LoraWAN: long range low power en low cost draadloze datacommunicatie

LoraWan is een Low Power Wide Area netwerkprotocol (LPWAN). Het is opgezet door de Lora Alliance , een initiatief vanuit de industrie. De Alliance wilde een standaard formulerem voor LPWAN omdat men zag dat over de hele wereld lokale netwerken werden opgezet voor Internet of Things (IoT), Machine-to-Machine (M2M) , smart city en industriële applicaties. De leden van de Lora Alliance werken samen om LoraWan tot een wereldwijd succes te maken door het delen van kennis en ervaring en zo te garanderen dat er een wereldwijde standaard ontstaat.

Sternetwerk

De LoraWan is opgebouwd als een sternetwerk waar de gateways als transparante bridge fungeren voor transport van berichten tussen end-devices en een centrale netwerkserver in de backend. De gateways zijn verbonden met de netwerkserver via een standaard IP-verbinding terwijl de end-devices draadloos verbinding maken met één of meer gateways. Alle end-point communicatie is bi-directioneel, en tevens worden maar tevens worden functies ondersteund als multicast enabeling, software upgrades, ‘over-the-air’ of andere massadistributieberichten om de on air communicatietijd zoveel mogelijk te reduceren.

Communicatie tussen de end-devices en de gateways wordt verdeeld over verschillende frequentiekanalen en data-rates. De selectie van de data rate is een afweging tussen de afstand die moet worden overbrugd en de lengte van het bericht. Door de spread spectrum technologie die hiervoor wordt gebruikt zal communicatie met verschillende data rates niet met elkaar interfereren en wordt er een set van virtuele kanalen gecreëerd waardoor de capaciteit van de gateway verhoogd wordt. De LoraWAN data rates variëren van 0.3 kbps tot 50 kbps.

Om maximaal gebruikt te maken van zowel de levensduur van de batterij van de end-devices en de capaciteit van netwerk zal de LoraWAN netwerk server bepalen wat de data rate en het RF uitgangsvermogen voor elk individueel end-device is door middel van een adaptive data rate (ADR) systeem.

Encryptie

Landelijke netwerken die zijn opgezet voor IoT applicaties zoals kritieke infrastructuur, confidentiële persoonsgegevens of kritieke toepassingen voor de gemeenschap vragen om een beveiligde manier van communicatie. Hiervoor is een aantal encryptielagen ingebouwd:

• – Unique Network Key (EUI64) en gegarandeerde beveiliging op netwerkniveau;
• – Unique Apllication Key (EUI64) garandeerd end-to-end beveiliging op applicatieniveau;
• – Device Specific Key (EUI128).

LoraWAN heeft verschillende klassen voor end-point devices afhankelijk van de toepassing binnen een zeer breed gebied aan applicaties.

• – Klasse A (bi-directionele end-devices): end-devices met een Klasse A hebben een bi-directionele communicatie waarbij elk end-device na een uplink transmissie twee korte downlink ontvangstwindows heeft. Het transmissieslot wordt door het end-device ingepland en wordt gebaseerd op de eigen behoefte aan communicatie met een kleine variatie op basis van een Random Time Basis ( Aloha-Type protocol). De Klasse A communicatie is de beste methode voor een low-power systeem voor applicaties die alleen een downlink-communicatie nodig hebben kort nadat er een uplink transmissie is gedaan. Downlink-communicatie vanuit de server op een willekeurig ander moment moet hier wachten tot de volgende ingeplande uplink.
• – Klasse B (bi-directionele end-devices met geplande ontvangstslots): als toevoeging op de in Klasse A besproken willekeurige ontvangstwindows worden er in Klasse B devices extra ontvangstwindows geopend op geplande tijdstippen. Om op deze bepaalde tijdstippen het ontvangstwindow open te zetten ontvangen de end-devices een op tijd gesynchroniseerd signaal van de gateway. Hiermee weet de server wanneer de end-devices luisteren.
• – Klasse C (bi-directionele end-devices met maximale ontvangstslots ): end-devices in Klasse C staan altijd in ontvangst-modus tenzij er een transmissie plaatsvindt.

Aan de slag met Lora

Voor de ontwikkeling van Lora-applicaties is natuurlijk hardware nodig en een netwerk.

Voor wat betreft het netwerk zijn er inmiddels verschillende initiatieven gaande op zowel lokaal als nationaal niveau. Op lokaal niveau zien we bijvoorbeeld een smart city project in Amsterdam waar men in korte tijd inmiddels een werkend Lora-netwerk heeft geïnstalleerd. Op nationaal niveau wordt hard gewerkt door KPN die vanaf eind oktober van start gaat met de installatie van een landelijk dekkend Lora-netwerk waarbij men start in het havengebied in en rond Rotterdam.

Het is mogelijk om een eigen Lora-netwerk te bouwen. Een bedrijf genaamd Kerlink in Frankrijk levert gateways hiervoor. Voor de ontwikkeling van end-device applicaties zijn er inmiddels verschillende opties beschikbaar.

Op basis van losse componenten is het mogelijk om een Lora end device te ontwikkelen met een RF-transceiverchip van de Semtech SX127x familie . Deze transceivers communiceren met de Lora gateways die ontworpen zijn rond de Semtech SX1301 gateway chipset . Naast de SX127x RF-transceivers is nog wel een microcontroller nodig waar de LoraWAN-software in zit die de communicatie via de RF-transceiver naar de netwerkserver verzorgt. De Semtech transceivers die op dit moment het meest gebruikt worden zijn de SX1272 en de SX1276. De keuze voor een microcontroller is in principe vrij, mits deze beschikt over voldoende geheugen om de LoraWAN-stack te kunnen verwerken.

Omdat Lora applicaties vaak met een batterij gevoed worden en jarenlang moeten kunnen werken zonder dat de batterij hoeft te worden vervangen, worden vaak componenten gekozen met een zeer laag zelfverbruik omdat de applicaties meestal maar een korte tijd actief communiceren en daarna alleen in ontvangstmodus of in slaapmodus staan. Een voorbeeld van een microcontroller met een zeer laag stroomverbruik en de hoeveelheid geheugen die nodig is om de LoraWAN-software te kunnen draaien is de Gecko-familie van Silicon Labs op basis van Cortex M0/M3/M4 .

Voor een snelle time-to-market is er naast een oplossing met componenten ook een module beschikbaar die als een seriële Lora-modem gebruikt kan worden en volledig LoraWAN gecertificeerd is. Deze module, de RN2483 van Microchip, is gebaseerd op de SX1276 Lora-transceiver van Semtech in combinatie met een PIC microcontroller van Microchip zelf. De module is voorzien van een ASCII command interface, 14 GPIO’s een ingebouwde temperatuursensor en een low battery indicatie.

Development kits

Tevens zijn er van de RN2483-module development tools beschikbaar zoals de Lora Pictail development kit en eind dit jaar komt er ook een gateway + network service demo kit beschikbaar. Hiermee is het mogelijk om voor evaluatie van te ontwikkelen applicaties een demo -netwerk op te bouwen en zo lokaal te testen of de applicatie werkt.

LoRa Sell Sheet.

Bron: Avnet Silica