مقدمه ای بر فناوری LoRa WAN

​

KALAKAN.IR

مقدمه

با ظهور اینترنت اشیا و ارتباطات ماشین-به-ماشین به زودی رشد فزاینده گره های حسگر انتظار می رود. با توجه به پیش بینی اریکسون حدود 29 میلیارد وسیله تا سال 2022 به اینترنت متصل می شوند. این تجهیزات متصل شده شامل خودرو‌های متصل، ماشین‌ها، کنتورها، حسگرها، محصولات الکترونیکی، وسایل پوشیدنی و به عبارتی همه چیز خواهد بود. وبسایت فوربس تا سال 2025 تعداد دستگاه های اینترنت اشیا را بیش از 75 میلیارد و هیس مارکت تا سال 2030 به بیش از 125 میلیارد پیش بینی نموده اند. به طور کل، دستگاه های اینترنت اشیا نیاز به انرژی مصرفی پایین و پیچیدگی محاسباتی کم هستند. زیرا گره های در اکثر مواقع نیاز است که کوچک و مقایس پذیر طراحی شوند. هرچه گره های شبکه کوچک تر شوند اندازه باطری که در آن تعبیه شده نیز کوچک تر می شود و این موجب می شود چگالی ذخیره انرژی در آن کاهش یابد. در نتیجه، طول عمر گره شبکه کم می شود و زودتر از شبکه خارج می شود. لذا با توجه به برد گره های شبکه دو نوع فناوری ارتباطی بی سیم تعریف می شود که شامل فناوری های برد پایین شامل WIFI، Bluetooth، ZigBee، LR-WPAN (low-rate wireless personal area networks) و فناوری های برد وسیع از جمله شبکه های سلولی شامل 2G، 3G، 4G، 5G و 6G می شوند. در اوایل WLAN و Bluetooth برای انتقال با نرخ بالا پیشنهاد شدند، در حالی که ZigBee و LR-WPAN برای انتقال با نرخ پایین در محیط های محلی در حد چند متر پیشنهاد شدند. نسل های مختلف شبکه های سلولی نیز با توجه به پوشش، نرخ انتقال داده، قابلیت اعتماد و ویژگی های متفاوت دیگر ارائه شدند. با این وجود این فناوری‌های ارتباطی در شبکه های حسگر بی سیم حال حاضر که متشکل از تعداد زیادی دستگاه اینترنت اشیاء هستند ممکن است به خوبی قابل استفاده نباشند لذا پارادایم جدیدی تحت عنوان توان-پایین منطقه وسیع (low-power wide-area Network) که به اختصار LPWAN نامیده می شود مطرح شده است. LPWAN یک کلاس استاندارهای ارتباطی IoT بی سیم است که ویژگی هایی همچون مناطق پوشش وسیع و طول عمر طولانی باطری مهمترین مشخصه‌های این استاندارد است. فناوری LPWAN که با توجه به نیاز روز، برای طیف وسیع از کاربردهای اینترنت اشیاء و M2M پیشنهاد شده است می تواند برد تا چند کیلومتر، توان مصرفی محدود، پشتیبانی از تعداد گسترده دستگاه های متصل، کنترل تداخل فرکانس رادیویی، هزینه پایین و امینت بالا را فراهم نماید. جدول 1 طیف کاربردهای LPWAN را نشان می دهد [1].

​

جدول 1: کاربردهای مختلف استاندارد ارتباطی LPWAN

شکل 1به طور مختصر دامنه پوششی یک استاندارهای مختلف بی سیم را نشان می دهد. همان طور که از شکل مشخص است کمترین دامنه پوشش مربوط به استاندارهای RFID و بیشترین برد پوشش نیز به شبکه‌های سلولی نسل 5 و 6 اختصاص می یابد.

​

شکل 1: دامنه پوشش استانداردهای مختلف ارتباطی

اتحادیه بین المللی ارتباطات از راه دور (ITU) (سازمانی که مسئول ایجاد استانداردها و توصیه ها برای فعال کردن سیستم های اطلاعاتی و مخابراتی در سطح جهان است) از طریق گزارش های فنی خود اعلام کرده است که تکامل سیستم های موبایل باید فراتر از افزایش نرخ داده باشد یعنی بین نسل 5 و 6 موبایل بایستی تنوع فناوری های مختلف را شاهد باشیم و تنها افزایش نرخ داده منجر به ارائه نسل جدید نشود. لذا انتظار می رود که 5G نه تنها در تلفن های هوشمند بلکه در موارد هوشمند نیز کار کند. این گزارش سه سناریوی مهم برای شبکه های 5G را مشخص می کند که شامل باند پهن موبایل (mobile broadband)، ارتباطات ماموریت-بحرانی (mission-critical) و ارتباطات عظیم ماشین (massive-machine communications) که آن را به عنوان ارتباطات عظیم نوع ماشین (Massive Machine-Type Communications) می شناسیم می شود. با توجه به این سه سناریو، یک ارتباط توان پایین در پوشش وسیع برای کاربردهای اینترنت اشیاء اهمیت فراوانی دارد. اما تاکنون فناوری واحدی معرفی نشده است که بتواند نیاز تمام کاربردهای اینترنت اشیاء را برآورده نماید. به طور کلی، فناوری‌های ارتباطات بی سیم برای کاربرد اینترنت اشیا به سه دست تقسیم می شود که در جدول 2 آمده است [2].

​

جدول 2: استاندارهای ارتباطی اینترنت اشیا

همان طور که از جدول 2 مشخص است استاندار LPWAN به دو دسته مبتنی بر شبکه های سلولی و غیر سلولی تقسیم می شود. شبکه های LPWAN مبتنی بر شبکه های سلولی از زیرساختهای شبکه های سلولی استفاده می کنند و طیف فرکانسی آنها رایگان نیست اما شبکه های LPWAN غیر سلولی از طیف فرکانسی آزاد استفاده می کند لذا هر شخصی در هرجایی می تواند از آن استفاده نماید. LR-WPAN نوع دیگر از استانداردها است که با کاهش نرخ داده توان پایینی برای کاربردهای اینترنت اشیا فراهم می کند. اصلی ترین رقیبان در گروه LPWAN غیر سلولی SigFox و LoRaWAN هستند. SigFox از تکنیک Ultra Narrow Band (UNB) استفاده می کند که این امکان را فراهم می سازد تا پیام های بسیار کوچک (اندازه حداکثر 12 بایت) با استفاده از پهنای باند بسیار کم (100 هرتز) و سرعت داده کم (100 بیت بر ثانیه) منتقل شوند. شکل زیر مقایسه بین تکنیک UNB با سایر پروتکل های ارتباطی را نشان می دهد [2].

​

شکل 2: مقایسه پارامترهای فناوری ارتباطی UNB با سایر فناوری‌های مطرح

در مقابل Sigfox، استاندارد LoRaWAN قرار دارد که از فناوری رادیویی LoRa (short for long range) بهره می گیرد [2]. LoRa یک تکنیک مدلاسیون طیف وسیع (spread spectrum) است که از فناوری CSS (chirp spread spectrum) بهره می گیرد [3]. LoRa در واقع لایه فیزیکی شبکه LoRaWAN را تشکیل می دهد و از فناوری مدلاسیون CSS که بسیار شبیه به مدلاسیون FSK است با این تفاوت که برد بیشتری را پوشش می دهد استفاده می کند. دامنه پوشش LoRaWAN برای مناطق شهری بین 2 تا 5 کیلومتر است و برای مناطق خارج شهر تا 15 کیلومتر می رسد [4].

همچنین از پروتکل‌های ساده مانند ALOHA در لایه فیزیکی استفاده می کند تا توان مصرفی، پیچیدگی سخت افزار و هزینه را کاهش دهد [5]. در عوض LoRaWAN لایه کنترل دسترسی رسانه مشترک (Medium Access Control) از یک معماری شبکه باز را مشخص می کند که توسط اتحادیه LoRa (https://www.lora-alliance.org) تنظیم شده است [6].

اتحادیه LoRa اتحادیه ای غیرانتفاعی و باز است که از بدو تاسیس در سال 2015 به یکی از بزرگترین و سریعترین اتحادیه‌ها در بخش فناوری تبدیل شده است. اعضای آن برای توسعه و ترویج پروتکل LoRaWAN از نزدیک همکاری می کنند و تخصص خود را به اشتراک می گذارند [7]. این اتحادیه متشکل از شرکت‌های بزرگی همچون Semtech، ST Micro Electronics، Microchip و صدها شرکت بزرگ دیگر است. شکل3 نمایی از حامیان اتحادیه LoRa را نشان می دهد.

​

شکل 3: نمایی از شرکت‌ ها و اعضای اتحادیه LoRa

شکل 4 معماری LoRaWAN را نشان می‌دهد. همان طور که مشخص است در پایین ترین سطح شبکه گره‌های انتهایی قرار دارند که تعداد ‌آنها ممکن است چندین هزار وسیله باشد. گره‌های انتهایی می توانند در گروه‌های مستقل به Gateway های مستقل وصل شوند و از طریق آن به سرور شبکه وصل شوند. با توجه به اینکه gateway ها تجهیزات ثابتی هستند مسئله توان مصرفی در آنها مطرح نیست لذا می توان از پروتکل‌های ارتباطی با نرخ بالاتر استفاده نمود [6].

​

شکل 5: معماری شبکه LoRaWAN [6]

گره‌های انتهایی سه نوع کلاس رفتاری شامل کلاس A ، کلاس B و کلاس C دارند. کلاس A توسط همه دستگا‌های LoRa پشتیبانی می شود و در آن یک دستگاه بسته های downlink (از سرور به گره‌ها) را تنها پس از ارسال بسته دریافت می‌نماید که در این صورت کمترین میزان انرژی را مصرف می کند. کلاس B برای دستگاه‌هایی مناسب است که به ترافیک بیشتر downlink نیاز دارند. کلاس C همیشه به کانال گوش می‌دهد لذا توان مصرفی آن زیاد است اما در هر زمانی می تواند یک بسته downlink دریافت نماید لذا تاخیر donwnlink آن کم است [6].

​

شکل 6: معماری لایه ای از فناوری LoRa

جدول 3 مقایسه فناوری LoRa را با مهم ترین استانداردهای ارتباطی نشان می‌دهد. همان طور که از جدول مشخص است توان ارسال شبکه سلولی نسل سوم و چهارم حدود 25 برابر فناوری LoRa است این در حالی است که می تواند برد بیشتری هم فراهم نماید.

​

جدول 3: مقایسه مهم ترین فناوری های ارتباطی حال حاضر [8]

در LoRa داده‌ها به صورت بسته‌های کوچک با نرخ انتقال بین 3/0 تا 5/5 کیلوبیت بر ثانیه انتقال می یابند. شکل 7 سه بخش مهم از یک گره LoRa را نشان می دهد که شامل آنتن، ماجول رادیو و پردازنده و سنسورها می شود. گره انتهایی به گونه ای طراحی شده است که با یک باطری قلمی 3 ولتی تا مدت زیادی بتواند کار کند. با توجه به نوع گره انتهایی، سنسورهایی مختلفی ممکن است استفاده شود که یکی از مهم ترین این سنسورها، سنسور تشخیص حرکت است.

​

شکل 7: ماجول گره انتهایی LoRa [8]

شکل 8 یک gateway فناوری LoRa را نشان می دهد که شامل ماجول رادیویی، آنتن، پردازنده و... است. Gateway علاوه بر ارسال و دریافت داده به گره‌های انتهایی باید بتواند به اینترنت متصل شود. همچنین gateway باید بتواند در هر فاکتور گسترش و هر فرکانس به طور همزمان به چندین فرکانس گوش دهد.

​

شکل 8: اجزای داخلی یک gateway [8]

ارتباط بین gateway با گره‌های انتهایی به صورت دو طرفه است. ارتباط بین gateway با گره‌ها را downlink و ارتباط بین گر‌‌هها با gateway را uplink می گویند. شکل 9 یک ارتباط دو طرفه را نشان می‌دهد.

​

شکل 9: یک ارتباط دو طرفه بین گره انتهایی و gateway [8]

LoRa در باند رادیویی ISM (Industial, Scientefic and Medical) بدون مجوز کار می کند. شکل 10 باندهای فرکانسی بدون مجوز برای هر ناحیه را نشان می دهد. در تهیه تجهیزات LoRa بایستی به باند فرکانسی که کار می کند توجه شود.

​

شکل 10: باند فرکانسی بدون مجوز برای نواحی مختلف [8]

• مدلاسیون LoRa:

همان طور که اشاره شد، مدلاسیون LoRa مبتنی بر CSS است. CSS روشی است که در جنگ جهانی دوم در فناوری رادار مورد استفاده قرار گرفت. این روش مدله سازی سیگنال که بسیار به FSK شبیه است از یک سیگنال به نام Chirp برای حمل داده بهره گرفته می شود. در واقع سیگنال‌های chirp به عنوان سیگنال‌های حامل استفاده می شوند. chirp سیگنالی است که فرکانس آن به صورت خطی کاهش یا افزایش می یابد. در صورتی که فرکانس به صورت خطی افزایش یابد به آن up-chirp و اگر به صورت خطی کاهش یابد به آن down-chirp گفته می شود. شکل 11 سمت چپ، تاثیر افزایش خطی فرکانس بر ظاهر سیگنال را نشان می دهد. این افزایش خطی بین یک فرکانس کمینه و یک فرکانس بیشینه صورت می گیرد و در هر بازه زمانی پس از رسیدن به مقدار حداکثر یا حداقل دوباره از اول شروع به افزایش یا کاهش می کنند، همان طور که در شکل 2-16 سمت راست نشان داده شده است [9].

​

شکل 11: سیگنال chirp بالا و chirp پایین [8]

برای اینکه روی سیگنال chirp داده سوار شود بایستی در بازه fmin و fmax به فرکانس های مختلف پرش کنیم که به این روش frequency hopping می گویند. شکل 12 این پرش فرکانسی را به وضوح نشان می دهد.

شکل 12: فرکانس chirp مدله شده و مدله نشده [8]

تعداد پرش‌هایی که در یک بازه chirp می تواند انجام داد که در سمت گیرنده قابل شناسایی باشد برابر با 2SF است که SF را ضریب گسترش (Spreading Factor) می گویند. به عنوان مثال اگر SF=7 باشد یعنی در یک بازه سیگنال chirp یا در یک chirp می توان 127 پرش فرکانسی انجام داد. یعنی حداکثر مقدار قابل انتقال در یک chirp برابر 127 است. شکل 2-18 نشان می دهد که چطور می توان مقادیر 0، 32، 64 و 95 را از این طریق منتقل نمود.

​

شکل 13: نحوه کدگذاری در مدولاسیون CSS [8]

فناوری LoRa همانند WIFI برای کشف خطا از رویکرد FEC (Forward Error Correction) استفاده می کند.

معرفی کلاس‌های رفتاری LoRa:

همان طور که اشاره شد، سه کلاس رفتاری برای تجهیزات LoRa تعریف شده است که شامل کلاس A، کلاس B و کلاس C می شود.

در کلاس A، در هر زمانی یک گره انتهایی می تواند یک سیگنال را پخش همگانی کند. بعد این انتقال uplink گره انتهایی برای پاسخ از gateway به کانال گوش می دهد.

بعد انتقال uplink گره انتهایی دو اسلات در زمان‌های t1 و t2 باز می کند. gateway می تواند فقط در یکی از این اسلات‌ها پاسخ دهد. شکل 14 عملکرد کلاس A را نشان می دهد.

​

شکل 14: عملکرد رفتاری یک گره انتهایی در کلاس A [8]

کلاس B، علاوه بر اسلات‌های دریافت کلاس A، دستگاه‌های کلاس B اسلات‌های اضافی را در زمان های برنامه ریزی شده باز می کنند. شکل 15 عملکرد این کلاس را نشان می دهد.

​

شکل 15: عملکرد رفتاری کلاس B [8]

کلاس C، علاوه بر اسلات‌های دریافت کلاس A، یک وسیله کلاس C به طور مداوم برای پاسخ از gateway به کانال گوش می دهد.

​

کلاس 16: عملکرد رفتاری کلاس C [8]

فرمت بسته LoRa:

بسته LoRa در لایه فیزیکی از سه قسمت preamble، header به عنوان بخش اختیاری و payload مطابق با شکل زیر تشکیل شده است. Preamble برای همگام سازی فرستنده با جریان داده ورودی مورد استفاده قرار می گیرد و payload شامل داده اصلی و هدر لایه‌های دیگر است است که فرستاده می شود.

​

شکل 17: فرمت بسته LoRaدر لایه های مختلف [8]

دانلود کتاب آموزش جامع آردوینو کلیک کنید. 

  https://fapool.ir/file/90476/D1Gk

1. Bharat S. Chaudhari, "LPWAN Technologies for IoT and M2M Applications", 2020.
2. Jéssika C. da Silva et al, "A Survey of LoRaWAN Simulation Tools in ns-3", JOURNAL OF COMMUNICATION AND INFORMATION SYSTEMS, VOL. 36, NO.1, 2021
3. Pradeeka S, " Beginning LoRa Radio Networks with Arduino: Build Long Range,Low Power Wireless IoT Networks", 2019.
4. D. Davcev, K. Mitreski, S. Trajkovic, V. Nikolovski and N. Koteli, "IoT agriculture system based on LoRaWAN," 2018 14th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS), 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/WFCS.2018.8402368.
5. A. Hoeller, J. Sant'Ana, J. Markkula, K. Mikhaylov, R. Souza and H. Alves, "Beyond 5G Low-Power Wide-Area Networks: A LoRaWAN Suitability Study," 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083800.
6. Codeluppi, G.; Cilfone, A.; Davoli, L.; Ferrari, G. LoRaFarM: A LoRaWAN-Based Smart Farming Modular IoT Architecture. Sensors, 2020.
7. LoRa Alliance & WBA IoT Work Group, " LoRa Alliance", 2019.
8. https://www.youtube.com/c/Mobilefish/playlists
9. https://www.techplayon.com/lora-long-range-network-architecture/protocol-architecture-and-frame-formats/

​