LoRa modules voor industriële IoT en langeafstandscommunicatie

LoRa (Long Range) is een draadloze modulatietechnologie gebaseerd op Chirp Spread Spectrum (CSS). Het maakt energiezuinige datatransmissie over lange afstanden bij lage datasnelheden mogelijk. LoRa werkt op licentievrije frequentiebanden, zoals 868 MHz (Europa), 915 MHz (Noord-Amerika) en 433 MHz (Azië), en maakt gebruik van verschillende spreidingsfactoren (SF7 – SF12) om het bereik en de datasnelheid aan te passen.

LoRaWAN is een netwerkprotocol voor IoT-toepassingen op basis van LoRa. De architectuur bestaat uit verschillende componenten:

• Eindapparaten (End Nodes): Sensoren of actuatoren met LoRa-chips die gegevens verzenden en ontvangen (zendontvanger).
• Gateways: Ontvangen LoRa-signalen en sturen deze via IP (Ethernet, LTE, Wi-Fi) door naar de Network Server. Een enkele gateway kan grote gebieden bestrijken. Ze sturen pakketten die vanaf de server worden verzonden door naar de eindapparaten.
• Netwerkserver (NS): beheert de communicatie, filtert dubbele berichten en regelt de netwerkbelasting.
• Join Server (JS): authenticeert apparaten en genereert beveiligingssleutels voor versleuteling.
• Applicatieserver (AS): verwerkt de gedecodeerde sensorgegevens en stuurt deze door naar de IoT-toepassing of het cloudplatform

Er zijn twee manieren om een eindapparaat aan te sluiten op een LoRaWAN-netwerk:

Over-the-Air Activation (OTAA):

• Veilige methode met dynamische sleutelgeneratie.
• Het eindapparaat stuurt een Join Request-bericht naar de netwerkserver.
  • De Join Server genereert sessiesleutels (AppSKey & NwkSKey) voor encryptie en authenticatie.
• Na succesvolle authenticatie kan het apparaat berichten verzenden en ontvangen.

Activering door personalisatie (ABP):

• Snellere methode, maar minder veilig, omdat sleutels permanent in het apparaat worden opgeslagen.
• Geen join-procedure vereist; het apparaat kan onmiddellijk verzenden.
• Nadeel: de beveiliging is zwakker omdat sleutels niet regelmatig worden vernieuwd.

OTAA wordt aanbevolen, omdat het bij elke registratie nieuwe, veilige sleutels genereert

LoRaWAN maakt gebruik van meerdere beveiligingsmechanismen:

Gegevensversleuteling:

• AES-128-bits versleuteling volgens de IEEE 802.15.4/2006-norm.

Twee afzonderlijke sleutels:

• Netwerksessiesleutel (NwkSKey): zorgt voor de integriteit van berichten.
• Applicatiesessiesleutel (AppSKey): versleutelt payloadgegevens.

Beveiliging tijdens activering:

• OTAA gebruikt dynamische DevNonce-waarden om replay-aanvallen te voorkomen.
• Elke nieuwe registratie genereert nieuwe sleutels om afluisterpogingen tegen te gaan.

Bescherming tegen aanvallen:

• Message Integrity Code (MIC): zorgt ervoor dat berichten niet worden gemanipuleerd.
• Frame Counter Mechanism: voorkomt replay-aanvallen.
• End-to-end-versleuteling: zorgt ervoor dat zelfs de netwerkserver geen toegang heeft tot payload-gegevens.

Deze mechanismen maken LoRaWAN betrouwbaar en veilig voor IoT-toepassingen

Het bereik is afhankelijk van de frequentie, het zendvermogen, de gevoeligheid van de ontvanger, de omgevingsomstandigheden, de antenne-eigenschappen en andere factoren. Muren, gebouwen en interferentie kunnen het bereik aanzienlijk verminderen. Het theoretische bereik kan worden berekend met behulp van het linkbudget en de "formule voor signaalverlies in vrije ruimte".

LoRaWAN is geschikt voor grootschalige, draadloze IoT-netwerken.

Het bereik is ook afhankelijk van de gebruikte spreidingsfactor (SF). De volgende bereiken worden doorgaans gespecificeerd:

• Landelijke gebieden: tot 15 km met SF12.
• Stedelijke gebieden: 2-5 km, afhankelijk van de bebouwingsdichtheid.
• Industriële omgevingen: 1-3 km, omdat metalen constructies signalen verzwakken.

Praktische bereiken moeten worden geverifieerd met specifieke RF-modules en toepassingen

LoRaWAN is geschikt voor tal van IoT-toepassingen, waaronder:

• Slimme steden: intelligente straatverlichting, parkeerbeheer, luchtkwaliteits­sensoren.
• Landbouw: bodemvochtigheids­sensoren, veetracking, weerstations.
• Industrie 4.0: asset tracking, procesbewaking, machineonderhoud.
• Milieubewaking: overstromingsdetectie, systemen voor vroegtijdige waarschuwing bij bosbranden.

LoRaWAN is ideaal voor energiezuinige, grootschalige IoT-netwerken

LoRaWAN is geoptimaliseerd voor lage datasnelheden, met transmissiesnelheden tussen 0,3 kbit/s en 50 kbit/s:

• Groter bereik (SF12) → Langzamere transmissie (~300 bit/s).
• Kleiner bereik (SF7) → Snellere transmissie (~11 kbit/s).

Aangezien LoRaWAN is ontworpen voor sensorgebaseerde, periodieke gegevensoverdrachten, zijn deze datasnelheden voldoende voor veel IoT-toepassingen.

Bij het plannen van een toepassing moet rekening worden gehouden met factoren zoals de duty cycle ("on-air time") en pakketverlies (mogelijke hertransmissies)

De Adaptive Data Rate (ADR) in LoRa is een mechanisme dat is ontworpen om de transmissiesnelheid en het transmissievermogen te optimaliseren op basis van de huidige netwerkomstandigheden en de afstand tussen apparaten en gateways.

Dit zijn de belangrijkste punten:

• Datasnelheid: ADR optimaliseert de datasnelheid om de communicatie-efficiëntie te maximaliseren. Hogere datasnelheden zorgen voor snellere transmissies, terwijl lagere datasnelheden zorgen voor stabielere verbindingen.
• Transmissievermogen: Door het transmissievermogen aan te passen, verbetert ADR de energie-efficiëntie. Apparaten die zich dicht bij de gateway bevinden, kunnen met een lager vermogen verzenden, terwijl apparaten die verder weg staan mogelijk een hoger vermogen nodig hebben om de verbinding te behouden.
• Automatische aanpassing: ADR maakt automatische parameteraanpassingen mogelijk op basis van de ontvangst van bevestigingen en netwerkomstandigheden, waardoor de juiste balans tussen bereik en energieverbruik kan worden gevonden.
• Doel: Het belangrijkste doel van ADR is om de levensduur van de batterij van IoT-apparaten te verlengen en tegelijkertijd betrouwbare communicatie te garanderen

LoRaWAN werkt op verschillende licentievrije ISM-banden, die per regio verschillen:

• Europa: 868 MHz (EU868).
• Noord-Amerika: 915 MHz (US915).
• Azië: 433 MHz (AS433) & 920-925 MHz (AS920).
• Australië: 915-928 MHz (AU915).

Deze frequentiebanden maken kosteloze werking mogelijk, maar zijn onderhevig aan beperkingen in de transmissietijd (duty cycle-beperkingen).

Een volledige lijst van gespecificeerde frequentiebanden is te vinden in de "LoRaWAN® Regional Parameters RP002-1.0.4" van de LoRa Alliance.

Opmerking: Semtech, de belangrijkste ontwikkelaar van LoRa-technologie, heeft LoRa-chips geïntroduceerd die 2,4 GHz ondersteunen, zoals de SX1280- en SX1281-zendontvangers. Deze maken gebruik van een eigen, niet-gestandaardiseerde versie van LoRa

LoRaWAN-apparaten hebben een laag stroomverbruik en een batterijduur van doorgaans maximaal 10 jaar (de werkelijke batterijduur moet worden berekend op basis van de vereisten van de specifieke toepassing).

Apparaatklassen:

• Klasse A (standaardmodus): zeer energiezuinig, alleen korte transmissietijden (met de volgende ontvangstvensters).
• Klasse B (geplande ontvangstvensters): maakt gesynchroniseerde communicatie mogelijk, maar met een hoger verbruik.
• Klasse C (continue ontvangstmodus): hoog energieverbruik, maar lagere latency.

Voor batterijgevoede sensoren is klasse A de beste keuze

Een enkele LoRaWAN-gateway kan duizenden apparaten tegelijkertijd beheren, afhankelijk van: • Datadoorvoersnelheid en spreidingsfactor: hogere SF-waarden verminderen de gatewaycapaciteit. • Pakketgrootte en transmissie-interval: kortere berichten en langere intervallen verhogen de apparaatcapaciteit. • Omgevingsomstandigheden: interferentie van andere radiosystemen kan de capaciteit verminderen.

Een goed gepland LoRaWAN-netwerk kan een groot aantal sensoren efficiënt ondersteunen

De "LoRa Alliance" is een internationale organisatie die zich richt op het promoten en ontwikkelen van de LoRaWAN-technologie. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) is een protocol dat is ontworpen voor draadloze netwerken, met name voor de communicatie van IoT-apparaten (Internet der dingen) over lange afstanden en met een laag energieverbruik.

Belangrijkste doelstellingen van de LoRa Alliance:

• Standaardisatie: wereldwijde acceptatie en standaardisatie van de LoRaWAN-technologie bevorderen.
• Interoperabiliteit: ervoor zorgen dat apparaten van verschillende fabrikanten met elkaar kunnen communiceren.
• Marktontwikkeling: ondersteuning van de ontwikkeling van markten en toepassingen op basis van LoRaWAN-technologie.
• Training en middelen: trainingmateriaal, documentatie en middelen verstrekken voor ontwikkelaars en bedrijven die gebruik willen maken van LoRaWAN-technologie.

Lidmaatschap De LoRa Alliance bestaat uit verschillende leden, waaronder bedrijven uit de telecommunicatie, software, hardware en meer. Het lidmaatschap biedt bedrijven de mogelijkheid om actief deel te nemen aan de voortdurende ontwikkeling van de technologie en te profiteren van gedeelde middelen