واجهة الراديو في نظام الاتصالات LoRa

تُحدد واجهة “LoRa RF” الراديو أو الطبقة المادية كل من الإشارات التي يتم إرسالها بواسطة وحدات وأجهزة “LoRa”، حيث تحدد الواجهة الراديوية “LoRa” الخصائص، بما في ذلك شكل موجة التشكيل ومستويات الطاقة المتاحة، والنطاقات التي يمكن استخدامها مع بروتوكولات “RS” وجميع المعلومات الأخرى حول إشارة واجهة “التردد اللاسلكي”.

ما هو نظام LoRa؟

نظام “LoRa”: هي تقنية لاسلكية طويلة المدى وغير خلوية منخفضة الطاقة، حيث تم تطوير تقنية تعديل الترددات الراديوية الأساسية بواسطة شركة “Cycleo” الفرنسية في عام 2012م، وقد تم دمج التكنولوجيا في منصات “RF” المستقبلية لشركة “Semtech” في محاولة لتوسيع تطبيقات “RF” للأتمتة الصناعية والمنزلية، والتي تحتاج إلى نطاق موسع في انخفاض التكلفة وانخفاض الطاقة.

• “LoRa” هي اختصار لـ “Long Range”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

نطاقات التردد LoRa:

يستفيد نظام “LoRa” اللاسلكي من الترددات غير المسموح بها في كافة أنحاء العالم، حيث أنّ الترددات أو النطاقات الأكثر إستعمالاً هي:

• أوروبا: 868 ميجا هرتز.

• أمريكا الشمالية: 915 ميجا هرتز.

• آسيا: 433 ميجا هرتز.

يتيح إستعمال ترددات أقل من تلك الموجودة في نطاقات “ISM” حوالي “2.4” أو “5.8 جيجاهرتز” تغطية أفضل بكثير يمكن تحقيقها من خلال الوحدات والأجهزة اللاسلكية “LoRa”، خاصةً عندما تكون العقد داخل المباني، وعلى الرغم من أنّ نطاقات “ISM” الفرعية “1 جيجاهرتز” تُستخدم عادةً، إلّا أنّ هذه التقنية في الأساس غير محددة التردد ويمكن استخدامها على معظم الترددات دون تعديل أساسي.

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

تعديل LoRa:

تستخدم الطبقة المادية “LoRa RF” نوعاً من أنواع تعديل الطيف المنتشر، حيث يستخدم مخطط تشكيل “LoRa” نبضات ذات تردد خطي واسع النطاق، حيث يتم استخدام مستوى زيادة أو نقصان التردد بمرور الوقت لتشفير البيانات المراد إرسالها أي شكل من أشكال تعديل الزقزقة “chirp spread spectrum”، كما يمكّن هذا الشكل من التشكيل أنظمة “LoRa” اللاسلكية من إزالة تشكيل الإشارات التي تقل عن ضوضاء الأرضية بمقدار “20 ديسيبل”، عندما يتم دمج إزالة التشكيل مع تصحيح الخطأ الأمامي “FEC”، ممّا يعني أن ميزانية الارتباط لنظام “LoRa” يمكن أن توفر تحسيناً بأكثر من “25 ديسيبل” بالمقارنة مع نظام “FSK” التقليدي.

نتيجة لحقيقة أنّ الإرسال منتشر بطريقة شبه عشوائية، يبدو وكأنّه ضوضاء وقد يصعب على مستخدمي “Lora” اكتشافه، ممّا يُمكن أن يساعد في أمن النظام، وميزة أخرى للنظام هي أنّ تعديل الزقزقة “chirp” والنظام بشكل عام متسامح “tolerant” مع إزاحة التردد، ونتيجةً لذلك من الممكن استخدام مذبذب بلوري أساسي بتفاوت “20-30” جزء في المليون بدلاً من مذبذب معادل لدرجة الحرارة “TCXO” كما يمكن أن يوفر هذا بعض التكلفة داخل الدوائر الإلكترونية للعقدة.

• “FEC” هي اختصار لـ “Forward Error Correction”.

• “FSK” هي اختصار لـ “Frequency-shift keying”.

• “TCXO” هي اختصار لـ “Temperature Compensated Oscillator”.

اتصالات بيانات LoRa:

يستخدم الاتصال بين الأجهزة الطرفية والبوابات المختلفة عدة قنوات تردد مختلفة ويستخدم معدلات معلومات مختلفة، حيث يُعد اختيار معدل المعلومات هو التوازن بين نطاق الاتصال ومدة الرسالة أي معدل إرسال المعلومات المطلوبة، كما قد تحتوي إشارات المدى الأطول على مستويات أقل في جهاز الاستقبال وهذا يعني أنّ معدلات البيانات قد تنخفض لاستيعاب المستويات المنخفضة المستقبلة، حيث يتيح استخدام تقنية الطيف المنتشر إمكانية الاتصالات بمعدلات بيانات متنوعة لا تتداخل مع بعضها البعض، وبهذه الطريقة يتم إنشاء مجموعة من القنوات “الافتراضية” التي تزيد من سعة البوابة.

الارتباط التكيفي LoRa:

إنّ عملية استخدام معدلات بيانات منخفضة فقط والمستويات المنخفضة لنقل البيانات بشكل عام، تعني أنّ عرض النطاق الترددي المنخفض مطلوب، حيث تتوفر مجموعة متنوعة من النطاقات الترددية، وأهمها: “7.8 كيلو هرتز” و”10.4 كيلوهرتز” و”15.6 كيلو هرتز” و”20.8 كيلوهرتز” و”31.2 كيلوهرتز” و”41.7 كيلوهرتز” و”62.5 كيلوهرتز” و”125 كيلو هرتز” و”250 كيلو هرتز” و”500 كيلو هرتز”، على الرغم من أنّ الترددات الثلاثة الأولى تميل إلى أن تكون الأكثر استخداماً.

بالإضافة إلى مجموعة مختلفة من عروض النطاق المتوافرة، حيث تستخدم “LoRa” ستة عوامل للتمديد، وتم تعيينها من “SF7” حتى “SF12” لتكييف معدل البيانات ومقايضة النطاق، حيث يسمح عامل الانتشار الأعلى بمدى أطول على حساب معدل البيانات المنخفض.

يمكن أيضاً اختيار الجمع بين عرض النطاق وعامل التمديد، وذلك وفقاً لظروف الوصلة ومستوى البيانات المراد إرسالها، حيث يعمل عامل الانتشار الأعلى على تحسين أداء الإرسال مستوى نطاق معين، ولكنه يتضاعف أيضاً من وقت الإرسال، حيث توفر عوامل الانتشار الأطول أعلى حساسية في أوقات إلإسال الأطول، وبالتالي معدلات بيانات أقل، كما يمكن أن تختلف من “18 بت في الثانية” إلى “40 كيلو بت في الثانية”، ومن الممكن أيضًا تحسين مناعة الضوضاء بإستعمال تصحيح الخطأ الأمامي ولكن هذا يقلل من سرعة نقل المعلومات الفعلية ؛ لأن تصحيح الخطأ نفسه يضيف معلومات تصحيح إضافية للسماح للمستلم باستعادة الرسالة الفعلية في حالة وجود أخطاء.

تُعد مستويات الطاقة المستخدم داخل الطبقة المادية “LoRa” اللاسلكية “RF” متكيف، حيث يعتمد مستوى الطاقة المستخدمة على معدل المعلومات المطلوب وظروف الارتباط، كما يتم استخدام خوارزمية لتحديد مستوى الطاقة المطلوب حيث يتم عادةً إيقاف الطاقة المرسلة قليلاً من الحد الأعلى المطلوب لدعم الاتصالات السريعة، وبهذه الطريقة يتم استخدام البطارية يتم تعظيم العمر الافتراضي والحفاظ على سعة الشبكة.

توفر الطبقة المادية أو واجهة الراديو لنظام “LoRa” اللاسلكي تنسيقاً ممتازاً للاتصالات منخفضة الطاقة ومنخفضة الإشارة، وهذا يجعلها مثالية لمعدل البيانات المنخفض والطاقة المنخفضة والاتصالات بعيدة المدى، حيث تمكّن واجهة التردد اللاسلكي من تحديد موقع عقد “LoRa” في العديد من المواقع الفقيرة مع الحفاظ على الاتصال.

تتميز الأجهزة المختلفة بخصائص واجهة “RF” مختلفة، ممّا يجعل من الصعب تعديل الهويات أو استنساخها، لذلك يمكن تحديد واجهة “RF” الخاصة بالوصول والتحقق منها لتحسين أمان المصادقة كمساهمات رئيسية لهذا الشكل من الآمان، يمكن للطريقة القائمة على الطبقة المادية أن تحل مشكلات الأمان لمحطة “LoRa”.

المشكلات التي تواجه نظام LoRa:

• عرضة للهجمات، فعلى الرغم من أنّه من المستحيل منع هجمات منع الخدمة “DoS”، إلّا أنّه من الممكن التعرف بشكل فعال على وجود أجهزة غير قانونية لمزيد من الحماية.

• المصادقة باستخدام مفتاح التخزين المسبق، حيث يمكن أن تحل مصادقة هوية الطبقة المادية محل مصادقة المفتاح الأصلي أو تتعاون معها، كما لا يمكن للمهاجم نسخ هوية الطبقة المادية واستنساخها لذلك تم تحسين أمان المصادقة.

• بروتوكول المصادقة غير المصرح به، حيث يمكن استخلاص هوية الطبقة “MAC” من الإشارة المادية لكل حزمة، كما يمكن تحديد الخصائص الفيزيائية بشكل صحيح، ويمكن منع حقن البيانات للجهاز غير المصرح به بشكل فعال.

• ضعف إدارة المفاتيح، حيث لا يمكن أن تمنع آلية المصادقة التنصت على المعلومات، ولكن يمكن تحسين أمان آلية التحديث الرئيسية بعد التعاون مع هويات الطبقة المادية.

ملاحظة:“SF” هي اختصار لـ ” Science Fiction”و “DoS” هي اختصار لـ “Disk Operating System”.