιπλέον, αυτό το εύρος μπορεί επίσης να ποικίλλει ανάλογα με το έδαφος.

  Σε αστικό περιβάλλον με εξωτερική πύλη, η τυπική εμβέλεια είναι 2-3 χλμ. Σε αγροτικές περιοχές, αυτή μπορεί να είναι 5-7 χλμ.

  Σε ένα πείραμα που χρησιμοποίησε ένα μετεωρολογικό αερόστατο, επιτεύχθηκε εμβέλεια 702 χλμ. Μια συσκευή LoRa συνδέθηκε με ένα αερόστατο γεμάτο με ήλιο που ανέβηκε σε υψόμετρο 38,772 χλμ. Το πακέτο που στάλθηκε από τον κόμβο ελήφθη από 148 διαφορετικές πύλες συνδεδεμένες με το Δίκτυο Πραγμάτων (The Things Network). Μία από τις πύλες σε ύψος 30 μέτρων βρισκόταν στο Βρότσλαβ της Πολωνίας. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, το αερόστατο πετούσε πάνω από το Όστερβαλντ της Γερμανίας. Η απόσταση ήταν 702,676 χλμ. Η ισχύς μετάδοσης ήταν 25mW (14dBm), η οποία είναι περίπου 40 φορές μικρότερη από αυτήν που χρησιμοποιεί ένα κινητό τηλέφωνο.

• Θα μπορούσατε να μοιραστείτε μερικές λεπτομέρειες σχετικά με το πώς λειτουργεί το LoRa ;
  

  

  Αποδιαμόρφωση σήματος LoRa . Πηγή: Knight 2016, διαφάνεια 46. 

  Το LoRa χρησιμοποιεί Chirp Spread Spectrum ( CSS ) που διαδίδει το αρχικό σήμα σε μεγαλύτερο εύρος ζώνης μεταβάλλοντας συνεχώς τη συχνότητα. Το σήμα δεδομένων διαδίδεται ή τσιπάρεται σε υψηλότερο ρυθμό. Αυτό στη συνέχεια διαμορφώνει το σήμα φέρουσας chirp. Λόγω αυτής της μεθόδου, το LoRa δεν απαιτεί ρολόι αναφοράς υψηλής ακρίβειας, μειώνοντας έτσι το κόστος σχεδιασμού του δέκτη. Το σήμα ανέχεται επίσης τις μετατοπίσεις συχνότητας Doppler, καθιστώντας το LoRa κατάλληλο για κινητές συσκευές. Λόγω της διασποράς, επιτυγχάνεται κέρδος επεξεργασίας, καθιστώντας το LoRa ανθεκτικό σε πολλαπλές διαδρομές και εξασθένιση.

  Ένα πλαίσιο LoRa PHY έχει επαναλαμβανόμενα ανοδικά τιτιβίσματα για το προοίμιο, δύο καθοδικά τιτιβίσματα για τον οριοθέτη έναρξης πλαισίου ( SFD ) και ακανόνιστα ανοδικά τιτιβίσματα ποικίλου μήκους που υποδηλώνουν δεδομένα. Οι στιγμιαίες αλλαγές συχνότητας οφείλονται στη διαμόρφωση δεδομένων στα τιτιβίσματα.Ένας δέκτης LoRa θα αναγνωρίσει το προοίμιο και το SFD . Για να εξαγάγει σύμβολα, θα αποσυνδέσει το τσιράκι με τοπικά παραγόμενο σήμα και θα λάβει FFT από τα αποσυνδεδεμένα σήματα. Το μήκος FFT αντιστοιχεί στον αριθμό των πιθανών συμβόλων, ο οποίος είναι διπλάσιος από τον συντελεστή εξάπλωσης.

• Πώς διαφέρει το LoRa από το LoRaWAN;
  

  

  Το LoRa ταιριάζει στο επίπεδο PHY. Πηγή: Semtech Corporation 2020, εικ. 7. 

  Το LoRa είναι ιδιοκτησία και κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την Semtech Corporation. Το LoRaWAN βασίζεται στο LoRa και είναι τυποποιημένο από την LoRa Alliance.

  Το LoRa ορίζει το επίπεδο PHY για επικοινωνία χαμηλού κόστους, χαμηλής ισχύος και μεγάλης εμβέλειας. Το LoRaWAN ορίζει το επίπεδο MAC για αμφίδρομη επικοινωνία, κινητικότητα και υπηρεσίες εντοπισμού θέσης. Το LoRaWAN ασχολείται με την αρχιτεκτονική δικτύου: πώς οι συσκευές συνδέονται με πύλες, πώς οι πύλες επεξεργάζονται τα πακέτα και πώς τα πακέτα φτάνουν στους διακομιστές δικτύου και τους διακομιστές εφαρμογών. Το LoRaWAN ορίζει επίσης τρεις διαφορετικούς τύπους συσκευών (κλάση A/B/C) για να ταιριάζουν σε διαφορετικές ανάγκες ισχύος.

  Ενώ είναι σύνηθες να χρησιμοποιείτε το LoRaWAN με το LoRa , υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις για το LoRaWAN. Για παράδειγμα, το Symphony Link της Link Labs είναι μια εναλλακτική λύση. Ισχυρίζονται ότι το LoRaWAN είναι κατάλληλο για δημόσια δίκτυα, αλλά για ιδιωτικά δίκτυα που εξυπηρετούν βιομηχανικές εφαρμογές το Symphony Link είναι καλύτερο.

• Πού έχει αναπτυχθεί το LoRa ;
  

  

  Κάλυψη παγκόσμιου δικτύου LoRaWAN. Πηγή: Anciaux 2018. 

  Το LoRa έχει αναπτυχθεί ευρέως στην Ευρώπη, τις ΗΠΑ και την Ασία.Μέχρι τα μέσα του 2018, το LoRaWAN είχε αναπτυχθεί σε 95 χώρες.

  Το 2015, το Εθνικό Δίκτυο Στενής Ζώνης και η Telstra διεξήγαγαν ανεξάρτητες δοκιμές LoRa στην Αυστραλία.Τον Νοέμβριο του 2015, το δίκτυο LoRa της KPN τέθηκε σε λειτουργία στο Ρότερνταμ και τη Χάγη στην Ολλανδία. Τον Ιούλιο του 2016, πέτυχε πανεθνική κάλυψη, καθιστώντας την Ολλανδία την πρώτη χώρα στον κόσμο που διαθέτει αυτή τη δυνατότητα.

  Στις ΗΠΑ, η MachineQ, μια εταιρεία της Comcast, παρέχει δίκτυο πρόσβασης βασισμένο στο LoRaWAN για εφαρμογές IoT . Τον Μάιο του 2018, συνέδεσε 10 πόλεις των ΗΠΑ στο δίκτυο.

  Τον Ιούνιο του 2019, η Kerlink και η Tata Communications Transformation Services ανακοίνωσαν μια συνεργασία για την ανάπτυξη του LoRaWAN παγκοσμίως. Μάλιστα, είχαν ήδη αναπτύξει το LoRaWAN σε 40 ινδικές κοινότητες και πόλεις. Το δίκτυο ήταν αξιόπιστο σε τρεις περιόδους μουσώνων.Τον Δεκέμβριο του 2019, η SenRa ανακοίνωσε την κάλυψη LoRaWAN σε 60 πόλεις της Ινδίας και σχεδιάζει να επεκταθεί σε 100 πόλεις μέχρι το τέλος του 2020.

  Η ταϊβανέζικη εταιρεία Kiwi Technologies έχει ενεργοποιήσει την ανάπτυξη LoRaWAN στην Κίνα, την Ταϊβάν, την Ινδονησία, την Ταϊλάνδη και άλλες χώρες.

• Ποιος προμηθεύει chipset και μονάδες LoRa ;
  

  

  Κιτ αξιολόγησης LoRa από την Microchip. Πηγή: Microchip 2020. 

  Τα πρώτα εμπορικά chipset LoRa κατασκευάστηκαν από την Semtech. Πρόκειται για chipset της σειράς SX12XX.

  Πλέον, υπάρχουν πολλές εταιρείες ημιαγωγών, όπως η Microchip και η Murata, που κατασκευάζουν τσιπ συμβατά με τους μικροελεγκτές τους. Για παράδειγμα, η μονάδα CMWX1ZZABZ LoRa της Murata ενσωματώνει τον πομποδέκτη SX1276 της Semtech με τον μικροελεγκτή σειράς STM32L0 της STMicroelectronics. Το SDK LoRaWAN της ST μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή.

  Η LoRa Alliance διατηρεί μια λίστα με προϊόντα που είναι πιστοποιημένα για LoRaWAN. Αυτά τα προϊόντα περιλαμβάνουν συστήματα σε πακέτα, αισθητήρες και μονάδες.

• Ποιες είναι μερικές χρήσιμες πηγές για να μάθετε ή να χρησιμοποιήσετε το LoRa ;Το Κέντρο Πόρων της LoRa Alliance είναι το μέρος όπου μπορείτε να κατεβάσετε την προδιαγραφή LoRaWAN. Υπάρχουν επίσης μελέτες περιπτώσεων, συχνές ερωτήσεις, παρουσιάσεις και λευκές βίβλοι.Η Πύλη Προγραμματιστών LoRa από την Semtech είναι ένας χρήσιμος ιστότοπος που μπορείτε να επισκεφθείτε. Περιλαμβάνει χρήσιμες μελέτες περιπτώσεων, τεχνικά έγγραφα, φύλλα δεδομένων, οδηγούς χρήστη και πολλά άλλα.Η Bastille Research έχει το gr-lora ανοιχτού κώδικα, το οποίο είναι μια ενότητα GNU Radio out-of-tree ( OOT ) που υλοποιεί το LoRa PHY. Παρόλο που το LoRa είναι ιδιόκτητο, ο Matt Knight έκανε ανάλυση τυφλού σήματος που οδήγησε στο gr-lora.

  Υπάρχουν πολλά εργαλεία διαθέσιμα στο διαδίκτυο για τη λειτουργία δικτύων που βασίζονται στο LoRa . Το LoRatools παρέχει εργαλεία όπως η γεννήτρια κλειδιών, ο βοηθός εισαγωγής Thingpark, ο βοηθός Hex και η αριθμομηχανή Airtime.Για την οπτικοποίηση δεδομένων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπτικοποιητές ανοιχτού κώδικα όπως το Kibana .

• Ποιες είναι μερικές κριτικές για το LoRa ;Το LoRa δεν είναι ανοιχτού κώδικα. Η τεχνολογία κατοχυρώνεται με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την Semtech Corporation, η οποία κυκλοφόρησε τα chipsets.Παρόλο που τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας περιγράφουν τον τρόπο λειτουργίας του LoRa , ανεξάρτητη ανάλυση έχει δείξει ότι η εφαρμογή στον πραγματικό κόσμο διαφέρει από πολλές απόψεις από αυτήν που αποκαλύπτεται στα διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Συγκεκριμένα, η δημιουργία ευρετηρίου συμβόλων με γκρι χρώμα, η λεύκανση δεδομένων και η παρεμβολή διαφέρουν.Η ασφάλεια του LoRa στο επίπεδο PHY πιθανότατα δεν είναι ώριμη. Είναι δυνατό να εισαχθεί και να αποκρυφθεί κακόβουλη κίνηση που δεν ανιχνεύεται από τα υψηλότερα επίπεδα. Πολλά από τα exploits που είναι γνωστά στο IEEE 802.15.4 μπορούν να χρησιμοποιηθούν εδώ.Ο ακριβής εντοπισμός LoRa είναι δύσκολο να εφαρμοστεί, τουλάχιστον με βάση τη διαφορά ώρας άφιξης ( TDOA ). Εκτός εάν υπάρχει κοντινή οπτική επαφή, είναι δύσκολο να ανιχνευθεί η άμεση διαδρομή. Δεδομένου ότι το εύρος ζώνης LoRa είναι μόνο 125 kHz, ένας δέκτης μπορεί να διαχωρίσει διαφορετικές πολλαπλές διαδρομές μόνο εάν διαφέρουν κατά τουλάχιστον 2,4 km.

  Μπορεί να ειπωθεί ότι σε σύγκριση με το NB – IoT , το LoRa έχει χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και υψηλότερη καθυστέρηση. Ωστόσο, το LoRa προσφέρει επίσης μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μπαταρίας από το NB – IoT . Επομένως, αυτό είναι περισσότερο ένα συμβιβασμό που μπορεί να ωφελήσει πολλές εφαρμογές IoT .

  Υπάρχουν επίσης περιορισμοί του LoRaWAN που δεν συζητούνται εδώ.

• Θα μπορούσατε να αναφέρετε μερικές εναλλακτικές λύσεις για το LoRa ;
  

  

  Σύγκριση πολλών LPWAN . Πηγή: Oviphone Europe 2020. 

  Το LoRa έχει τις ακόλουθες εναλλακτικές λύσεις:

  • Sigfox : Ιδιοκτησιακή τεχνολογία από γαλλική εταιρεία. Χαμηλό κόστος και μεγάλη εμβέλεια. Προορίζεται κυρίως για uplink. Η downlink είναι περιορισμένη. Πολλές εφαρμογές στην Ευρώπη, αλλά μόνο λίγες στις ΗΠΑ. Ένας εσωτερικός ιχνηλάτης με Sigfox μπορεί να διαρκέσει για 5+ χρόνια σε μία μόνο κυψέλη AA .
  • Narrowband IoT ( NB – IoT ) : Τεχνολογία βασισμένη σε κυψελοειδή δίκτυα βελτιστοποιημένη για χαμηλή ισχύ και μεγάλη εμβέλεια. Σε σύγκριση με το LoRa , το NB – IoT έχει το πλεονέκτημα ότι αποτελεί ανοιχτό πρότυπο σε ένα ήδη ώριμο οικοσύστημα για δίκτυα κινητής τηλεφωνίας με υποστήριξη από προμηθευτές τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού. Λειτουργεί σε αδειοδοτημένο φάσμα. Σχετικά πρότυπα κινητής τηλεφωνίας για LPWAN περιλαμβάνουν τα EC-GSM- IoT και LTE Cat-M1.
  • Πολλαπλή Πρόσβαση Τυχαία Φάση ( RPMA ) : Ιδιοκτησιακή τεχνολογία που αναπτύχθηκε από την Ingenu, η οποία προηγουμένως ονομαζόταν On-Ramp Wireless. Ανώτερη χωρητικότητα ανοδικής και καθοδικής ζεύξης. Καλύτερος προϋπολογισμός ζεύξης από το LoRa ή το Sigfox. Λειτουργεί στα 2,4 GHz.
  • Αβαρές : Ανοιχτό πρότυπο σε μη αδειοδοτημένο φάσμα κάτω των GHz. Τρεις παραλλαγές: Weightless-W, Weightless-N και Weightless-P.