ما هي عناصر شبكة اتصالات LoRaWAN

تعتمد شبكة الـ”LoRa” شبكة اتصالات سلكية ولاسلكية تسمى الـ”LoRaWAN”، والتي توفر نقل المعلومات من العقدة الطرفية عبر بوابة “LoRaWAN” إلى الكيانات المطلوبة، كما تحدد الـ”LoRaWAN” الطريقة التي يتم بها إرسال المعلومات حول الشبكة وتفاصيل الاستجابة لبوابات وخادم “LoRaWAN”، وبعد ذلك يتم إرسال شبكة الـ”LoRa”.

ما هو LoRaWAN؟

نظام “LoRaWAN”: هو بروتوكول للتحكم في الوصول إلى الوسائط “Mac” لشبكات المنطقة الواسعة “WAN“، حيث إنّه مصمم للسماح للأجهزة منخفضة الطاقة بالاتصال بالتطبيقات المرتبط بالإنترنت عبر اتصالات لاسلكية طويلة المدى.

يمكن تعيين “LoRaWAN” للطبقة الثانية والثالثة من نموذج “OSI”، حيث يتم تنفيذه فوق تعديل “LoRa” أو “FSK” في نطاقات الراديو “ISM”، حيث يتم تحديد بروتوكولات “LoRaWAN” بواسطة تحالف “LoRa”، بنفس الطريقة التي تحتوي بها الشبكة الخلوية على شبكة سلكية أو شبكة أساسية.

• “Mac” هي اختصار “Media Access Control”.

• “OSI” هي اختصار “Open Systems Interconnection”.

• “LoRaWAN” هي اختصار “Long Range Wide Area Network”.

• “ISM” هي اختصار “Industrial, Scientific and Medical”.

• “FSK” هي اختصار “Frequency Shift Keying”.

عناصر هندسة شبكة LoRa:

1. نقاط النهاية:

نقاط النهاية: هي عناصر شبكة “LoRa”، حيث يتم فيها الاستشعار أو السيطرة وعادةً ما تكون موجودة عن بعد.

2. بوابة LoRa:

تستقبل البوابة الاتصالات من نقاط نهاية “LoRa”، وبعد ذلك ترسلها إلى نظام التوصيل، حيث يمكن أن يكون هذا الجزء من شبكة “LoRa” عبارة عن “Ethernet” أو خلوي أو أي ارتباط اتصالات سلكي أو لاسلكي، كما تتصل البوابات بخادم الشبكة باستخدام اتصالات “IP” القياسية، وبهذه الطريقة تستخدم البيانات بروتوكولًا قياسياً، ولكن يمكن توصيلها بأي شبكة اتصالات، سواء كانت عامة أو خاصة، وأمّا بالنسبة إلى التشابه بين شبكة “LoRa” وشبكة خلوية، فغالباً ما تكون بوابات “LoRaWAN” مشتركة في الموقع مع محطة قاعدة خلوية، وبهذه الطريقة يمكنهم استخدام السعة الاحتياطية على شبكة التوصيل.

3. خادم شبكة LoRa:

يقوم خادم شبكة “LoRa” على إدارة الشبكة وكجزء من وظيفته يعمل على التخلص من الحزم المكررة وإقرار الجداول الزمنية وتكييف معدلات البيانات، وإعتماداً على الطريقة التي يمكن بها نشرها وتوصيلها تجعل من السهل جداً نشر شبكة “LoRa”.

4. الكمبيوتر البعيد:

يمتلك الكمبيوتر البعيد القدرة على التحكم في إجراءات نقاط النهاية أو جمع البيانات منها أي من شبكة “LoRa” شبه شفافة، كما تكون العقد في شبكة “LoRa” عادةً في طوبولوجيا النجوم مع بوابات تشكل جسراً شفافاً، ورسائل الترحيل هذه بين الأجهزة المحيطية وخادم الشبكة المركزية في الخلفية، وعادةً ما يكون الاتصال بعد نقطة النهاية ثنائي الاتجاه، ولكن من الممكن أيضاً دعم عملية البث المتعدد، وهذا مفيد لميزات مثل ترقيات البرامج أو رسائل التوزيع الجماعي الأخرى.

فئات LoRaWAN endpoint:

كل فئة من فئات الأجهزة هي مقايضة بين زمن انتقال اتصال الوصلة الهابطة للشبكة مقابل عمر البطارية.

1. الفئة “A” التي هي الأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه:

تتيح أجهزة نقطة النهاية من فئة “LoRaWAN A” اتصالات ثنائية الاتجاه، ولتحقيق ذلك يتبع كل إرسال لنقطة النهاية نافذتان قصيرتان لاستقبال الوصلة الهابطة، حيث تستخدم فترة الإرسال المخصصة بواسطة نقطة نهاية معينة على احتياجات نقطة النهاية، وأيضاً هناك اختلاف بسيط يتم تحديده باستخدام أساس زمني عشوائي، حيث تتيح عملية “LoRa Class A” أقل خيار طاقة لنقاط النهاية التي لا تتطلب سوى اتصال للوصلة الهابطة من الخادم ، وذلك بعد فترة قصيرة من قيام الجهاز النهائي بإرسال الوصلة الصاعدة، حيث أنّ اتصالات الارتباط الهابطة من الخادم في أي وقت آخر تنتظر حتى وقت الارتباط الصاعد المحدد التالي.

2. الفئة “B” لأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه ذات فتحات الاستقبال المجدولة:

تتيح أجهزة “LoRa Class B” وظائف الفئة “A”، وبالإضافة إلى ذلك فإنّها تفتح نوافذ استقبال إضافية في الأوقات المحددة ولتحقيق المزامنة المطلوبة من الشبكة تستقبل نقطة النهاية إشارة تنبيه متزامنة للوقت من البوابة، حيث يتيح ذلك للخادم معرفة متى يستمع الجهاز النهائي.

3. الفئة “C” الأجهزة الطرفية ثنائية الاتجاه ذات فتحات الاستقبال القصوى:

توفر أجهزة “LoRa Class C” نوافذ استقبال متاحة بشكل شبه مستمر، حيث يتم إغلاقها فقط عند إرسال نقطة النهاية، كما يعتبر هذا النوع من نقاط النهاية مناسباً عند الحاجة إلى تلقي كميات كبيرة من المعلومات بدلاً من إرسالها.

الإرسال في شبكة LoRa:

عندما يتم إرسال الرسائل عبر شبكة “LoRaWAN” بواسطة أجهزة المحيطية، يتم استلامها من قبل جميع محطات “LoRa” الأساسية الموجودة في النطاق، حيث تعمل هذه القدرة على تحسين مرونة الشبكة وتحسين عدد المعلومات التي يتم تلقيها بنجاح، كما أنّه يحسن الأداء وعند التخطيط لشبكة يجب إجراء مفاضلة بين الأداء والتكلفة، حيث تتم تصفية تناسقات الاستقبال المتكررة أو المتعددة في الشبكة بواسطة خادم “LoRa” ممّا يوفر فحص أمان الرسائل.

وبعد ذلك يرسل خادم “LoRa” أيضاً إقرارات إلى الجهاز النهائي بالإضافة إلى إرسال الرسالة إلى خادم التطبيق المقابل، بالإضافة إلى ذلك، إنّ خادم “LoRa” قادر على توفير البيانات الموقع حول الأجهزة المحيطية، حيث تستعمل تقنية تسمى فرق وقت الوصول “TDOA” ويمكن تحقيق ذلك بسبب وجود تزامن زمني دقيق للغاية بين محطات القاعدة المختلفة، كما تساعد قدرة شبكة “LoRa” على استيعاب الاستقبال المتعدد للرسائل نفسها من قبل محطات قاعدة مختلفة في التسليم بين المحطات القاعدة إذا كانت العقدة متحركة.

• “TDOA” هي اختصار “Time difference of arrival”.

الأمان في شبكة LoRa:

أصبح أمان الشبكة قضية ذات أهمية متزايدة، حيث تتطلب شبكات الـ”LoRa” مستويات عالية من الأمان لمنع تعطيل أي أنظمة، ولتحقيق مستويات الأمان المطلوبة لشبكات الـ”LoRa” يتم استخدام عدة طبقات من التشفير:

• مفتاح شبكة فريد “EUI64” ويضمن الأمان على مستوى الشبكة، حيث يضمن مفتاح التطبيق الفريد “EUI64” الأمان التام على مستوى التطبيق.

• مفتاح خاص بالجهاز “EUI128”.

كيفية المصادقة في خادم شبكة LoRaWAN:

يضمن استخدام طبقات التشفير هذه أن تبقى شبكة “LoRa” آمنة بشكل كافٍ، كما توفر شبكة “LoRaWAN” الاتصال المطلوب، ممّا يمكّن نقاط نهاية “LoRa” من تمرير البيانات عبر الواجهة اللاسلكية إلى البوابة، وبعد ذلك إلى الوجهة المطلوبة، كما يدعم خادم شبكة “LoRaWAN” طريقتين للمصادقة والتفعيل هما:

• التنشيط المخصص لـ “ABP”، حيث لا يلزم إجراء اتصال، وتتم كتابة مفاتيح التشفير وعنوان “DevAddr” على الجهاز مسبقاً أي تخصيص الجهاز، كما يتم تكوين الأجهزة باستخدام مفاتيح جلسة التطبيق والشبكة، بالإضافة إلى عنوان شبكة “32 بت” المخصص مسبقا ًللجهاز، مثل تخصيص عنوان “IP” الثابت.

• تنشيط “OTAA” عبر الأثير، حيث تحتاج إلى متابعة إجراء الانضمام والذي يتم خلاله إنشاء مفاتيح تشفير الجلسة وعنوان “DevAddr”، كما يتطلب “OTAA” من الأجهزة إرسال طلب اتصال إلى خادم الشبكة، وعند المصادقة يخصص خادم الشبكة عنواناً للجهاز ورمزًا مميزاً لاسترداد مفاتيح الجلسة.

• يتم إنتاج مفاتيح جلسة الشبكة والتطبيق أثناء إجراء الاتصال من مفتاح التطبيق المشترك الذي تم إعداده مسبقاً على الجهاز، كما يتم توفير تنشيط “OTAA” بمستوى عالٍ من الأمان، كما تكون العنونة مشابهة لتخصيص عنوان “IP” عبر “DHCP”.

• “ABP” هي اختصار “Activation By Personalization”.

• “IP” هي اختصار “Internet Protocol”.

• “OTAA” هي اختصار “Office of Technology Assessment”.

• “DHCP” هي اختصار “Dynamic Host Configuration Protocol”.