LoRa®とは？

LoRa：長距離、低電力のワイヤレス・プラットフォームは、世界中のIoTネットワーク構築のための一般的な技術選択です。

スマートIoTアプリケーションは、私たちの相互作用の方法を改善し、気候変動、汚染制御、自然災害の早期警報、人命救助など、都市や地域社会が直面する最大の課題のいくつかに取り組んでいます。企業にとっても、業務改善や効率化、コスト削減などの恩恵があり、従業員はその恩恵を受けて在宅勤務をすることができる。現在、多くの従業員が在宅勤務をしているため、従業員が何をしているかを確認したい場合、企業は遠隔地からコンピュータの動作を監視する 必要があるが、素晴らしいニュースは、これが簡単に可能になったということだ。

このワイヤレスRF技術は、自動車、街灯、製造装置、家電製品、ウェアラブル・デバイスなど、本当にあらゆるものに組み込まれている。LoRaテクノロジーは、私たちの世界をスマート・プラネットにしているのです。

LoRaテクノロジーとLoRaWANプロトコルの主な特徴

LoRa™スペクトラム拡散技術。この技術は第二次世界大戦中に登場し始め、米軍にとって重要な無線セキュリティ通信技術となっている。しかしこれまでは、スペクトラム拡散技術はセンサー・ネットワークの低コスト・ソリューションとして応用されてきた。スペクトラム拡散技術には以下のような特徴がある。
アンチ干渉：信号の受信は、信号の干渉の同じタイプは、信号が異なる相関関係、干渉の間にスペクトル拡散符号化、スペクトル拡散符号化の場合には知られていない場合でも、関連するdespreading処理を得ることができる符号化を広げる必要があるため、スペクトル拡散通信の主な特徴の一つである、また動作しません。強力な抗干渉スペクトル拡散技術のため、湾岸戦争などで米軍は広くネットワークのさまざまな地域に分散無線通信を接続するためにスペクトル拡散技術で使用されます。
秘密の良い：信号が広帯域で拡張されているため、単位帯域幅あたりの電力は非常に小さく、その信号の電力スペクトル密度は非常に低く、信号の存在を見つけることが困難な他の人の間でホワイトノイズに沈んだ信号、さらに、私は知らない 周波数コーディング、それは有用な信号をピックアップすることは困難であり、非常に低い電力スペクトル密度、およびめったに他の通信機器の干渉を構成していません。

LoRa技術の製品は、米国、欧州連合、中国、日本の規制機関が動作するように設定された制限内で使用することができ、15キロ（9マイル）にデータ伝送距離の郊外は、データ伝送距離の都市集約地域は、2〜5キロ（3マイル）に増加した。

LoRaは、低消費電力のもう一つの特徴は、将来のためにバッテリ寿命を延ばすことができるモノのインターネットデバイスのための最も明白な利点は、センサーの街全体に広がっている可能性があり、間違いなく大きな福音であり、メンテナンスコストを削減することが期待されている。現在、市場で展開されている検針、安全、または産業オートメーションシステムの大半は、郊外でのデータ伝送が1～2km（1.25マイル未満）以内である。LoRa ™技術の使用により、これらのアプリケーションでは中継器が不要となり、システム設計が大幅に簡素化され、全体的な展開コストが削減されます。モノのインターネット／マシン・ツー・マシン市場の急速な発展は、2020年までに合計500億ノードに達するという業界アナリストの予測によれば、LoRa ™技術を使用したSX127xの開発に大きな機会を提供している。モノのインターネット／マシン・ツー・マシン市場では、より長い伝送距離、バッテリーの低消費電力動作、低コストの一括配備を実現するための物理層の改善が急務となっている。LoRa ™は、これらのニーズを満たす理想的なソリューションであるだけでなく、この急成長市場において2G / 3G GSMに代わる優れた選択肢でもあります。

LoRaアーキテクチャ

LoRaWANは通信プロトコルとシステム・アーキテクチャを定義し、LoRaは物理層を定義する。

以下にLoRaWANノードの典型的なシステム・アーキテクチャを示す。

Loraネットワーク・アーキテクチャ

最近のIoT LAN技術の多くはメッシュネットワークアーキテクチャを採用しています。メッシュ・ネットワークを使用することで、システムはネットワークの通信範囲とセル・サイズを拡大することができます。しかし、メッシュ・ネットワークのノードは、通常、自分とは無関係な他のノードにメッセージを転送するという追加の責任を負います。これはデバイスのバッテリー寿命に大きく影響します。

LoRaWANはスター型トポロジーを採用しており、長距離接続を使用する場合にバッテリーの寿命を延ばすことができます。

LoRaネットワークはいくつかの要素で構成されています。

LoRaノード／エンドポイント: LoRaエンドポイントは、センシングと制御が行われるセンサーやアプリケーションです。これらのノードは遠隔地に設置されることが多い。例：センサー、トラッキング・デバイスなど。

LoRaゲートウェイ: モバイルデバイスがサービスを提供する基地局に関連付けられるセルラー通信とは異なり、LoRaWANではノードは特定のゲートウェイに関連付けられる。その代わり、ノードが送信するデータはすべてのゲートウェイに送信され、信号を受信した各ゲートウェイはクラウドベースのネットワークサーバーに送信します。

通常、ゲートウェイとネットワークサーバーは、何らかのバックホール（セルラー、Wi-Fi、イーサネット、衛星）を介して接続されている。

ネットワーク・サーバー: ネットワーク・サーバーはすべてのインテリジェンスを持っている。異なるゲートウェイからの重複パケットをフィルタリングし、セキュリティチェックを行い、ゲートウェイにACKを送信する。最終的に、パケットがアプリケーション・サーバー向けであれば、ネットワーク・サーバーはそのパケットを特定のアプリケーション・サーバーに送信します。

すべてのゲートウェイが同じパケットをネットワーク・サーバーに送信できるこのタイプのネットワークを使用すると、ハンドオフやハンドオーバーの必要性がなくなります。これは、資産がある場所から別の場所に移動する資産追跡アプリケーションに便利です。

LoRaデバイス・クラス

エンドデバイスがデバイスクラスによって異なる能力を持つことができる他のネットワークと同様に、LoRaWANネットワークのエンドノードも異なるデバイスクラスを持つことができます。

各デバイスクラスは、ネットワークのダウンリンク通信レイテンシとバッテリー寿命のトレードオフです。

Class A バッテリー駆動のセンサーに最適

  • 最もエネルギー効率が高く、数年のバッテリー寿命を持つことができる。
  • LoRaWANネットワークのすべてのデバイスがこのデバイスクラスをサポートします。
  • ダウンリンクはセンサーが何かを送信した後にのみ利用可能
Class B スケジュール受信スロットを持つエンドデバイス

  • スケジュール時刻に追加の受信スロットをオープンします。
  • ゲートウェイからの時刻同期ビーコンを受信します。
Class C 最大受信スロットを持つエンドデバイス

  • 継続的に受信ウィンドウをオープン
  • デバイスが送信しているときのみRXを閉じる

LoRaWAN周波数バンド

LoRaWANはサブギガヘルツ周波数帯で動作し、その仕様は規制要件のため地域によって異なります。

このチュートリアルを書いている時点では、ヨーロッパと北米のLoRaWAN仕様は定義されています。中国、韓国、日本、インドのような他の地域では、今のところ最終的な仕様が決まっていません。

LoRaWAN ヨーロッパ周波数バンド

許容される最大電力は+14dBMである。

北米向けLoRaWAN

LoRaWANは、902.3から914.9MHz刻みで64の125kHzチャンネルを定義している。

さらに、903 MHzから914 MHzまで、1.6 MHz刻みで8つの500 KHzアップリンク・チャンネルがある。ダウンリンクの8チャンネルは、923.3 MHzから927.5 MHzまでの500 kHz幅である。

北米での最大出力は+30dBM。

LoRaセキュリティ

一つはネットワーク
一つはアプリケーション
ネットワーク・セキュリティは、ネットワーク内のノードの信頼性を保証し、アプリケーション・セキュリティは、オペレーターがエンド・ユーザーのアプリケーション・データにアクセスできないようにします。

LoRaはAES（Advanced Encryption Standard）セキュリティ・キーを使用しています。

LoRaネットワークに要求されるセキュリティ・レベルを達成するために、複数の暗号化レイヤーが採用されています：

ユニーク・ネットワーク・キー（EUI64）とネットワーク・レベルのセキュリティ確保

一意のアプリケーション・キー（EUI64）は、アプリケーション・レベルでのエンド・ツー・エンドのセキュリティを確保する。

デバイス固有キー（EUI128）