2020/11/19 15:37:37

LoRa - технология беспроводной связи для IoT

LoRa - технология беспроводной связи с высокой емкостью сети и малым энергопотреблением конечных устройств.

Содержание

Технические характеристики
- Европа и Россия
Технология
- Физический уровень
- LoRaWAN
Сетевая архитектура
Применение LoRa
Смотрите также

По данным IoT Analytics на вторую половину 2020 года является наиболее распространённой технологией маломощных глобальных сетей (LPWAN). Технология LoRa создана для межмашинного (M2M) взаимодействия и представляет собой сочетание особого метода модуляции LoRa и открытого протокола взаимодействия LoRaWAN. Эта технология связи для IoT разработана таким образом, что может обслуживать до 1 млн. устройств в одной сети, давая им автономность до 10 лет от одной батарейки формата AA.

Технические характеристики

Технические характеристики LoRa незначительно отличаются в зависимости от региона применения. И ориентированы на надежную передачу сигналов и низкое энергопотребление

Европа и Россия

LoRaWAN определяет десять каналов, восемь из которых имеют разную скорость передачи данных от 250 бит / с до 5,5 кбит / с, один канал LoRa с высокой скоростью передачи данных 11 кбит / с и один канал FSK со скоростью 50 кбит / с. Максимальная выходная мощность, разрешенная ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) в Европе, составляет +14 дБм, за исключением диапазона G3, для которого допускается значение в +27 дБм.

Технология

Физический уровень

В основе технологии LoRa лежит одноименный метод модуляции, который был запатентован компанией Semtech. Этот метод основывается на принципе расширения спектра и линейной частотной модуляции. В процессе передачи данные кодируются широкополосными импульсами с уменьшающейся или увеличивающейся, в определенном временном диапазоне, частотой. Данное решение позволяет сделать приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения, что снижает требования к качеству генератора и позволяет использовать простые кварцевые резонаторы. За счет использования технологии расширения спектра, приемник LoRa может демодулировать сигнал, который имеет уровень на 20 дБ уровня шумов. Высокая чувствительность приёмников (-148 дБм) позволяет использовать применять данную технологию на больших расстояниях, обеспечивая малое энергопотребление и высокую устойчивость связи.

LoRaWAN

Основная статья: LoRaWAN

LoRaWAN – открытый протокол связи, который определяет архитектуру системы. Этот протокол предусматривает топологию типа «звезда». LoRaWAN разрабатывался с целью организации связи между недорогими устройствами, которые могут работать от батарей (аккумуляторов). Для обеспечения приемлемого отношения скорости передачи к энергопотреблению, протокол предусматривает различные классы узлов. Протокол LoRaWAN определяет конкретный набор скоростей передачи данных, но реализация физического уровня модели OSI будет зависеть от выбираемой микросхемы.

Сетевая архитектура

В отличие от большого числа существующих сетей, использующих mesh-архитектуру, где узлы сети, для расширения покрытия передают информацию от одного к другому, LoRa – сеть использует топологию «звезда». Это позволяет уменьшить энерго потребление устройств (за счет отсутствия необходимости пересылки пакетов от других устройств), и упростить архитектуру сети.

В сети LoRaWAN узел связывается не с конкретным шлюзом, а передает данные на несколько шлюзов. Каждый шлюз пересылает полученный пакет от конечного узла через транспорт (сотовая сеть, Wi-Fi, Ethernet или другое) на облачный сервер. Сервер управляет сетью, отбрасывает избыточные пакеты, выполняет проверки безопасности, планирует оптимальный маршрут передачи подтверждающего сообщения и управляет скоростью передачи данных. Использование такой архитектуры позволяет избавиться от процедуры хэндовера при перемещении мобильных датчиков в пределах действия сети. Узлы в сети работают в асинхронном режиме и передают данные по мере накопления либо по прерыванию. Для доступа к ресурсам сети используется метод Aloha. Отказ от постоянной синхронизации устройств (как в mesh- или сотовых сетях) так же позволяет экономить заряд батареи. В сети со «звездной» топологией сложно организовать большую емкость сети одновременно с большой площадью покрытия. Для реализации такой возможности в LoRaWAN применяют адаптивную скорость передачи данных и используют многоканальные мульти модемные трансиверы в шлюзах, чтобы сообщения могли передаваться одновременно по нескольким каналам. Критические факторы для пропускной способности - количество одновременных каналов, скорость передачи данных (время в эфире), длина полезной нагрузки и насколько часто узлы ведут передачу. Поскольку LoRa представляет собой модуляцию на основе расширения спектра, сигналы практически ортогональны друг другу, когда используются разные коэффициенты расширения. При изменении коэффициента расширения эффективная скорость передачи данных тоже меняется. Шлюз использует это свойство, имея возможность получать несколько разных скоростей передачи данных на одном канале одновременно. Если узел имеет хорошее соединение и находится близко к шлюзу – он может использовать более высокую скорость передачи данных, при этом время его нахождения в эфире становится меньше, что открывает «окно» для передачи от других узлов. Сеть может строиться исходя из необходимой емкости, например можно увеличить мощность в сети, установить большее число шлюзов, но уменьшить количество шлюзов, которое будут прослушивать клиенты и увеличить пропускную способность канала в 6-8 раз.

Центральный сервер

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. ^[1]

Классы устройств

Конечные устройства, обслуживающие разные приложения, могут предъявлять разные требования. Для оптимизации профилей приложений используются классы устройств.

Классы устанавливают необходимое соотношение между задержками на нисходящей линии и жизнью батареи.

Двунаправленные оконечные устройства (класс A): оконечные устройства класса A допускают двунаправленную связь, при которой передача восходящего канала каждого конечного устройства перемежается двумя короткими окнами приема по нисходящей линии. Слот для передачи планируется конечным устройством исходя из собственных коммуникационных потребностей, но может незначительно перемещаться по времени исходя из доступа по типу ALOHA. Операции класса А имеют самую низкую мощность. Передача по нисходящему каналу от сервера возможна только после следующего запланированного эфира «вверх».

Двунаправленные оконечные устройства (класс B): в дополнение к случайным окнам «вниз» имеются дополнительные, запланированные в определенное время, окна приема. Устройство для выхода на связь в нужное время получает специальный, синхронизированный по времени, маяк шлюза и слушает эфир в запланированное время.

Двунаправленные оконечные устройства (класс С): Конечные устройства слушают эфир все время, окна приема закрываются только на время передачи.

Безопасность в сети

В IoT необходимо жесткое обеспечение безопасности. Для выполнения этих требований используются два уровня безопасности: уровень сети и уровень приложения. Сетевая безопасность гарантирует аутентичность узла в сети, в то время как уровень безопасности приложений гарантирует, что оператор сети не имеет доступа к данным приложения конечного пользователя.

Применение LoRa

Умный город

Основная статья: Умные города (Smart cities)

Система LoRa может хорошо подходить для экосистемы умных городов, так город – это четкая географическая зона. Хотя выбор конкретной реализации зачастую зависит от топологии, плотности застройки и платежеспособности населения. Сети LoRa за счет работы в нелицензируемом диапазоне могут предложить большую гибкость и меньшую стоимость развертывания и владения по сравнению с сотовыми сетями. Отличительными признаками решений для умного города является то, что конечные приложения не требуют постоянного широкополосного подключения и большого времени в эфире. Такой уровень потребностей хорошо согласуется с возможностями LoRa. В рамках умного города решения LoRa могут собирать данные о климате и качестве воздуха, например, для принятия решения о необходимости обработки дорог реагентами. Другим сценарием может служить мониторинг наполняемости мусорных баков. Датчики влажности почвы можно использовать для своевременного включения полива растений в парках. Кроме датчиков LoRa можно использовать для активации уличного освещения, в системе информационных сообщений о времени прибытия транспорта. LoRa позволяет развернуть те решения, которые местные власти считают необходимыми, а за счет технологической гибкости LoRaWAN, подключение можно реализовать в любом месте, где имеется доступ к сети передачи данных.

Отслеживание активов

Развитие рынка IoT устройств привело к тому, что кроме непосредственного отслеживания информации о положении объекта, что реализовывалось по средствам сотовых и спутниковых сетей, стало возможно собирать данные о состоянии объекта (температура, скорость, данные по конкретным объектам в грузе). Серьезным прорывом в качестве такого мониторинга становится широкое распространение LPWAN сетей. Немаловажным в процессе отслеживания активов является неразрывность отслеживания, даже при трансграничном перемещении, в связи с этим технология должны быть глобальной и легко разворачиваемой в разных местностях и государствах. Вместе с тем отрасль логистики не требует большого объема передаваемых данных, в связи с этим применение LoRa является подходящим решением так-как позволяет развернуть энергоэффективное решение. Кроме того, за счет большой емкости LoRa может эффективно использоваться в больших складских комплексах, которые обрабатывают десятки тысяч отправлений в день.

Умные здания

Основная статья: Умный дом (Smart home)

На первоначальном этапе умные здания включали в себя разрозненные решения интернета вещей и реализовали в основном решения для энергосбережения. С развитием технологий IoT стало возможным серьезное управление активами, включая мониторинг всех систем жизнеобеспечения, предиктивное техническое обслуживания оборудования, контроль за состоянием окружающей среды на рабочих местах. К 2020 году многие организации начинают понимать, что умное здание является преимуществом не только в экономии средств на эксплуатацию, но даже средством для привлечения и удержания персонала. Для миллениалов, привыкших автоматизации повсюду, отдают предпочтение в выборе работы тем организациям, которые организуют удобную и привлекательную рабочую среду, и, в связи с этим умные здания становятся частью нашей жизни. Приложения, обеспечивающие беспрепятственное совместное использование рабочих мест, индивидуальный микроклимат и экология, поддержания чистоты требуют более активного внедрения интернета вещей. Исследование аналитической компании IoT Berg Insight сообщает о том, что на конец 2018 года объем рынка решений для умных зданий составил 151 млн. единиц оборудования. Ожидается что среднегодовой прирост (CAGR) до 2022 года составит 33%. И количество установленных устройств достигнет 483 млн. В 2018 количество устройств, подключенных через сотовые сети, не превышало 4,5 млн и по прогнозам не превысит 19,4 млн в 2022 году. Компания IoT Analytics говорит о том, что умные здания занимают 3 место (12%) после умных городов (23%) и промышленных решений (17%) по числу среди реализуемых IoT решений в мире.

Новые проекты Интернета вещей

появляются повсеместно, однако мы отметили, что проекты на темы умного города и умного

здания выросли больше, чем другие

заявил директор IoT Analytics Кнуд Лассе Люет

По состоянию на середину 2020 года LoRa со 105 млн. устройств самая распространённая технология LPWAN. Решения Lora применяются в обслуживании систем HVAC и электронике, в учете электроэнергии и водоснабжении, контроле окружающей среды, управлении подачей электроэнергии, прогнозной очистке помещений.