Содержание

Технология LoRa. Первые эксперименты.: vladikoms — LiveJournal

Постоянные читатели моего журнала наверное знают что я испытываю определенную слабость к различным технологиям радиосвязи, для этого достаточно ознакомиться с записями по тегу "радио". Сегодня расскажу о новой многообещающей технологии передачи данных по радиоканалу.



Что же такое LoRa?

Это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech, и реализованная в их чипах SX1272, SX1276, SX1278. Более подробно можно почитать здесь. Кому лень читать - перечислю основные ключевые особенности LoRa:

1. Очень высокая чувствительность приемника (до -148 дБм)
2. Применение технологии расширения спектра в сочетании с упреждающей системой коррекции ошибок, восстанавливающей искаженные биты данных, позволяет повысить отношение сигнал/шум и обеспечить работу в условиях импульсных помех. Демодулятор LoRa может работать при входном сигнале, ниже уровня собственных шумов, вплоть до -20 дБ.
3. Высокая селективность приемника
4. Низкое энергопотребление

Данные особенности позволяют организовать каналы связи на относительно большие, измеряемые километрами, расстояния, при использовании весьма небольшой разрешенной мощности передатчика (10...100 мВт).

Для экспериментов я заказал вот такие радиомодули RA-01(02)

Внутри модуля находится трансивер SX1278 и некая схема обвязки, которую производитель не предоставляет в открытый доступ. По всей видимости, это изделие является клоном более распространенного модуля Hope RF RFM96W.

Соответственно, сделал под них небольшие платы и проверил работоспособность

Так выглядит общение модулей друг с другом при стандартных настройках - в эфир идут короткие импульсы.

Рабочая частота: 433.9 МГц
Полоса: 125 кГц
SF: 128

Максимальная измеренная мощность передатчика (она задаётся программно) составила 63 мВт (18dBm). После того как проверил работоспособность, решил еще немного постараться и сделал примитивные корпуса для переноски и испытаний изделий на местности.

Таким образом удалось проверить связь в условиях относительно прямой видимости на дальности 1.5 км - приемник находился на подоконнике квартиры, передатчик в другом здании возле окна. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -102 dBm
При переносе передатчика вглубь здания изредка принимались отдельные пакеты данных.

Аппаратно - программная часть

Понятно, чтобы организовать связь с различными устройствами нужно иметь какой-нибудь высокоуровневый протокол связи. Вариантов пока не так много, я нагуглил всего два решения - LoRaWAN и MySensors:

LoRaWAN - это открытый протокол для высокоемких (до 1 000 000 устройств в одной сети) сетей с большим радиусом действия и низким энергопотреблением, который LoRa Alliance стандартизировал для малопотребляющих глобальных сетей (Low Power Wide Area Networks, LPWAN). LoRaWAN сеть организована как сеть типа звезда и включает различные классы (А, B и C) узлов для оптимизации компромисса между скоростью доставки информации и сроком работы при батарейном питании. Протокол обеспечивает двустороннюю связь с шифрованием для всех классов устройств. Архитектура протокола разрабатывалась в том числе и для того, чтобы легко найти мобильные объекты для отслеживания передвижений – наиболее быстрорастущим направлением приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT). LoRaWAN разрабатывается с возможностью применения в общенациональных сетях крупных операторов связи и LoRa Alliance стандартизирует LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия с глобальными операторами связи.

Как понимаете, это довольно "навороченный" и "тяжелый" протокол, рассчитанный на применение крупными операторами связи. Тем не менее, в цивилизованном мире имеется сеть The Things Network, это открытое сообщество, пользователи которого могут создавать, регистрировать устройства и концентраторы, экспериментировать с тем как все это работает, и т.д. Энтузиасты покупают за свои, в общем-то не малые, деньги многоканальные радиоконцентраторы LoRaWAN (шлюзы), подключают конечные ("узловые") устройства и транслируют данные в сеть, таким образом все это оборудование становится частью большой глобальной сети.

MySensors - полная противоположность LoRaWAN. Это простой и "легкий" открытый протокол для домашней автоматизации и "интернета - вещей". Из хорошего - поддерживает самые распространенные радиомодули, такие как NRF24L01, RFM69 и RFM9X(LoRa). Протокол постоянно совершенствуется - на данный момент последняя стабильная версия 2.2.0. Так же как и LoRaWan, MySensors имеет топологию "звезда" с поддержкой радиоретрансляторов.

Для работы по протоколу MySensors устройствам требуется шлюз, с которым они будут взаимодействовать. Шлюз собирают на различном оборудовании, подробнее об этом здесь. По сути шлюз - это контроллер с радиомодулем, который общается с устройствами пользователя.

Я создал шлюз на базе дешевого одноплатного компьютера Orange PI Zero и радиомодуля RA-02

Код с пояснениями есть у меня на гитхабчике.

Чтобы потестировать систему, написал простой код для тестового приемопередатчика на базе arduino. Устройство формирует специальный тестовый пакет (heardbeat), шлюз откликается. Далее замеряется уровень принимаемого сигнала и выводится в терминал.

Ну и самое вкусное - тест на максимальную дальность двухсторонней связи при стандартных настройках трансиверов. Для теста подключил шлюз к серьезной стационарной коллинеарной антенне, о которой рассказывал ранее.

Мобильное устройство с ноутбуком на борту перемещалось на автомобиле. В условиях прямой видимости и определенной зашумленности LPD-диапазона, удалось получить дальность связи 7.3 км. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -93 dBm.
Думаю, это далеко не предел. Существуют еще программные возможности увеличения чувствительности, правда, в ущерб скорости передачи данных.

В связи с вышеизложенным интересует следующий вопрос - как думаете, если разработать еще один высокоуровневый протокол любительского уровня с поддержкой большого количества конечных устройств, шлюзов и радиоретрансляторов для расширения покрытия сети, было бы это кому нибудь интересно? Таким образом можно было бы создать простую и дешевую любительскую радиосеть большого радиуса действия с возможностью управления своими устройствами через сеть Интернет, а так же получения разнообразной телеметрии с них.

С горечью признаю что радиолюбительство в нашей стране вымирает как класс, в то время как в других странах все происходит с точностью до наоборот. Помимо классической аналоговой голосовой связи, идут активные эксперименты с различными, новыми и не очень, технологиями цифровой радиосвязи - APRS, DMR, D-Star... Может хотя бы нелицензируемая LoRa сможет придать новый импульс отечественному радиолюбительскому движению?

vladikoms.livejournal.com

Технология LoRa / Блог компании RealTrac Technologies / Хабр

В данном цикле статей мы хотим познакомить хабрасообщество с опытом компании RTL-Service в изучении беспроводной технологии LoRa. На наш взгляд, данная технология обладает рядом особенностей, которые делают её очень интересной для решения определенного круга задач.
Мы рассмотрим историю появления технологии, то как она позиционируется, типовую архитектуру LoRaWAN сетей. Далее перейдём к детальному рассмотрению физических особенностей её реализации. И, наконец, нашему опыту работы с двумя реализациями трансиверов от Semtech и Microchip.

История появления технологии LoRa.


В начале 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research представили новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций, разбавив затишье на рынке беспроводных технологий.

Технология LoRa появилась на свет под эгидой некоммерческой организации LoRa Alliance, основанной такими компаниями, как IBM, Semtech, Cisco и др., с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN — от англ. Low Power Wide Area Network).

Собственно, аббревиатура LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN, разработанный Semtech, и открытый протокол LoRaWAN.

Разработчики LoRa Alliance позиционируют LoRa как технологию, имеющую значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.

Диапазон применений данной технологии огромен: от домашней автоматизации и интернета вещей (Internet of Things, IoT) до промышленности и умных городов.

Архитектура LoRaWAN сетей.


Рассмотрим архитектуру LoRaWAN сетей. Типичная сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов: конечные узлы, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений.
Конечный узел (End Node) предназначен для осуществления управляющих или измерительных функций. Он содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
Шлюз LoRa (Gateway/Concentrator) — устройство, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть. В качестве такой сети могут выступать Ethernet, WiFi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно данное устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.
Сетевой сервер (Network Server) предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных.
Сервер приложений (Application Server) может удаленно контролировать работу конечных узлов и собирать необходимые данные с них.


Рис. 1 Архитектура LoRaWAN сети.

В конечном итоге, LoRaWAN сеть имеет топологию звезда из звёзд, имеет конечные узлы, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером сети. При таком подходе обычно предполагается, что шлюзами и центральным сервером владеет оператор сети, а конечными узлами – абоненты. Абоненты имеют возможность прозрачной двунаправленной и защищенной передачи данных до конечных узлов.
Т.к. LoRaWAN образуют глобальную сеть, то разработчики уделили особое внимание безопасности и конфиденциальности передаваемых данных, которые обеспечиваются шифрованием AES на нескольких уровнях:

• На сетевом уровне с использованием уникального ключа сети (Unique Network key, EUI64).
• Сквозную безопасность на уровне приложений с помощью уникального ключа приложения (Unique Application key, EUI64).
• И специального ключа устройства (Device specific key, EUI128).

Для решения различных задач и применений в сети LoRaWAN предусмотрено три класса устройств:


Рис. 2 Классы устройств в сетях LoRaWAN.

  1. Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Устройства этого класса применяются, когда необходима минимальная потребляемая мощность при преобладании передачи данных к серверу. В качестве инициатора сеанса связи выступает конечный узел, отправляя пакет с необходимыми данными, а затем выделяет два окна, в течении которых ждёт данных от сервера. Таким образом, передача данных от сервера возможна только после выхода на связь конечного устройства.
  2. Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Основное отличие от устройств «класса А» заключается в выделении дополнительного окна приёма, которое устройство открывает по расписанию. Для составления расписания конечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Благодаря этому дополнительному окну сервер имеет возможность начать передачу данных в заранее известное время.
  3. Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Устройства этого класса имеют почти непрерывное окно приёма данных и закрывает его лишь на время передачи данных, что позволяет их применять для решения задач, требующих получения большого объёма данных.

Итого, LoRaWAN позволяет строить глобальные распределённые беспроводные сети с большим числом конечных узлов. По заявлениям Semtech, один LoRa-шлюз допускает обслуживание до пяти тысяч конечных устройств, что достигается за счёт:
  • Топологии сети.
  • Адаптивной скорости передачи данных и адаптивной выходной мощности устройств, задаваемых сетевым сервером.
  • Временным разделением доступа к среде.
  • Частотным разделением каналов.
  • Особенностью LoRa-модуляции, позволяющей в одном частотном канале одновременно демодулировать сигналы, передаваемые на разных скоростях.

Заключение.


В следующей статье мы попытаемся заглянуть под капот технологии LoRa, а именно, рассмотрим применяемый в ней тип модуляции и его основные параметры, методы кодирования данных. В общем, всё то, что делает эту технологию уникальной и конкурентоспособной.
Авторы: Фёдоров Александр, Пушкарёв Виктор.

habr.com

Технология LORA

Интернет вещей (IoT) создает новые возможности для клиентов

и не имеет себе равных в экономической ценности,

одновременно улучшая качество жизни для бесчисленных людей по всему миру.

Предоставляя продукты и услуги для подключения «вещей» к Интернету с помощью технологии IoT, технология LORAWAN обеспечивает более глубокое проникновение в наш образ жизни и работу, помогая вам:

 

Зарабатывать

  • Создавайте новые сервисные предложения, используя удаленные, новые источники данных и источники данных по требованию.
  • Открывайте новые категории продуктов, недоступные ранее из-за нехватки своевременной информации.
  • Легко улучшайте и оптимизируйте работу своих клиентов для повторных продаж.
  • Уменьшите зависимость от трудоемких решений. с помощью данных устройства.

 

Экономить деньги

  • Улучшение прогнозирующего и профилактического обслуживания за счет оптимизации посещений сайта.
  • Улучшение процесса оптимизации за счет правильного выбора нужной части.
  • Внедрение «мониторинга исключений» за счет использования интеллектуальных возможностей на границе, где находятся ваши активы.
  • Сокращение эксплуатационных расходов

 

 

В течение многих лет огромный потенциал Интернета вещей, который заключается в сборе и анализе данных пользовательских устройств с целью дальнейшего принятия решений, не был раскрыт в связи с такими техническими факторами как ограниченный срок службы аккумулятора, передача информации на короткие расстояния, высокие затраты и отсутствие необходимых стандартов. Технология, получившая название LoRaWAN (Long Range wide-area networks) позволяет преодолеть эти сложности. Используя новые спецификации и открытый протокол для энергосберегающих WAN-сетей, который задействует нелицензированный спектр беспроводного доступа, технология позволяет получать информацию с сенсоров, расположенных на большом расстоянии друг от друга, при этом предлагая оптимальный срок жизни аккумулятора и не требуя больших инфраструктурных возможностей и вложений.

Все это позволяет обеспечить мобильность, усовершенствованную безопасность, двунаправленность, локализацию и позиционирование, а также низкую стоимость вложений в создание инфраструктуры.

 

Преимущества и характеристики устройств с технологией LoRaWAN:

  • Двунаправленный обмен;
  • Топология «звезда»;
  • Низкая скорость;
  • Низкая цена;
  • Долгая работа от батарей;
  • Открытый протокол обмена.
  •  

Технология передачи данных LoRaWAN, используемая в различных датчиках, позволяет обеспечить связь с регистрирующим сервером (с помощью шлюза) на расстояние более 16 км в благоприятной среде, более 2 км - в мегаполисах, обеспечивая скорость обмена от 300 бит/c до 100 кбит/c в течение 5-10 лет без замены источника питания в зависимости от характеристик самого аккумулятора, характера местности, объема и частоты передаваемой информации.

 

Срок службы батареи

 

Узлы в сети LoRaWAN ™ являются асинхронными и обмениваются данными, когда у них есть данные, готовые для отправки, запланированные или управляемые событиями. Этот тип протокола обычно называют методом Алоха. В ячеистой сети или в синхронной сети, такой как сотовая связь, узлам часто приходится «просыпаться», чтобы синхронизироваться с сетью и проверять наличие сообщений. Эта синхронизация потребляет значительную энергию и является драйвером номер один в сокращении срока службы батареи. В недавнем исследовании и сравнении GSMA различных технологий, относящихся к пространству LPWAN, LoRaWAN™ продемонстрировал преимущество в 3-5 раз по сравнению со всеми остальными технологическими вариантами.

 

Пропускная способность сети

 

Для того, чтобы сделать жизнеспособную звездную сеть дальнего радиуса действия, шлюз должен иметь очень высокую пропускную способность или способность принимать сообщения от очень большого количества узлов. Высокая пропускная способность сети в сети LoRaWAN™ достигается за счет использования адаптивной скорости передачи данных и использования многоканального многорежимного приемопередатчика в шлюзе, что позволяет принимать сообщения одновременно по нескольким каналам. Критическими факторами, влияющими на пропускную способность, являются количество одновременных каналов, скорость передачи данных (время в эфире), длина полезной нагрузки и частота передачи узлов. Поскольку LoRa® представляет собой модуляцию с расширенным спектром, сигналы практически ортогональны друг другу, когда используются разные коэффициенты расширения. По мере того, как коэффициент расширения изменяется, эффективная скорость передачи данных также изменяется. Шлюз использует это свойство, имея возможность одновременно принимать несколько разных скоростей передачи данных на одном и том же канале. Если у узла есть хорошая связь и он находится близко к шлюзу, у него нет причин всегда использовать самую низкую скорость передачи данных и заполнять доступный спектр дольше, чем нужно. Сдвигая скорость передачи данных выше, время в эфире сокращается, открывая больше потенциального пространства для других узлов для передачи. Адаптивная скорость передачи данных также оптимизирует срок службы батареи узла. Для того чтобы адаптивная скорость передачи данных работала, требуются симметричные восходящая и нисходящая линии связи с достаточной пропускной способностью нисходящей линии связи. Эти функции позволяют сети LoRaWAN™ иметь очень высокую емкость и делают сеть масштабируемой. Сеть может быть развернута с минимальным количеством инфраструктуры, и по мере необходимости в емкость можно добавлять больше шлюзов, увеличивая скорость передачи данных, уменьшая объем перегрузки на другие шлюзы и увеличивая емкость в 6-8 раз. Другие альтернативы LPWAN не имеют масштабируемости LoRaWAN™ из-за технологических компромиссов, которые ограничивают пропускную способность нисходящей линии связи или делают диапазон нисходящей линии связи асимметричным диапазону восходящей линии связи.

 

Классы устройств - не все узлы созданы равными

 

Конечные устройства обслуживают разные приложения и имеют разные требования. Для оптимизации различных профилей конечных приложений LoRaWAN™ использует различные классы устройств. Классы устройств компенсируют задержку связи по нисходящей линии связи и время жизни батареи. В приложении управления или типа привода задержка связи нисходящей линии связи является важным фактором.

Двунаправленные конечные устройства (класс A): конечные устройства класса A позволяют осуществлять двунаправленную связь, в результате чего передача каждого конечного устройства по восходящей линии связи сопровождается двумя короткими окнами приема нисходящей линии связи. Слот передачи, запланированный конечным устройством, основан на его собственных потребностях в связи с небольшим изменением, основанным на случайной временной основе (протокол типа ALOHA). Эта операция класса A представляет собой систему конечного устройства с наименьшей мощностью.

 

 

 

 

Двунаправленные конечные устройства (класс A): конечные устройства класса A позволяют осуществлять двунаправленную связь, в результате чего передача каждого конечного устройства по восходящей линии связи сопровождается двумя короткими окнами приема нисходящей линии связи. Слот передачи, запланированный конечным устройством, основан на его собственных потребностях в связи с небольшим изменением, основанным на случайной временной основе (протокол типа ALOHA). Эта операция класса A представляет собой систему конечного устройства с наименьшей мощностью для приложений, которым требуется связь по нисходящей линии связи с сервером вскоре после того, как конечное устройство отправило передачу по восходящей линии связи. Связи по нисходящей линии связи с сервером в любое другое время должны будут ждать до следующей запланированной восходящей линии связи. Двунаправленные конечные устройства с запланированными временными интервалами приема (класс B). В дополнение к окнам случайного приема класса A, устройства класса B открывают дополнительные окна приема в запланированное время. Чтобы конечное устройство открыло свое окно приема в назначенное время, оно получает синхронизированный по времени маяк от шлюза. Это позволяет серверу знать, когда конечное устройство прослушивает. Двунаправленные конечные устройства с максимальными временными интервалами приема (класс C): конечные устройства класса C имеют почти постоянно открытые окна приема, закрытые только при передаче.

 

Безопасность

 

Для любого LPWAN чрезвычайно важно обеспечить безопасность. LoRaWAN™ использует два уровня безопасности: один для сети и один для приложения. Сетевая безопасность обеспечивает подлинность узла в сети, а прикладной уровень безопасности гарантирует, что сетевой оператор не имеет доступа к данным приложения конечного пользователя. Шифрование AES используется с обменом ключами с использованием идентификатора IEEE EUI64. В каждом выборе технологии есть свои компромиссы, но функции LoRaWAN™ в сетевой архитектуре, классах устройств, безопасности, масштабируемости для емкости и оптимизации для мобильности предназначены для широкого спектра потенциальных приложений IoT.

 

 

r-diesel.ru

«Кто же такая эта LoRa? » или краткий обзор протокола LoRaWAN.

Как-то мне стало интересно, что же это за «LoRa-технология» о которой сейчас не говорит только ленивый. Результатом изучения данного вопроса стала данная заметка с основными понятиями про эту сетевую технологию.

«В марте 2015 года исследовательский центр IBM Research и компания Semtech представили новую  технологию Энергоэффективных Сетей Дальнего Радиуса Действия — LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), которая имеет ряд преимуществ по сравнению с сотовыми сетями и Wi-Fi для обеспечения М2М-коммуникаций.

В течении многих лет огромный потенциал Интернета Вещей (IoT) сдерживался техническими проблемами, такими как малый срок службы устройств работающих от батарей, короткой дальностью связи, высокой стоимостью и отсутствием единых стандартов.

Технология, получившая название LoRaWAN (Long Range wide-area networks) позволила преодолеть все эти препятствия. На основе новой спецификации и  нового протокола для LPWAN, использующего нелицензируемый диапазон частот, технология LoRaWAN позволила подключать датчики на большие расстояния, предлагая при этом оптимальное время автономной работы датчиков и минимальные требования к инфраструктуре.

Для поддержки LPWAN технологии, компании IBM, Semtech и ряд других(ST, Cisco и т.д.), объявили о создании LoRa Alliance — новой ассоциации для поддержки, развития и стандартизации LoRaWAN…»

….а теперь отбросим немного официоза, и попробуем разобраться что же за этим стоит.

Так кто же такая  эта LoRa?

LoRa — это технология модуляции (сокращ. Long Range). Данная технология обеспечивает значительную дальность связи, по сравнению с существующими конкурентами. В LoRa модуляция основана на технологии расширения спектра SSM и вариации линейной частотной модуляции CSS с интегрированной прямой коррекцией ошибок FEC (сокращ. Forward Error Correction).

LoRa позволила демодулировать сигналы на уровне 20дБ ниже уровня шумов, в то время как большинство систем с частотной манипуляцией FSK работают только с сигналами уровня не ниже 8-10дБ уровня шумов.

Я совсем запутался — LoRa, LoRaWAN и LPWAN это одно и то же или разное? 

LoRa — это технология и метод модуляции. LoRa определяет PHY-уровень системы (физический).

LoRaWAN — это открытый протокол для сетей, в которых:

  1. Высокая емкость (до 1М устройств в одной сети. Да-да, именно до 1 000 000 устройств!)
  2. Большой радиус действия ( до 10-15км на открытой местности)
  3. Низкое энергопотребление

LPWAN — Энергоэффектиная Сеть Дальнего Радиуса Действия — беспроводная технология передачи небольших по объему данных на дальние расстояния.

И если одним предложением:

Модуляция LoRa отвечает за физический уровень, LoRaWAN является протоколом (MAC-уровень) для сетей с высокой емкостью, большим радиусом действия и низким энергопотреблением, разработанным организацией LoRa Alliance для сетей LPWAN.

Как реализуется сеть на основе LoRaWAN?

Протокол LoRaWAN обеспечивает полную двухстороннюю связь между узлами сети и обладает специальными методами шифрования, для обеспечения надежности и безопасности системы.

Типовую сеть LoRaWAN можно представить в виде оконечных устройств(точек, узлов), данные с которых передаются (в зашифрованном виде!) на шлюзы, далее на сервер сети провайдера и далее на сервер приложений провайдера, откуда всё это уже поступает к конечному пользователю. В LoRaWAN сети шлюзы также называют концентраторами, конечные устройства -точками или узлами. 

Немного подробней про узлы LoRaWAN:

Узлы сети LoRaWAN могут выполнять различные функции, такие как: измерения, управление и контроль. Обычно такие узлы располагаются удаленно друг от друга, и ко всему этом имеют питание от АКБ или батарей. При помощи протокола LoRaWAN эти узлы/точки настраиваются для связи со шлюзом/концентратором LoRa.

Данные от узлов передаются в обе стороны — от узла у серверу и обратно. Узлы работают в режиме передачи лишь краткие промежутки времени, далее открывается временное окно на прием данных. Остальное время узлы находятся либо в спящем состоянии, либо с состоянии приема, которое зависит от класса устройства:

  • Класс A.  Узел (end-node) передает данные на шлюз короткими посылками по заданному графику. Инициатором обмена выступает сам конечный узел (end-node). Точка (end-node), как правило, не требует получения подтверждения своего сообщения приложением (сообщение без квитирования), однако протокол предусматривает и сообщения, на которые сервер приложений формирует специальный ответ, “квитанцию”, а сетевой сервер выбирает лучший маршрут (шлюз) для отправки подтверждения (ACK от англ. acknowledgment — подтверждение) в момент открытия узлом окна приема (сообщение с квитированием). Узел (end-node) переходит в режим приема (открывает окно приема) сразу после отправки данных на некоторое непродолжительное время, в остальное, более продолжительное время, находится в режиме энергосбережения или сна (sleep). Сервер накапливает для точек (end-node) сообщения и пересылает их сразу, как точка (end-node) выходит на связь. Этот класс конечных (end-node) узлов наиболее экономичен в потреблении энергии и наиболее распространен на практике.
  • Класс B.  Узел (end-node) включает приемник по графику, заданному сервером. Сервер отправляет сообщения узлу (end-node) согласно расписанию. Инициатором обмена может быть и сервер LoRaWAN сети. Устройства (end-node) этого класса синхронизируют внутреннее время с временем сети с помощью маяков (от англ. beacon), которые регулярно получает от шлюза. Узлы (end-node) этого класса обладают относительно низкой временной задержкой в обмене данными и открывают более широкое временное окно приема, по сравнению с классом B. Точки (end-node) класса B также обладают всеми возможностями устройств (end-node) класса А.
  • Класс C.  У точек (end-node) этого класса окно приема открыто постоянно и закрывается только на период кратковременной передачи данных. Сервер может инициировать обмен в любое время, и передать сообщения узлу (end-node) сразу, по мере их появления. Этот класс устройств (end-node) потребляет наибольшее количество энергии (по сравнению с классами A и B), поэтому обычно не использует батарейное питание, но получает данные от сервера LoRaWAN сети с наименьшими задержками (lowest latency). Устройства класса С (end-node) обладают всеми возможностями устройств класса А и B.

Источники:

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка...

r-iot.org

LoRa против «Стрижа»: сравнение технологий

В России самыми масштабными не сотовыми LPWAN сетями стали «Сеть 868» и EveryNet, основанные на технологии LoRaWAN, а также «Стриж», использующая собственную технологию. 

Рассмотрим основные характеристики LoRaWAN и «Стриж».

1. Глобальные LPWAN

«Стриж» и LoRa принадлежат к семейству не сотовых глобальных LPWAN, поэтому качественных различий между ними не так много, как, например, у LoRaWAN и NB-IoT. Для работы этих сетей используются частоты 868 МГц. 

2. Протокол связи

Одним из главных отличий этих сетей является протокол связи. LoRa использует LoRaWAN - MAC протокол канального уровня (OSI media layer 2) для сетей с множеством узлов с большим радиусом действия и низким энергопотреблением. 

Сеть «Стриж» использует собственный протокол Marcato 2.0. Этот протокол является закрытым. Протокол обеспечивает шифрование XTEA с использованием 256 битного ключа.

3. Степень пропиетарности

«Стриж» использует для работы закрытый протокол Marcato 2.0. В итоге для работы в этой сети необходимы шлюзы и конечные устройства производства «Стрижа». Такая абсолютная степень пропиетарности может негативно сказаться на как на стоимости устройств, так и на их ассортименте. 

Для LoRaWAN характерна низкая степень пропиетарности. Патент на LoRa-чипы принадлежит Semtech. Однако обладатель патентов не против того, чтобы оборудование выпускало несколько компаний. К тому же конечные устройства производит несколько десятков сторонних производителей. В итоге пользователю доступно множество бюджетных и эффективных вариантов для построения IoT-решений на базе LoRa. 

4. Модуляция

LoRa использует метод модуляции с расширением спектра и вариацией линейной частотной модуляции, а «Стриж» – сверхузкополосный метод с дифференциальной двоичной фазовой манипуляцией DBPSK. 

Применение широкополосной кодовой манипуляции LoRaWAN приводит к снижению эффективности использования частотного спектра. В результате количество устройств для работы в определенном частотном диапазоне значительно ниже, чем у «Стрижа». В полосе LoRa в 125 кГц, необходимой для кодирования одного канала, можно использовать более 1250 устройств «Стриж». 

5. Ширина полосы сигнала

Ширина полосы сигнала, рекомендуемая для стандартной сети LoRaWAN, составляет 125 кГц. У «Стрижа» ширина полосы сигнала составляет 100 Гц. У стандартной сети LoRaWAN – восемь широких каналов по 125 килогерц, а у «Стрижа» 5 тыс. узких по 100 герц каждый. Узкий канал имеет несколько особенностей. Например, он требует стабильности частоты кварцевых резонаторов, задающих рабочую частоту абонентского устройства. В противном случае необходимо использование дорогих термокомпенсированных генераторов, у которых погрешность по частоте на порядок меньше. 

6. Разделение каналов

FDMA (Frequency Division Multiple Access) – это множественный доступ с частотным разделением. Общий ресурс делится на несколько устройств. Такое деление может быть равным или неравным. FDMA, как правило, используется в связке с методами множественного доступа TDMA и CDMA. 

Принцип работы TDMA состоит в том, что на определенной частоте базовая станция какой-то промежуток времени работает на одного абонента, какую-то на другого и т.д. Перерывы настолько коротки, что для работы устройств они остаются незамеченными. 

Принцип работы практически цифрового стандарта CDMA означает, что все ячейки работают на одном и том же канале. В итоге частотный ресурс расходуется наиболее полно. Предусмотрена возможность плавного перехода устройства от обслуживания от одной базовой станции к другой. 

LoRaWAN использует CDMA и TDMA, тогда как «Стриж» - FDMA и TDMA. 

7. Радиорелейные и ячеистые сети 

Преимущество LoRaWAN заключается в использовании ячеистых (многоточечных) сетей. Устройства могут работать как радиорелейная станция и передавать сигнал до ближайшей точки доступа. Поэтому у провайдеров нет необходимости устанавливать дополнительные точки доступа с проводкой к ним. Альтернативный путь – использование миниатюрных радиорелейных станций WLAN, которые обеспечивают связь с имеющейся инфраструктурой точек доступа. «Стриж» такими характеристиками похвастаться не может. 

8. Классы обслуживаемых устройств 

LoRaWAN может обслуживать устройства класса A, B, C, тогда как «Стриж» - только устройства класса А. Классы отличаются по расписанию передачи данных в эфир. Например, оборудование класса А передает информацию, а затем короткий промежуток времени ожидает ответа от базовой станции. Приемник выключается до следующего сеанса связи. Устройства класса B работают по расписанию. Передатчик включается в заданное время. Базовая станция располагает этим расписанием, поэтому способна передавать данные на устройство в соответствии с графиком. Устройства класса C держат приемник включенным постоянно, поэтому базовая станция может в любое время передать информацию. 

9. Асинхронная передача данных

Сети «Стриж» и LoRaWAN не являются сотовыми. Это значит, что устройствам не требуется просыпаться для синхронизации данных. Датчики можно запрограммировать на отправку данных по расписанию или по мере накопления информации. Поэтому срок работы аккумуляторов достаточно длительный и может достигать несколько лет. 

10. Локальные сети масштаба объекта 

Построить эффективную сеть LoRaWAN под силу даже отдельному предприятию в виду меньшей стоимости базовой станции и более широкой экосистеме поставщиков оборудования и программной части. Построение сети «Стриж» на локальном объекте также возможно, но, ввиду абсолютной закрытости протокола, на подбор необходимого оборудования и согласование проекта может уйти больше времени. 

11. Количество операторов 

Сети LoRaWAN развернуты более сотней операторов в 40 странах и 250 городах мира. Заручившись поддержкой ИТ-гигантов и крупнейших операторов связи, LoRaWAN уже покрыла сигналом более 40 стран мира и 250 городов. В США, Австралии, Новой Зеландии, Тайване и Нидерландах LoRaWAN считается стандартом сети Интернета вещей. Сеть «Стриж» представлена единственным оператором, предоставляющим услуги в некоторых странах СНГ. 

12. Стоимость базовых станций 

инвестиции в строительство не сотовых LPWAN достаточно низкие, чем в мобильные LPWAN. Сети не сотовых LPWAN можно с легкостью развернуть как в городской черте, так и в сельской местности. Стоимость одной базовой станции LoRaWAN оценивается в $1000. Для охвата территории Нидерландов, к примеру, одним из операторов связи было приобретено 12. 

13. Помехоустойчивость

Технология «Стриж» более устойчива к помехам. Сигнал LoRaWAN обладает средней степенью устойчивости. Защита от помех в случае с LoRaWAN обеспечивается с помощью кодирования. 

При одновременной работе в одном канале устройства могут добиться защиты от помех на уровне 10 – 20 Дб, в «Стриже» этот показатель составляет до 65 дБ защиты от помехи на соседнем канале. 

14. Экосистема

Решения «Стриж» развивает сама компания и несколько, преимущественно российских, производителей оборудования. Экосистема LoRa включает более 500 компаний – операторов связи и поставщиков ИТ-решений и оборудования. В LoRa Alliance входят такие ИТ-гиганты, как IBM, Cisco, Orange, NTT, Soft Bank, Bosch, Schneider Electric, Inmarsat, Swisscom. Поддержка этих лидеров уже привела к тому, что LoRaWAN стала крупнейшей популярной LPWAN-технологией в мире. Об этом свидетельствует количество операторов, развернувших эту сеть. 

Резюме

LoRaWAN существенно превосходит «Стриж» в степени пропиетарности, разделении каналов, в возможности обслуживания нескольких классов устройств, возможности использования радиорелейных и ячеистых сетей, строительстве локальных сетей на предприятиях, стоимости базовых станций, экосистеме поддержки и количестве запущенных сетей. Это означает, что вариантов построения эффективных промышленных решений на базе LoRaWAN у заказчиков гораздо больше, чем при использовании технологии «Стриж».

 

Табл.1 Сравнение характеристик LoRa и «Стриж»


 

Справка об Агентстве «Цифровая Россия»

Агентство «Цифровая Россия», которое организовал медиаресурс iot.ru – это сообщество экспертов и профессионалов, представляющих лучшие высокотехнологичные компании на рынке. Агентство предлагает заказчикам любого масштаба цифровые решения и продукты для оптимизации процессов и разработки новых бизнес-моделей. В практическом смысле это выражается в определении «цифровой» потребности клиента и интеграции наиболее подходящих решений.

Для кого работает Агентство?

Для всех, кому необходима цифровизация. Оборудовать дом умными счетчиками по сбору данных, установить датчики на производстве, оцифровать документооборот в компании, поставить умные остановки и умные фонари на улицах и многое другое – если перед вами стоит одна из подобных задач, то мы работаем для вас!

Все подробности и возможность оставить заявку - https://agency.iot.ru/


iot.ru

Особенности применения технологии LoRa для создания локальной сети передачи данных.

«Интернет вещей» (Internet of Things, IoT).  Под этим понятием подразумевается  единая  сеть  физических  объектов, объединенных в локальную сеть , использующих встроенную технологию для измерения собственных характеристик или параметров внешней среды, анализа собираемых данных и передачи полученной информации на другие устройства. Вопрос: как обеспечить надежное объединение этих устройств в сети с возможностью масштабирования без сопутствующего двух- или трехкратного увеличения количества базовых станций GSM-сетей и/или значительного увеличения числа точек доступа? Очевидный ответ: внедрить устойчивые сети связи на основе узлов с увеличенным  радиусом  действия и максимальным временем автономной работы, позволяющие полностью отказаться от применения дополнительных ретрансляторов сигнала.

23 марта 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research объявили о важном достижении в области беспроводных технологий передачи данных, представив новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций. Для ее поддержки, развития и стандартизации был создан альянс LoRa (LoRa Alliance), в состав альянса входят как известные производители электроники (Cisco, IBM, Kerlink, IMST, Semtech, Microchip Technology), так и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom).

Основная задача LoRa Alliance — объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN, чтобы обеспечить возможность операторам связи предоставлять услуги «Интернета вещей» как коммерческим организациям, так и частным лицам. Активное использование стандарта позволит значительно упростить задачу соединения множества устройств — от  беспроводных  датчиков  в приложениях промышленной автомати- зации и системах безопасности до бытовой электроники. На основе нового протокола создано аппаратно-программное решение, включающее программный комплект разработки Mote Runner от IBM - средство разработки инфраструктуры беспроводных сенсорных сетей, представляющее собой открытую платформу для подключения датчиков и исполнительных механизмов к сети. В итоге, с учетом применения облачного сервера от IBM, можно получить доступное решение мониторинга своей сети распределенных датчиков без необходимости использования Wi-Fi-, GSM-, 3G- и WiMAX-устройств.

Аппаратная  реализация  протокола LoRaWAN основана на применении запатентованного компанией Semtech метода модуляции LoRa. Он основан на использовании технологии расширения спектра, при котором данные кодируются широкополосными ЛЧМ ( линейно частотно модулированными) – импульсами с меняющейся частотой. Кроме этого, для повышения надежности передаваемых данных используется процедура упреждающей коррекции ошибок, восстанавливающая искаженные биты данных.  Все это, по заявлениям разработчиков данной технологии, позволило при использовании  диапазона частот 868МГц и разрешенной мощности передатчика 10мВт получить устойчивую связь на расстоянии до 15 км на открытой местности и до 3,5 км – в условиях плотной городской застройки. Цифры по дальности связи , действительно, производят впечатление, однако сравнение данного метода передачи данных с обычными трансиверами, использующими  FSK- модуляцию   показывает, что не все так радужно. На рис.1 приведена диаграмма по дальности и основные технические характеристики для этих двух методов [ 1 ].

 

Анализ приведенных данных показывает, что новый метод, выигрывая в дальности связи, существенно проигрывает в объеме передаваемых данных в единицу времени.  Кстати, это подтверждается и расчетной формулой, приведенной ниже.

Причина этого достаточно очевидна и  подробно описана в [ 2 ]. Так как  для повышения надежности  каждый бит данных сопровождается передачей  дополнительной служебной информации, в результате  объем полезной  информации в пакете передаваемых данных резко уменьшается. В таблице 1 приведено соотношение между коэффициентом модуляции SF  и количеством дополнительных служебных  бит на каждый передаваемый символ.

   Таблица 1     

  

Следует отметить, что наряду с технологией  LoRa ( LPWAN) российским потребителям предлагается и отечественный продукт – технология « Стриж », обладающий примерно аналогичными техническими характеристиками , как по дальности связи, так и символьной скорости передачи информации. Основное отличие данного метода заключается в использовании иного - узкополосного метода передачи, когда ширина  полосы составляет порядка 100 Гц, в отличие от LoRa, где аналогичная полоса может составлять 150 – 500 кГц.       

 Исходя из сказанного выше основной областью применения устройств на базе технологии LoRa  ( а также –«Стриж » ) могут являться охранные системы, автономные датчики и устройства допускового контроля, датчики пожарной и иной сигнализации, у которых  объем передаваемой информации достаточно  мал. В [ 1 ]  - раздел « LoRaWAN Application » производителем оборудования  LoRa  приводятся  возможные области применения  данной технологии :   

При этом продвижение данной технологии в любой из предложенных областей возможны лишь в случае, когда производители конечных приборов ( датчиков, сенсоров и пр.) будут заинтересованы во внедрении модуля связи LoRa в свои устройства – совершенно очевидно, что сенсорам , для выполнения своих основных функций , модуль передачи данных не нужен.  Т.о. продвижение этой технологии будет успешным только в случае, когда  предлагается конкретный проект, в котором именно данная технология будет наиболее привлекательна, проект, в котором поставщик LoRa будет готов выступить в роли системного интегратора, а также в успешном продвижении данного проекта будет  заинтересован   конечный потребитель.

Например, в качестве такого проекта можно было бы предложить оснащение многоквартирных жилых домов квартирными теплосчетчиками,- тема, которая всеми, имеющими отношение к сфере ЖКХ, признается  крайне перспективной , однако реализация которой с использованием стандартных теплосчетчиков , в силу их стоимостных характеристик, абсолютно экономически нереализуема . Если для оснащения стандартной 2-3х комнатной квартиры понадобится от 4 до 6 приборов учета, стоимость каждого из которых порядка 8-10 тыс.руб, становится понятно, что для потребителя  экономия в оплате за полученное тепло никогда не компенсирует затрат на приобретение и установку данных приборы учета.  Если же взамен теплосчетчика  будет использован набор из двух датчиков температуры и крыльчатого расходомера , каждый из которых оснащен модулем LoRa, будет организована некая локальная мини-сеть, где приборы, обмениваясь друг с другом, передают информацию на некий общий концентратор и далее – на сервер поставщика услуг. При таком подходе будут использованы наиболее сильные стороны  новой технологии передачи данных - автономные приборы с батарейным питанием, малый объем информации, передаваемой каждым прибором, большая дальность  и высокая помехозащищенность передаваемой информации и, очень важно,- низкая стоимость компонентов системы в целом. Очевидно, примеры подобных подходов можно привести  и еще.         

Однако, в силу того, что до настоящего времени  целостные, законченные проекты с использованием LoRa  должным образом  не озвучены, поставщики  оборудования  LoRa  зачастую предлагают использовать данную технологию, по аналогии с другими средствами связи, для передачи на большое расстояние пакетов данных,- т.е. именно там, где слабые стороны этой новой технологии наиболее очевидны. 

Так, если в дальнейшем предполагается необходимость в передаче данных от конечных устройств далее, на удаленный сервер пользователя,  с необходимостью появляются устройства-шлюзы для подключения к глобальной сети Интернет. Шлюзы имеют встроенный LoRa – радиоканал для связи с объектами , а передача данных на сервер осуществляется посредством GPRS- связи [ 3 ] :

Информация при этом попадает на облачный сервер IBM и далее, используя соответствующее лицензионное программное обеспечение, попадает к потребителю.  Но в такой схеме все положительные стороны нового метода обесцениваются : при наличии развитой сети  конечных LoRa –устройств понадобиться  устанавливать большое количество шлюзов , в черте города – по несколько шлюзов в радиусе не более 3 км. Данный шлюз одновременно может получать информацию от ограниченного числа устройств ( не более 10) и может обслуживать , как правило, порядка 49 независимых устройств [ 4 ]. Нетрудно оценить необходимое количество подобных шлюзов при количестве независимых устройств порядка 1-2 тыс, расположенных в радиусе 20-30 км. Следует также отметить, что в этом случае уже нельзя будет говорить о передаче /получении данных от устройств в режиме реального времени. Таким образом, как только появляется необходимость подключения к сети Интернет с передачей большого объема данных, технология LoRa не имеет каких-либо  преимуществ по отношению к устройствам, имеющим стандартный GPRS- канал передачи данных, тем более, что в последнем случае нет никаких ограничений на скорость и объем передаваемой информации.

Например, попытка использовать данную технологию передачи данных применительно к промышленным счетчикам газа, оснащенным электронным корректором объема газа по сути сразу обречена на провал – суточный объем архивных данных, формируемый корректором , может достигать порядка 1 МБайт – передача такого объема данных может занять час и более, не говоря о ускоренном разряде батарей трансивера.  Аналогичные проблемы  возникают при попытке использовать данный радиоканал для считывания данных с современных  счетчиков электрической энергии. Так, только одно перечисление параметров, измеряемых и архивируемых  многотарифным  электросчетчиком  « Меркурий 230 »     [ 5 ] составляет страницу печатного текста , следовательно и объем передаваемых данных будет очень и очень немалым.

Выводы.

  1. Технология передачи данных LoRa ( Стриж ) позволяет создавать помехозащищенные локальные сети передачи данных на относительно большие расстояния.
  2. Низкая символьная скорость передачи предполагает малый объем данных в передаваемом пакете , что делает нецелесообразным применение данного метода применительно к устройствам с большим объемом передаваемой информации.
  3. Расширение площади зоны покрытия LoRa опережающими темпами  является непременным условием успешного продвижения данной технологии.
  4. Наибольший эффект от применения данного метода передачи данных следует ожидать не от внедрения отдельных, разрозненных датчиков, но от построения автономных распределенных систем измерения, сбора и передачи информации.  

Литература.

  1. IMST GmbH – Information, Mobile and Satellite Communication Techniques.
  2. WiMOD iM880A Datasheet , Wireless Solution, v1.1
  3. KERLINK – LoRa IoT Station . Шлюз LoRa  для IoT сети.
  4. IMST GmbH WiMOD iC880A  Datasheet, ID 4100/40140/0074
  5. Счетчик электрической энергии статический трехфазный « МЕРКУТИЙ 230» Руководство по эксплуатации АВЛГ.411152.030 РЭ

tehnomer.ru

Архитектура LoRaWAN сетей » Lo-Ra — Сообщество разработчиков LoRaWAN LPWAN

Протокол LoRaWAN

В январе 2015 года создана некоммерческая организация LoRa Alliance с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN — от англ. Low Power Wide Area Network). Участниками разных уровней LoRa Alliance являются производители программного обеспечения, микроэлектроники, операторы связи: и т.д. В LoRa Alliance входят такие компании, как: IBM, Semtech, Cisco, Inmarsat, Swisscom и другие.

Когда говорят о технологии LoRa, то чаще всего имеют ввиду и метод модуляции LoRa, разработанный Semtech, и открытый протокол LoRaWAN.

Если модуляция LoRa является, физическим уровнем (OSI media layer 1), то LoRaWAN (Long Range Wide-Area Networks) – это MAC протокол канального уровня (OSI media layer 2) для сетей с множеством узлов с большим радиусом действия и низким собственным потреблением мощности. Сеть LoRaWAN имеет простую архитектуру типа “звезда” (от англ. star) без ретрансляторов и mesh-связей. Узлам сети характерны низкое энергопотребление (до 10 лет работы от обычных батарей АА), невысокая скорость обмена данными, большая дальность связи (15 км в сельской местности и 5км в плотной городской застройке) и низкая стоимость оконечного оборудования.

Протокол LoRaWAN оптимизирован для оконечных устройств, работающих от батарей и включает в себя различные классы узлов, обеспечивая компромисс между скоростью доставки информации и временем работы устройств при использовании питания от батарей (аккумуляторов). Протокол обеспечивает полную двухстороннюю связь, а архитектура, посредством специальных методов шифрования, обеспечивает общую надежность и безопасность всей системы. Архитектура LoRaWAN разрабатывалась с учетом возможности активной работы с мобильными оконечными устройствами (end-node), что является одним из быстрорастущих направлений Интернета вещей (IoT, от англ. Internet of Things).

В типичной LoRaWAN сети шлюзы передают зашифрованные данные, полученные от оконечных устройств (end-node) на центральный сервер сети провайдера (Network Server) и далее на сервер приложений (App Server) сервис-провайдера, с которого данные поступают конечному пользователю.

В LoRaWAN сетях, в отличии например, от Ethernet, шлюзы (от англ. gateway) также называют концентраторами. Оконечные устройства называют конечными узлами (end-node) или просто узлами (node) или точками (point). Сетевой стек LoRaWAN иногда еще называют LoRaMAC, чтобы подчеркнуть, что он работает на втором уровне модели OSI media layer 2 — MAC (от англ. media access control). Именно так — LoRaMAC, назывался стандарт LoRaWAN, когда он разрабатывался только командой Semtech до создания LoRa Alliance.

В настоящий момент существуют две open source реализации стека LoRaWAN: первая разработана Semtech — LoRaMAC, а вторая IBM (LoRaWAN in C). Обе реализации используют универсальный HAL драйвер устройств, этот открытый LoRaWAN код портируется для применения в различном оборудовании.

Архитектура LoRaWAN сетей

LoRaWAN end-node — оконечные устройства

Оконечные устройства LoRa (конечные узлы, end-node) являются элементами LoRaWAN сети системы LoRa, где они выполняют такие функции, как измерение или управление и контроль. Они располагаются удаленно и имеют, как правило, батарейное питание. Используя сетевой протокол LoRaWAN, эти конечные точки (end-node) могут быть настроены для связи с шлюзом LoRa (концентратором или базовой станцией).

Данные в LoRaWAN сети могут передаваться в обе стороны, как от конечных точек (end-node) к серверу, так и обратно. Точки (end-node) передают данные не постоянно, а включают передачу лишь на некоторый промежуток времени (как правило на 1-5 секунд), по окончании которого открывается два временных окна для приема данных. Остальное время трансиверы конечных узлов (end-node) находятся либо в неактивном состоянии (sleep), либо в состоянии приема, в зависимости от класса устройства (A, B или С).

    • Класс A

      Узел (end-node) передает данные на шлюз короткими посылками по заданному графику. Инициатором обмена выступает сам конечный узел (end-node). Точка (end-node), как правило, не требует получения подтверждения своего сообщения приложением (сообщение без квитирования), однако протокол предусматривает и сообщения, на которые сервер приложений формирует специальный ответ, “квитанцию”, а сетевой сервер выбирает лучший маршрут (шлюз) для отправки подтверждения (ACK от англ. acknowledgment — подтверждение) в момент открытия узлом окна приема (сообщение с квитированием). Узел (end-node) переходит в режим приема (открывает окно приема) сразу после отправки данных на некоторое непродолжительное время, в остальное, более продолжительное время, находится в режиме энергосбережения или сна (sleep). Сервер накапливает для точек (end-node) сообщения и пересылает их сразу, как точка (end-node) выходит на связь. Этот класс конечных (end-node) узлов наиболее экономичен в потреблении энергии и наиболее распространен на практике.

 

    • Класс B

      Узел (end-node) включает приемник по графику, заданному сервером. Сервер отправляет сообщения узлу (end-node) согласно расписанию. Инициатором обмена может быть и сервер LoRaWAN сети. Устройства (end-node) этого класса синхронизируют внутреннее время с временем сети с помощью маяков (от англ. beacon), которые регулярно получает от шлюза. Узлы (end-node) этого класса обладают относительно низкой временной задержкой в обмене данными и открывают более широкое временное окно приема, по сравнению с классом B. Точки (end-node) класса B также обладают всеми возможностями устройств (end-node) класса А.

 

  • Класс C

    У точек (end-node) этого класса окно приема открыто постоянно и закрывается только на период кратковременной передачи данных. Сервер может инициировать обмен в любое время, и передать сообщения узлу (end-node) сразу, по мере их появления. Этот класс устройств (end-node) потребляет наибольшее количество энергии (по сравнению с классами A и B), поэтому обычно не использует батарейное питание, но получает данные от сервера LoRaWAN сети с наименьшими задержками (lowest latency). Устройства класса С (end-node) обладают всеми возможностями устройств класса А и B.

 

Точки (end-node) могут производить обмен как с одним, так и с несколькими шлюзами, узлы могут работать в двух режимах: точка-точка (от англ. P2P — point to point), когда обмен происходит между оконечным устройством (end-node) и шлюзом (также вполне реализуем обмен только между двумя узлами (end-node) без использования концентраторов и даже сервера) и в гибридном режиме, когда один из узлов подключен, с одной стороны, по радиоканалу к другим узлам, а с другой стороны, имеет проводное подключение к сети по TCP/IP и выступает в роли шлюза (используя программное обеспечение packet_forwarder). Такой одноканальный мини-шлюз может обслуживать от одного до нескольких десятков оконечных устройств, которые будут конкурировать между собой за свободные тайм слоты (от англ. time slot) мини-шлюза для приема и передачи данных.

Шлюзы (концентраторы) LoRa

Шлюзы LoRa предназначены для использования в радиальных звездообразных сетевых архитектурах большого радиуса действия в системе LoRaWAN. Из-за свойств технологии LoRa эти шлюзы могут представлять собой многоканальные мультимодемные трансиверы, которые способны выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляции множества сигналов на одном и том же канале. Эти шлюзы используют иные радиочастотные компоненты, чем те, которые применяются в конечной точке (end-node) для обеспечения высокой емкости сети. Шлюзы служат в качестве интерфейса в виде прозрачного моста для передачи сообщений между конечными узлами (end-node) и центральным сервером.

Связь между концентраторами и центральным сервером LoRaWAN сети оператора (транспортная backhaul сеть) осуществляется с помощью традиционных технологий (Ethernet, WiFi, GSM) по протоколу TCP/IP.

Если шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения, то конечные узлы (end-node) используют беспроводное подключение к одному или нескольким шлюзам. Все конечные точки (end-node), как правило, являются двунаправленными, но они также поддерживают и функционирование в режиме, обеспечивающим возможность осуществления группового обновление программного обеспечения по радиоканалу или передачу иных массовых сообщений (Broadcast), что позволяет сократить время на их передачу. В зависимости от желаемой их канальной емкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут устанавливаться как внутри помещений (indoor), так и на вышках или зданиях (outdoor).

Узлы (end-node) LoRaWAN сети могут быть в зоне покрытия как одного шлюза так и нескольких. Шлюзом в сетях с высокой плотностью абонентских устройств выступают специальные многоканальные концентраторы, которые имеют возможность принимать данные от нескольких узлов одновременно. Именно эта возможность шлюза напрямую влияет на максимальную плотность абонентских устройств (end-node) на участке местности, обслуживаемой одним концентратором.

Концентраторы на базе Semtech SX1301 обладают возможностью обслуживать до 5 тысяч абонентских устройств на один квадратный километр (на борту 2 чипа SX1257, обеспечивающие двойной RF фронтэнд (от англ. front-end) на 8 независимых каналов, которые могут работать одновременно, и одним транспортным backhaul каналом).

Емкость сети зависит от того числа пакетов, которые могут быть получены в данный момент времени. Один шлюз на SX1301 с 8 каналами, используя протокол LoRaWAN, способен получить около 1,5 млн. пакетов в день. Так что, если ваш узел отправляет один пакет в час, то один шлюз на SX1301 может с успехом обслуживать до 62500 таких конечных устройств.

Сейчас ведется нешуточная борьба среди сторонников различных IoT технологий и в сравнительных таблицах, где каждый нахваливает сам себя, вы увидите различное количество узлов (end-node), обслуживаемых одним шлюзом: от нескольких сотен до миллионов. Такие данные неинформативны и могут ввести читателя в заблуждение, поскольку каждый узел (end-node) может отправлять данные с разной периодичностью, объем данных и скорость передачи могут существенно различаться, поэтому говорить о теоретической емкости сети достаточно сложно и для точных расчетов нужно принимать во внимание множество факторов.

Если емкости сегмента сети недостаточно, то LoRaWAN сеть масштабируется: более высокую плотность узлов(end-node), что достигается путем установки дополнительных шлюзов. При появлении нового шлюза, центральный сервер сети перераспределяет нагрузку, отправляя конечным узлам “новый график” включения режима передачи.

Центральный сервер LoRaWAN сети

Проблему возможных коллизий при одновременной передаче данных несколькими точками решает центральный сервер LoRaWAN сети, который адресно отправляет узлам (end-node) сети управляющие команды через шлюзы, выделяя тайм-слоты для передачи и приема индивидуально для каждой конечной точки (end-node). Адресация происходит по 32-битному DevAddr, уникальному для каждого узла (end-node).

Центральный сервер LoRaWAN сети принимает решения о необходимости изменения скорости передачи данных точками (end-node), мощности передатчика, выборе канала передачи, ее начале и продолжительности по времени, контролирует заряд батарей конечных узлов (end-node), т.е. полностью контролирует всю сеть и управляет каждым абонентским устройством в отдельности.

Каждый LoRaWAN пакет данных, отправляемых конечным узлом, (end-node) имеет в своем составе уникальный идентификатор приложения AppEUI, принадлежащий приложению на сервере сервис-провайдера, для которого он предназначен и этот идентификатор используется центральным сервером LoRaWAN сети для дальнейшей маршрутизации пакета и его обработки приложением на сервере (App Server) сервис-провайдера.

На практике, как правило, услуги сервис-провайдера предоставляет производитель оконечных устройств(end-node), который поддерживает сервис для обработки данных, куда маршрутизируются пакеты с сервера LoRaWAN сети для работы с этими данными конечным пользователям.

Как частный случай, сервер приложений, сервер сети и единственный шлюз сети (в виде одноканального LoRa трансивера) могут быть объединены для построения упрощенной модели сети в лабораторных условиях. Программное обеспечение ядра сетевого сервера свободно не распространяется, но может быть получено после заключения соглашения с Lora Alliance, в общем доступе находится демонстрационная документация.

Устойчивость к радиопомехам

Высокая проникающая способность радиосигнала субгигагерцового диапазона в зданиях и подвалах обеспечивает стабильную связь там, где другие беспроводные технологии оказываются бессильны.

Модем LoRa на совмещенном GMSK канале имеет возможность подавления помех до 19,5 дБ (за счет Гауссовой фильтрации) или, говоря другими словами, он может принимать и демодулировать сигналы на 19,5 дБ ниже уровня помех или шумов притом что для правильной демодуляции большинству систем с частотной манипуляцией FSK (от англ. Frequency Shift Keying) нужна мощность сигнала как минимум на 8-10 дБ выше уровня шума.

Этот иммунитет к помехам позволяет использовать простую и недорогую систему с LoRa в тех местах, где имеется тяжелая спектральная обстановка (как в любом современном мегаполисе) или в гибридных сетях связи. В этих случаях использование технологии LoRa позволяет расширить диапазон покрытия сети связи.

Скорость в LoRaWAN сетях

LoRaWAN протокол регламентирует скорость радиообмена от 300 бит/с до 50 килобит в секунду, скорость падает с увеличением расстояния между приёмником и передатчиком. Фактически в существующих устройствах, скорость, может не превышать 11 килобит в секунду, что вполне достаточно для решаемых данной технологией задач.

Для Европы (и России, в том числе) доступен один GFSK канал (от англ. Gaussian Frequency-Shift Keying — модуляция в виде частотной манипуляции, при которой используется фильтр Гаусса для сглаживания) передачи информации с потоком данных до 50 кбит/с. В Северной Америке, из-за ограничений, накладываемых FCC (Federal Communications Commission — Федеральная Комиссия Электросвязи США), минимальная скорость передачи данных составляет 0,9 кбит/с.

Чтобы продлить срок службы батареи (аккумулятора) в конечном узле (end-node) и оптимизировать общую пропускную способность сети, сетевой сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и мощностью радиочастотного выхода каждого конечного устройства (end-node) по отдельности на основании расстояния от шлюза. Управление осуществляется с помощью алгоритма адаптивной скорости передачи данных ADR (от англ. Adaptive Data Rate). Это имеет решающее значение для высокой производительности сети и позволяет осуществлять ее необходимую масштабируемость.

Адаптивная скорость передачи данных ADR (Adaptive Data Rate) представляет собой метод, при котором фактическая скорость передачи данных регулируется таким образом, чтобы обеспечить надежную доставку пакетов, обеспечить оптимальную производительность сети и необходимый масштаб для ее загрузки. Так, например, узлы (end-node) более близкие к шлюзу будут использовать и более высокую скорость передачи данных (а, следовательно, более короткое время активной передачи по радиоканалу) и меньшую выходную мощность. Только самые удаленные точки (end-node) будут использовать низкую скорость передачи данных и высокую выходную мощность передатчика. Технология адаптивной скорости передачи данных ADR может внести необходимые изменения в сетевую инфраструктуру и, таким образом, компенсировать различные потери на трассе передачи сигнала.

LoRaWAN сеть может быть развернута с минимальными инвестициями в инфраструктуру и с той ее емкостью, которая конкретно необходима для данного применения. Если развернуто много шлюзов, то технология ADR будет смещать скорость передачи данных в сторону повышения, что обеспечит масштабирование емкости сети в пределах от 6 до 8 раз.

Протокол LoRaWAN определяет конкретный набор скоростей передачи данных, но оконечный чип или так называемый физический слой (PHY, OSI media layer 1), то есть сама интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI, способна дать больше вариантов. Например, Semtech SX1272 поддерживает скорости передачи данных от 0,3 до 37,5 кбит/с, а SX1276 от 0,018 до 37,5 кбит/с.

Безопасность в LoRaWAN сетях

Для защиты от несанкционированного доступа и искажения либо перехвата данных, передаваемых оконечными устройствами (end-node), в LoRaWAN сетях стандартом предусмотрено обязательное двухуровневое шифрование данных двумя разными AES-128 ключами по RFC-4493.

Обеспечивается полная конфиденциальность данных при прохождении всех задействованных в цепочке устройств, поэтому содержимое пакета доступно только отправителю (конечной точке) и получателю, для которого оно предназначено, т.е. приложению сервис-провайдера. Сервер сети оперирует данными в зашифрованном виде, производит аутентификацию и проверяет целостность каждого пакета, но при этом не имеет доступа к полезной нагрузке (от англ. payload), т.е. к информации от подключенных к узлу сенсоров.

Более подробно о безопасности в LoRaWAN сетях читайте в наших следующих материалах.

Автор: Виктор Бруцкий, [email protected]

Похожее

lo-ra.ru

alexxlab

leave a Comment