LoRaWAN

С активным внедрением Интернета вещей появляется все большая потребность в энергоэффективных сетях. Многие приложения Интернета вещей требуют, чтобы данные собирались и отправлялись на большие расстояния, причем датчики иногда находятся на расстоянии нескольких километров друг от друга. Кроме того, для развертываний Интернета вещей, могут потребоваться устройства для периодической передачи небольших пакетов информации в течение многих лет или даже десятилетий на одном заряде батареи. Для обеспечения таких сетей появилась технология LPWAN - энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия. Предполагается, что глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWAN) будут поддерживать большую часть миллиардов устройств, прогнозируемых для Интернета вещей (IoT). LPWAN сеть может базироваться на одной из технологий LoRaWAN, SIGFOX, NB-IoT, Weightless P и т.д.

Термин LoRaWAN обозначает протокол связи и системную архитектуру сети, а физический уровень LoRa - модуляция, которая обеспечивает связь на большое расстояние. Именно LoRaWAN наиболее сильно влияет на срок службы батареи узла, емкость сети, качество обслуживания, безопасность и разнообразие приложений, которые обслуживает сеть.

Сетевая архитектура

Большинство развернутых сетей используют архитектуру mesh сети. В ней отдельные конечные узлы пересылают информацию других узлов, чтобы увеличить дальность связи и размер соты сети. Да, это увеличит диапазон, но кроме того добавит сложности, снизит емкость сети и сократит срок службы батареи, поскольку узлы получают и пересылают информацию от других узлов, которая, вероятно, для них не имеет отношения. Архитектура типа звезда имеет наибольший смысл для продления срока службы батареи, когда может быть достигнута связь с большим радиусом действия.

В сети LoRaWAN узлы не связываются с определенным шлюзом. Данные, которые передает узел, обычно принимают несколько шлюзов. Каждый из них пересылает полученный пакет на сервер облачной сети через сотовую сеть, Ethernet-сеть, спутниковый сигнал или Wi-Fi. Интеллект и сложность остаются за сетевым сервером, что управляет сетью и будет фильтровать избыточные полученные пакеты, выполнять проверки безопасности, планировать подтверждения через оптимальный шлюз и выполнять адаптивную скорость передачи данных и т. д. Если узел является мобильным или перемещается, передача обслуживания от шлюза к шлюзу не требуется, что является важной функцией для включения приложений отслеживания активов - основной целевой вертикали приложений для Интернета вещей.

Срок службы батареи

Узлы в сети LoRaWAN являются асинхронными и обмениваются информацией, когда у них есть данные, готовые к отправке, будь то события или запланированные. Этот тип протокола обычно называют методом Aloha - метод случайного множественного доступа. В ячеистой сети или в синхронной сети, такой как сотовая связь, узлы часто должны «просыпаться» для синхронизации с сетью и проверки сообщений. Эта синхронизация потребляет значительное количество энергии и является драйвером номер один для сокращения срока службы батареи. В недавнем исследовании и сравнении, проведенном GSMA, различных технологий, направленных на пространство LPWAN, LoRaWAN показал преимущество в 3-5 раз по сравнению со всеми другими вариантами технологий.

Емкость сети

Чтобы сделать сеть типа «звезда» на большие расстояния жизнеспособной, шлюз должен иметь очень высокую пропускную способность или способность принимать сообщения от очень большого количества узлов. Высокая пропускная способность сети LoRaWAN достигается за счет использования адаптивной скорости передачи данных и многоканального мульти-модемного приемопередатчика в шлюзе, что позволяет принимать одновременные сообщения по нескольким каналам. 

Важнейшими факторами, влияющими на пропускную способность, являются количество параллельных каналов, скорость передачи данных (время в эфире), длина полезной нагрузки и частота передачи узлов. Поскольку LoRa представляет собой модуляцию на основе расширенного спектра, сигналы практически ортогональны друг другу, когда используются разные коэффициенты расширения. По мере изменения коэффициента расширения изменяется и эффективная скорость передачи данных. Шлюз использует это свойство, имея возможность одновременно принимать несколько разных скоростей передачи данных по одному и тому же каналу.

Если узел имеет хорошее соединение и находится близко к шлюзу, у него нет причин всегда использовать самую низкую скорость передачи данных и заполнять доступный спектр дольше, чем это необходимо. При повышении скорости передачи данных время нахождения в эфире сокращается, открывая больше потенциального пространства для передачи другими узлами. 

Адаптивная скорость передачи данных также оптимизирует срок службы батареи узла. Чтобы обеспечить работу адаптивной скорости передачи данных, требуются симметричные восходящие и нисходящие каналы с достаточной пропускной способностью нисходящего канала. Эти функции позволяют сети LoRaWAN иметь очень высокую пропускную способность и делать ее масштабируемой. 

Сеть может быть развернута с минимальным объемом инфраструктуры, а при необходимости емкости можно добавить больше шлюзов, увеличив скорость передачи данных, уменьшив количество подслушиваний для других шлюзов и увеличив емкость в 6-8 раз. Другие альтернативы LPWAN не обладают масштабируемостью LoRaWAN из-за технологических компромиссов, которые ограничивают пропускную способность нисходящего канала или делают диапазон нисходящего канала асимметричным диапазону восходящего канала.

Классы устройств - не все узлы одинаковы

Конечные устройства обслуживают разные приложения и имеют разные требования. Чтобы оптимизировать различные профили конечных приложений, LoRaWAN использует разные классы устройств. Классы устройств имеют компромисс между задержкой передачи данных по нисходящей линии связи и сроком службы батареи. В приложении типа управления или исполнительного механизма задержка передачи данных по нисходящей линии связи является важным фактором.

Двунаправленные оконечные устройства (класс A): оконечные устройства класса A позволяют осуществлять двунаправленную связь, при которой передача каждого оконечного устройства по восходящей линии связи сопровождается двумя короткими окнами приема по нисходящей линии связи. Слот передачи, запланированный конечным устройством, основан на его собственных коммуникационных потребностях с небольшими вариациями на основе случайного времени (протокол типа ALOHA). Эта операция класса A представляет собой систему конечных устройств с наименьшим энергопотреблением для приложений, которым требуется связь с сервером только по нисходящей линии связи вскоре после того, как конечное устройство отправило передачу по восходящей линии связи. Связь по нисходящему каналу с сервера в любое другое время должна будет дождаться следующего запланированного восходящего канала.

Двунаправленные конечные устройства с запланированными слотами приема (класс B): в дополнение к окнам случайного приема класса A устройства класса B открывают дополнительные окна приема в запланированное время. Чтобы оконечное устройство могло открыть свое окно приема в запланированное время, оно принимает синхронизированный по времени маяк от шлюза. Это позволяет серверу знать, когда конечное устройство прослушивает.

Двунаправленные оконечные устройства с максимальным количеством слотов приема (класс C): оконечные устройства класса C имеют почти постоянно открытые окна приема, которые закрываются только во время передачи.

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.

Сравнение технологий LPWAN

В секторе Интернета вещей ведется активная деятельность по сравнению вариантов LPWAN как с технической точки зрения, так и с точки зрения бизнес-модели. Для сравнения различных технологий LPWAN необходимо ответить на следующие вопросы:

• Гибкость для работы с большим количеством приложений.
• Безопасен ли протокол связи?
• Технические аспекты - дальность действия, емкость, двусторонняя связь, устойчивость к вмешательству
• Стоимость развертывания сети, стоимость спецификации конечного узла, стоимость батареи.
• Доступность конечных продуктов для обеспечения рентабельности развертывания сети.
• Сила экосистемы для обеспечения качества и долговечности решения.

Компания Mikrotik одной из первых среди производителей сетевого оборудования, начала внедрять устройства с поддержкой протокола LoRaWAN в свой ассортимент. Они уже имеет целую линейку продуктов IoT, включая платы шлюза концентратора для технологии LoRa в форм-факторе mini PCIe R11e-LR8 и R11e-LR9 (для США, Канады, Мексики и т.д), антенну LoRa LoRa Antenna kit, точки доступа LtAP LR8 LTE kit (RBLtAP-2HnD&R11e-LTE&LR8) и wAP LR8 kit (RBwAPR-2nD&R11e-LR8), а также шлюз Интернета вещей KNOT (RB924i-2nD-BT5&BG77). 

Более детально об Интернете вещей и оборудовании Mikrotik  читайте в нашей статье Интернет вещей: LoRa устройства от Mikrotik.