LoRaWANのユースケースと考慮事項

重要な注意： Link Labsは、信頼性の高い産業および企業のユースケースに焦点を当てたLoRaの代替プロトコルであるSymphonyLinkのメーカーです。詳細は以下をご覧ください。

LoRaWANとその理想的な使用例、および制限を理解するためには、少し歴史を理解することが重要です。 LoRaWAN（当時はLoRaMACと呼ばれていました）は、IBM Research（その後プロジェクトを去った）と共同でSemtech（LoRa PHY IPの唯一の所有者）によって開発されました。プロトコルが設計されたときの仮定は次のとおりです。

• モバイルオペレーターネットワークで使用する
• 単一の調整されたネットワーク内
• 868MHz周波数の無認可帯域

結果として得られるプロトコルには次のものがあるため、これらは重要な前提条件です。

• 1％のデューティサイクル制限（すべての送信機とゲートウェイの両方）
• 共通周波数チャネルマップ
• クラウドでのみMAC（レイヤー2）処理

特に、ゲートウェイの1％のデューティサイクル制限をサポートするには、多くのトレードオフが必要です。

• ほぼすべてのアップリンクメッセージが未確認です
• 範囲内のすべてのゲートウェイがすべてのアップリンクトラフィックを確認します
• すべての暗号化は静的キーを使用して処理されます

すべてのアップリンクメッセージは確認応答されておらず、調整されていないため、LoRaWANは「純粋なアロハ」スキームと見なされます。このようなネットワークの効率は約18％です。これは、LoRaWANネットワークが完全に使用されると、パケットの82％が失われることを意味します。ほとんどのメッセージは確認応答されていないため、エンドノードはメッセージが失われたことを認識しません。これを防ぐために、一部のユーザーはより頻繁に送信し、問題を悪化させる可能性があります。 AlohaNetworksに関するこのわかりやすい投稿を読んでください。

このシステムに確認応答が追加されると、効率はさらに低下します。これは、基地局が送信しているときはいつでも聞くことができないためです。エンドノードは、ゲートウェイがそれらを聞くことができないことを知りません。ゲートウェイは1％の時間しか送信できないため、これにより約1.65％の追加のパケット損失が発生します。

さらに、他の誰かがLoRaWANネットワークを使用している場合、そのトラフィックはすべてあなたの容量にもカウントされます。これは、すべてのゲートウェイが同じ共通の周波数に調整されているためです。

LoRaWANのもう1つの重要な考慮事項は、近距離/遠距離の問題です。 LoRaの同一チャネルダイナミックレンジは20〜30 dBしかないため、ゲートウェイに近いノードは、遠くにあるノードを溺れさせます。理想的には複数のゲートウェイが範囲内にあるため、これは大規模なMNOネットワークではそれほど問題にはなりません。

The Things Networkの友人たちは、LoRaWANの制限についてもこの記事をまとめました。

とはいえ、LoRaWANの理想的なユースケースは次のとおりです。

• 送信頻度が低いシンプルなセンサー
• データの5〜85％が欠落していても問題ありません
• このデバイスを制御する能力はほとんどありません
• デバイスのファームウェアを無線で更新する機能はありません
• 数十から数百に展開
• すべてのノードをカバーするために複数のゲートウェイをデプロイできます

いくつかの自動検針は、LoRaWANの優れた使用例の良い例です。たとえば1時間に1回など、測定値を更新するメーターの場合、一部の測定値が通過する限り、一部の測定値が欠落していても問題ありません。

Symphony Linkは、これらの問題の多くを解決します。簡単に説明すると、次のようになります。

1. フレーミング： ゲートウェイは2秒ごとにフレームヘッダーを送信します。このヘッダーには、使用可能なアップリンクチャネルと、アップリンクウィンドウがいつ開くかに関する情報が含まれています。

2. 圧縮された確認： Symphony Linkでは、デフォルトで、すべてのアップリンクメッセージが確認されます。これを実現するために、すべての確認応答が1つの圧縮メッセージに混合され、すべてのノード（送信されたばかり）が受信します。

3. 可変アップリンク/ダウンリンクタイムスロット： ゲートウェイは、キューに入れられたダウンリンクトラフィックに基づいて、送信する必要がある時間を決定します。ダウンリンクウィンドウが完了するとノードに通知するため、ゲートウェイがリッスンしていないときにノードが送信することはありません

4. アップリンクタイムスロット： 同期フレーミングのため、アップリンクウィンドウはスロット化され、容量が約100％増加します。これは、各送信の前に可変CSMAウィンドウを追加することでさらに増加し​​ます。

5. 可変パワーと拡散係数： エンドノードは、ゲートウェイのフレーミングメッセージのRSSIを受信し、リンクと設定可能なマージン係数に一致するように、その電力と拡散係数を動的に調整します。これにより、容量が最大化され、高速フェージングが軽減され、上記の近距離/遠距離の問題が防止されます。

6. サービス品質： ノードはゲートウェイにQOS係数（0〜15）を登録します。これにより、各フレームのチャネルにアクセスする能力が制限されます。また、ゲートウェイが輻輳時にアップリンクを制限する方法も提供します。

7. マルチキャスト： ノードのグループをマルチキャストグループに割り当てることにより、制御とファイルストリーミングに必要なダウンリンクの量が制限されます。

8. 256バイトのMTUを修正： ほとんどのアプリケーションでは、12バイトは小さすぎます。 Symphony Linkは固定の256バイトMTUを提供し、すべてのサブパケット化（SFによる）とMAC層での再試行を処理します。

9. 無線のファームウェア： Symphony Linkの強力なマルチキャスト機能により、ファームウェアファイルをノードにスチームアウトできます。

10. PKIベースのセッションAESキー： Symphony Linkは、固定鍵暗号化を使用していません。すべてのノードは、サーバーから提供されたノード公開鍵を使用して、Diffie-Helmannを使用して安全なAESセッションを確立しました。これは、業界全体で最も安全なチャネル暗号化スキームとして知られています。

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