A arquitetura LoRaWAN

,
Arquitetura LoraWAN

As topologias de rede LoRaWAN tem o formato de constelações de estrelas. Um exemplo típico pode ser visto na figura abaixo.

Arquitetura LoraWan

  • Dispositivos finais (End Devices) – sensores ou atuadores enviam mensagens sem fio moduladas LoRa para os gateways ou recebem mensagens sem fio de volta dos gateways. .
  • Gateways – recebem mensagens de dispositivos finais e as encaminham para o servidor de rede.
  • Servidor de rede (Network Server) – um software executado em um servidor que gerencia toda a rede.
  • Servidores de aplicativos (Application servers) – um software executado em um servidor responsável pelo processamento seguro dos dados do aplicativo.
  • Servidor de ingresso (Join Server) – um software executado em um servidor que processa mensagens de solicitação de ingresso enviadas por dispositivos finais (o servidor de ingresso não é mostrado na figura acima).

Os dispositivos finais comunicam-se com gateways próximos e cada gateway está conectado ao servidor de rede. As redes LoRaWAN usam um protocolo baseado em ALOHA, portanto, os dispositivos finais não precisam fazer peering com gateways específicos.

O protocolo ALOHA é um protocolo de acesso ao meio utilizado em redes de comunicação para transmitir dados. Existem duas variantes principais do protocolo ALOHA:

    • ALOHA Puro: Nesse protocolo, os dispositivos podem transmitir dados a qualquer momento, sem se preocupar com a atividade dos outros dispositivos na rede. No entanto, isso pode levar a colisões de dados, onde dois ou mais dispositivos tentam transmitir ao mesmo tempo, causando a perda de pacotes.
    • ALOHA Ranhurado: O ALOHA ranhurado divide o tempo em intervalos de tempo chamados de “ranhuras” ou “slots”. Os dispositivos só podem transmitir dados no início de uma ranhura. Isso reduz significativamente as colisões, tornando o protocolo mais eficiente em termos de utilização do meio.

O ALOHA foi uma das primeiras abordagens para controle de acesso ao meio e foi desenvolvido na década de 1960 na Universidade do Havaí.

As mensagens enviadas de dispositivos finais viajam por todos os gateways dentro do alcance. Estas mensagens são recebidas pelo Network Server. Se o Network Server recebeu múltiplas cópias da mesma mensagem, ele mantém uma única cópia da mensagem e descarta outras. Vamos examinar detalhadamente cada elemento da rede LoRaWAN. 

Dispositivos finais

Um dispositivo final LoRaWAN pode ser um sensor, um atuador ou ambos. Frequentemente, eles funcionam com bateria. Esses dispositivos finais são conectados sem fio à rede LoRaWAN por meio de gateways usando modulação LoRa RF. A figura a seguir mostra um dispositivo final que consiste em sensores como temperatura, umidade e detecção de queda.

Arquitetura LoraWan

Gateways

Cada gateway é registrado (usando definições de configuração) em um servidor de rede LoRaWAN. Um gateway recebe mensagens LoRa de dispositivos finais e simplesmente as encaminha para o servidor de rede LoRaWAN. Os gateways são conectados ao servidor de rede usando um backhaul, como links de celular (3G/4G/5G), WiFi, Ethernet, fibra óptica ou rádio de 2,4 GHz.

Tipos de Gateways LoRaWAN

Os gateways LoRaWAN podem ser categorizados em gateways internos (picocell) e externos (macrocell).

Os gateways internos são econômicos e adequados para fornecer cobertura em locais internos profundos (espaços cobertos por várias paredes), porões e edifícios com vários andares. Esses gateways possuem antenas internas ou antenas externas “pigtail”. Ainda assim, dependendo do ambiente físico interno, alguns gateways internos podem receber mensagens de sensores localizados a vários quilômetros de distância.

A figura a seguir mostra o gateway The Things Indoor projetado para ser conectado diretamente a uma tomada CA.

Arquitetura LoraWan

Os gateways externos fornecem uma cobertura maior do que os gateways internos. Eles são adequados para fornecer cobertura tanto em áreas rurais como urbanas. . Esses gateways podem ser montados em torres de celular, telhados de edifícios muito altos, tubos de metal (mastros), etc. Normalmente, um gateway externo possui uma antena externa (ou seja, antena de fibra de vidro) conectada por meio de um cabo coaxial. Se você é bom em adaptar produtos eletrônicos, pode converter alguns gateways internos em externos usando gabinetes à prova de água/poeira e adicionando antenas externas.

A figura a seguir mostra um gateway externo LoRaWAN. Possui conectores para conexão de antenas externas LoRaWAN, 3G/4G e GPS. Você consegue descobri-los?

Arquitetura LoraWan

A sensibilidade dos gateways externos normalmente é maior que a dos gateways internos.

Servidores de rede – Network Server

O Network Server gerencia gateways, dispositivos finais, aplicativos e usuários em toda a rede LoRaWAN.

Um servidor de rede LoRaWAN típico possui os seguintes recursos.

  • Estabelecer conexões seguras AES de 128 bits para o transporte de mensagens entre dispositivos finais e o Application Server (segurança ponta a ponta);
  • Validando a autenticidade dos dispositivos finais e a integridade das mensagens;
  • Desduplicando mensagens de uplink;
  • Selecionando o melhor gateway para rotear mensagens de downlink;
  • Envio de comandos ADR para otimizar a taxa de dados dos dispositivos;
  • Verificação de endereço do dispositivo;
  • Fornecimento de confirmações de mensagens de dados de uplink confirmadas;
  • Encaminhando cargas de aplicativos de uplink para os servidores de aplicativos apropriados;
  • Rotear cargas úteis do aplicativo de uplink para o servidor de aplicativos apropriado;
  • Encaminhando mensagens de solicitação de adesão e aceitação de adesão entre os dispositivos e o servidor de adesão;
  • Respondendo a todos os comandos da camada MAC.

Servidor de aplicativos – Application Server

O Application Server processa mensagens de dados específicas da aplicação recebidas de dispositivos finais. Ele também gera todas as cargas de downlink da camada de aplicação e as envia para os dispositivos finais conectados por meio do servidor de rede. Uma rede LoRaWAN pode ter mais de um servidor de aplicativos. Os dados coletados podem ser interpretados aplicando técnicas como aprendizado de máquina e inteligência artificial para resolver problemas de negócios.

Servidor de ingresso – Join Server

O Join Server auxilia na ativação segura de dispositivos, armazenamento de chave raiz e geração de chave de sessão. O procedimento de adesão é iniciado pelo dispositivo final, enviando a mensagem de solicitação de adesão ao Servidor de Ingresso através do Servidor de Rede. O servidor de ingresso processa a mensagem de solicitação de ingresso, gera chaves de sessão e transfere NwkSKey e AppSKey para o servidor de rede e o servidor de aplicativos, respectivamente. O Join Server foi introduzido pela primeira vez com o LoRaWAN v1.1. Também está disponível em LoRaWAN v1.0.4.

Perguntas comuns

  1. Quem inicia mensagens de uplink?
    • Network server
    • End devices
    • Application server
    • Join server
  2. O que não está a cargo do Network Server?
    • Desduplicação de dados
    • Iniciar mensagens uplink
    • Controle adaptativo de taxa de dados
    • Roteamento de mensagens
  3. O servidor de aplicativos processa:
    • Comandos MAC
    • Mensagens de dados específicas de aplicativos
    • Solicitações de ingresso
  4. O servidor de ingresso processa:
    • Mensagens de solicitação de ingresso
    • Comandos MAC
    • Mensagens de dados específicos de aplicativos

Artigo original: https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/architecture/

Mais artigos sobre IoT

/0 Comentários/por
Talvez você goste dos artigos
LoRaWan Frequencies Faixas de operação da comunicação LoRaWAN
A tecnologia LoraWan na telemetria do saneamento A tecnologia LoraWan na telemetria do saneamento
Lora O que são o LoRa e o LoRaWAN
LoraWan LoraWAN – Conheça o protocolo por trás da tecnologia Lora
LoRaWan Classes Classes LoRaWAN de dispositivos
Mensagens LoRaWAN Tipos de mensagens LoRaWAN
0 respostas

Deixe uma resposta

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Deixe uma resposta