ما هو لوراوان?

ما هو لورا وLoRaWAN?

لورا هو معيار اتصال جديد لإنترنت الأشياء, والذي يستخدم عادة لنقل بيانات الإشارة الصغيرة عبر مسافات طويلة جدًا. عادةً ما تتمتع مستشعرات LoRa بقدرة منخفضة, انخفاض استهلاك الطاقة, وعمر البطارية الطويل. لورا هو اختصار للكلمة “طويلة المدى”. من الاسم, يمكن ملاحظة أن الميزة الرئيسية لـ LoRa هي مسافة الإرسال الطويلة. مخطط تعديل إشارة LoRa, تم تطويره بواسطة Semtech, يتيح هامش الارتباط ممتازة. حساسية إشارة LoRa عالية جدًا, حتى تتمكن LoRa من الحفاظ على الاتصال لمسافات طويلة, حتى في البيئات الصاخبة. على غرار تقنيات LPAWAN الأخرى مثل إنترنت الأشياء (NB-IoT)., تعمل LoRa عادةً بمعدلات بيانات أقل, مما يزيد من ارتفاع الارتباط. بسبب انخفاض معدل البيانات, LoRa غير مناسب للسيناريوهات التي تتطلب تأخيرًا كبيرًا في البيانات.

LoRaWAN هو معيار اتصال لبروتوكول LPWAN يعتمد على شريحة LoRa, وهو مصمم للاتصال بإنترنت الأشياء عن بعد. كان LoRaWAN يسمى في الأصل LoRaMAC, وهي عبارة عن مجموعة من بروتوكولات الاتصال وبنية النظام بناءً على تصميم شبكة الاتصالات لمسافات طويلة LoRa. وفقا لبروتوكول الاتصال التقليدي, LoRaWAN هي طبقة MAC, وLoRa هي الطبقة المادية. LoRaWAN هو معيار شبكة مفتوحة, والتحكم في الوصول إلى طبقة ارتباط البيانات الخاصة بها (ماك) يتم الحفاظ عليه من قبل تحالف لورا.

ما هي بوابات LoRaWAN وخوادم LoRaWAN السحابية

بوابة LoRaWAN هي موصل شبكة LoRa, والتي يمكنها تحويل بروتوكول اتصال شبكة LoRa إلى بروتوكول TCP/IP, ونقل بيانات جهاز LoRaWAN إلى الشبكة. يشبه هذا إعداد جهاز توجيه لاسلكي صناعي لتوصيل أجهزة WiFi بالشبكة. عادةً ما يتم نشر البوابات بواسطة المستخدمين أو موفري الحلول ويتم نشرها عادةً في المراكز الإقليمية البعيدة دون أنواع أخرى من التغطية.

ال خادم سحابي لوراوان هو مركز خدمة سحابية يدير اتصالات الأجهزة واتصالاتها. يمكن أن يكون خادم الويب خادمًا فعليًا أو خادمًا سحابيًا. عندما يكون خادم الويب في السحابة مثل خدمة الاستضافة, تعمل البوابة فيما يسمى “إعادة توجيه الحزمة” وضع, الذي يقوم فقط بتمرير جميع حزم بيانات LoRa الأصلية في الهواء إلى خادم الويب وخادم الويب. في هذا الوضع, جميع المعلومات مثل تشفير البيانات وفك تشفير الحزم, إدارة الجهاز والاتصال, يتم تخزين تحليل البيانات ومعالجتها في ECS, مما يسهل إدارة الخادم وترقيته ويسهل قراءة البيانات ومعالجتها.

كيف يعمل لوراوان

من حيث هيكل الشبكة, البروتوكول اللاسلكي الخاص بـ LoRaWAN بسيط للغاية. هيكل شبكتها عبارة عن طوبولوجيا نجمية, وهو ملائم للمعدات الطرفية LoRaWAN لزيادة نطاق الاتصال وتقليل استهلاك الطاقة. بعد العرض والاختبار, يعد هذا الهيكل النجمي أكثر ملاءمة لهذا النوع من سيناريوهات تطبيقات إنترنت الأشياء مع استهلاك منخفض للطاقة ومساحة كبيرة من هيكل الشبكة.

تخطيط الشبكة للطوبولوجيا النجمية هو وضع معالجة البيانات المركزي. ينقل كل جهاز طرفي LoRaWAN البيانات إلى بوابات LoRaWAN المتعددة, ثم تقوم بوابة LoRaWAN بنقل البيانات إلى الخادم المركزي. يقوم الخادم المركزي بإدارة ومعالجة البيانات المجمعة مركزيًا, وسيقوم الخادم بإكمال جدولة الرسائل, التحقيق الأمني, والكشف عن التكرار من البيانات. يقوم الخادم المركزي بتغذية بعض المعلومات الخاصة بمعدات LoRaWAN الطرفية وفقًا للبيانات حتى يتمكن LoRaWAN من تقديم استجابة معينة.

ميزتان واضحتان لبروتوكول LoRaWAN

1. تتبع أكثر ملاءمة: لا تحتاج البوابات إلى التواصل مع بعضها البعض. يتم بث معلومات العقدة الطرفية. يمكن استقبال إشارة العقدة الطرفية عبر بوابات متعددة. يمكن تحديد اتجاه وموضع العقدة الطرفية تقريبًا وفقًا لفارق التوقيت بين المعلومات التي تستقبلها البوابة. هذا المنطق والخوارزمية بسيطان نسبيًا.
2. رابط معلومات أبسط: تُستخدم البوابة فقط كجسر لتحقيق نقل المعلومات بين محطة العقدة والخادم. لا يوجد اتصال متبادل بين البوابة والبوابة, ورابط المعلومات جديد وبسيط.

أنواع أجهزة LoRaWAN: الفئة أ, الفئة ب والفئة ج

الفئة أ هي عملية غير متزامنة. من سمات العملية غير المتزامنة أنها لا تحتاج إلى الانتظار مثل العملية المتزامنة. عندما تحتاج العقدة الطرفية إلى نقل البيانات, سيتم الاتصال بالبوابة, بدلاً من الانتظار لوقت محدد أو الانتظار لاستكمال مهام سلسلة المحادثات. تكون العقدة الطرفية في حالة سكون قبل إرسال البيانات. بعد اكتمال العقدة الإرسال, سوف يدخل على الفور في حالة السكون. عندما تكتمل عقدة واحدة الإرسال, ويمكن للآخر أن يبدأ الإرسال على الفور. لا توجد فجوة في التواصل. لأن الفئة A هي انتقال غير متزامن, الاصطدام أمر لا مفر منه. تبلغ السعة القصوى النظرية لشبكة Aloha النقية حوالي 18.4% من الحد الأقصى. إذا استيقظت عقدتان في نفس الوقت وقررتا الإرسال على نفس القناة باستخدام نفس إعدادات الراديو, سوف يتصادمون ويتصادمون.

تسمح الفئة B بإرسال المعلومات إلى العقدة الطرفية. بوابة LoRaWAN ترسل منارة كل 128 ثواني. ترسل جميع محطات LoRaWAN الأساسية أيضًا رسائل منارة. ساعاتها الداخلية متزامنة وتنتمي إلى نبضة واحدة في الثانية (1بس). سيرسل قمر المزامنة الموجود في المدار رسالة في بداية كل ثانية, والتي يمكن مزامنة الوقت في جميع أنحاء العالم. تعتمد محطة Lora Wan الأساسية أيضًا على وقت المزامنة هذا. كل إشارة ترسلها البوابة تخصص فجوة زمنية قدرها 128 ثواني لإخبار العقدة بموعد استقبال الإشارة.

تسمح الفئة C للعقدة بمواصلة الاستماع لفترة طويلة دون النوم ويمكنها إرسال رسائل الوصلة الهابطة في أي وقت. الفئة C في حالة الاستيقاظ لفترة طويلة وتحتاج إلى استهلاك الطاقة للحفاظ على حالة الاستيقاظ للعقدة لمراقبة الإشارة المستقبلة في الوقت الفعلي. تستهلك جميع الفئات C الكثير من الطاقة وغير مناسبة لإمدادات طاقة البطارية. يتم استخدامه بشكل أساسي في السيناريوهات التي يمكن أن يكون فيها مصدر الطاقة مستقرًا.

لماذا تستخدم LoRaWAN بدلاً من WiFi, بلوتوث, زيجبي, و اكثر

لدى LoRaWAN سيناريوهات التطبيق الخاصة بها مع WiFi, بلوتوث, زيجبي, الهواتف المحمولة, إلخ. في الإرسال لمسافات طويلة, تتمتع LoRaWAN بمزايا واضحة مقارنة بالآخرين. واي فاي, يستخدم ZigBee وBluetooth طيفًا يبلغ 2.4 جيجا هرتز. وميزة هذا الطيف أنه يمكنه حمل كمية كبيرة من المعلومات وبسرعة كبيرة, ولكنه ليس خيارًا جيدًا لأجهزة الاستشعار اللاسلكية.

1. يضعف طيف 2.4 جيجا هرتز بسرعة في الهواء. عادةً ما يكون لمستشعر الشبكة الخاص ببروتوكول الاتصال هذا نطاق اتصال قصير جدًا, والاختراق المادي لطيف 2.4 جيجا هرتز ضعيف جدًا. لا تستطيع معظم الإشارات اختراق حواجز الطرق الأخرى مثل جدران المباني. في الحياة اليومية, في الزاوية أو المنطقة المغلقة مثل الطابق السفلي أو المرحاض, إشارة الواي فاي في القاعة ستكون ضعيفة جدًا أو غائبة بشكل أساسي. غالبًا ما تجد أنظمة التشغيل الآلي للمنزل التي تستخدم بروتوكولات مثل Zigbee أنها لا تستطيع الاتصال بالغرفة المجاورة. على الجانب الآخر, يمكن لمعدات LoRa الوصول إلى مسافات تصل إلى عدة أميال في بيئة الهواء الطلق ويمكن أن تعمل بشكل جيد من خلال العوائق مثل المباني أو المعدات.
2. طيف 2.4 جيجا هرتز للغاية “مزعج”, مما يعني أن هناك أجهزة بتردد 2.4 جيجا هرتز حولنا تتنافس على وقت البث, مما يؤثر على جودة الارتباط. تردد تشغيل LoRa في الولايات المتحدة هو 915 ميجا هرتز, لذلك لن يتداخل مع شبكة WiFi المحلية ومعظم الأجهزة اللاسلكية الأخرى.
3. واي فاي, بروتوكول اتصالات الشبكة, ضعيف جدًا في الإدارة الرئيسية ومنع أمن الشبكات والتحكم فيها, وهو غير مريح للغاية للاستخدام في العديد من المناسبات. على سبيل المثال, إذا كان جهاز توجيه WiFi متصلاً بأجهزة متعددة يريد تغيير كلمة مرور الاتصال, تحتاج إلى تغيير كلمة مرور الاتصال لجميع أجهزة WiFi الطرفية المتصلة. لكن, إذا كان الجهاز الطرفي لـ WiFi عبارة عن جهاز إلكتروني صغير يعمل بالبطارية ولا يلبي احتياجات المستخدم, من الصعب الاتصال بخادم WiFi الذي قام بتغيير كلمة المرور. في الحياة, يتم استخدام WiFi بشكل عام على الهواتف الذكية, أجهزة التلفاز الذكية, أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الأخرى. تحتوي هذه الأجهزة على شاشات عرض ومكتبات لتغيير كلمات المرور بسهولة. لكن إعادة توصيل جهاز توجيه WiFi أمر صعب للغاية بالنسبة لأجهزة الاستشعار البسيطة التي تعمل بالبطارية.. على الجانب الآخر, يقوم LoRaWAN بتكوين المعدات وحمايتها بطرق مختلفة. المفتاح ليس كلمة مرور واحدة محددة على خادم الويب, ولكنها مشتقة من المستشعر نفسه ولها قيمة فريدة يمكن توفيرها على خادم الويب (عادة في السحابة). تحتوي جميع مستشعرات الجسر الراديوي على معرف/زوج مفاتيح فريد, تمكين تكوين وإدارة الأمان بكفاءة.
4. استهلاك بطارية الأجهزة الطرفية مثل WiFi, بلوتوث, زيجبي والأجهزة الخلوية المحمولة مرتفعة نسبيا. ترسل هذه الأجهزة كمية كبيرة من معلومات الإشارة, ويضعف الطيف بسرعة, والطاقة المرسلة عالية نسبيا, وذلك لضمان تغطية معينة. يجب أن تحافظ هذه الأجهزة على اتصال منتظم مع البوابة أو المحطة الأساسية من أجل الحفاظ على حالة الاتصال. على الجانب الآخر, يمكن لأجهزة LoRaWAN الدخول في وضع السكون العميق والاستيقاظ فقط عند الضرورة لإرسال أحداث جديدة. في معظم التطبيقات, وهذا يسمح بأن يكون عمر البطارية أطول من ذلك 5 ل 10 سنين.

LoRa هي تقنية تعديل راديوي تستخدم لشبكات LAN اللاسلكية في فئة تكنولوجيا شبكات LPWA. LoRaWAN هي شبكة (بروتوكول) الذي يستخدم لورا.

انظر إلى مستقبل LoRaWAN

يتم استخدام إنترنت الأشياء منخفض الطاقة على نطاق واسع في بناء المدن الذكية. مع تعميق بناء المدن الذكية, سيتم إيلاء المزيد والمزيد من الاهتمام لتطبيقات التصور الحضري. هذا النوع من تطبيقات إنترنت الأشياء له نقاطه الخاصة: اتصال ضخم, تردد اتصالات منخفض, انخفاض استهلاك الطاقة, بيئة تغطية معقدة وحساسية عالية التكلفة. لذلك, تعد إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة أكثر ملاءمة لنظام تطبيق إنترنت الأشياء للإدراك الحضري.

لماذا تجذب تقنية LoRa انتباه الصناعة؟? تتمتع تقنية LoRa بإمكانية تطبيق واسعة في العديد من المجالات مع أداء ممتاز وشكل شبكي مرن. فضلاً عن ذلك, بنية تنفيذ انتقال LoRa لمسافات طويلة, أوضاع السلوك الثلاثة لـ LoRaWAN, والهندسة المعمارية النموذجية وتطبيق LoRa. بالإضافة إلى أنظمة مراقبة الدخان, أنظمة مراقبة بيئة الطاقة, أنظمة مراقبة توفير الطاقة لتكييف الهواء وأنظمة مراقبة الرعاية الذكية, يجب أن يعتمد تعميم إنترنت الأشياء على الأشخاص. سلامة الحياة, النقل والعلاج الطبي, التلوث البيئي, تعد مشكلات الغذاء والموارد البشرية جميعها مجالات تطبيق رأسية لإنترنت الأشياء التي كانت موضع اهتمام على نطاق واسع لفترة طويلة, تتمتع LoRa بمزايا أكثر من تقنيات الاتصال الأخرى في هذه السيناريوهات.

عصر الترابط بين كل الأشياء هو أيضًا عصر البيانات كملك. لكن, في كثير من الحالات, إذا لم يكن لدى الكائنات الذكية معلومات الموقع المقابلة, وهذا يعني أن البيانات “فوضوي” وسيتم تخفيض القيمة المتاحة إلى حد كبير. مع التطور القوي لصناعة إنترنت الأشياء في العامين الماضيين, كما زاد الطلب على تقنية تحديد المواقع في سيناريوهات تطبيقات إنترنت الأشياء المختلفة بشكل كبير. في الوقت الحالي, هناك العشرات أو حتى المئات من أنواع تكنولوجيا تحديد المواقع, ولكل تقنية تحديد المواقع مزاياها وعيوبها وسيناريوهات التطبيق المناسبة.

ينطبق LoRa على المناطق المحلية ذات الكثافة العالية ويتمتع بخصائص مستقلة نسبيًا, إشارة أقوى وتكلفة أقل. لذلك, يجب أن يكون لـ LoRa مكان في سوق المحيط الأزرق الواسع المستقبلي لإنترنت الأشياء. أما بالنسبة لآفاق التطوير المستقبلية لـ LoRa, لا يزال الأمر يعتمد على الترويج المشترك للأشخاص في الصناعة.