LoRaWAN

З активним використанням Інтернету речей з'являється все більша потреба в енергоефективних мережах. Багато програм Інтернету речей вимагають, щоб дані збиралися і відправлялися на великі відстані, причому датчики іноді знаходяться на відстані кількох кілометрів один від одного. Крім того, для розгортання Інтернету речей, можуть знадобитися пристрої для періодичної передачі невеликих пакетів інформації протягом багатьох років або навіть десятиліть на одному заряді батареї. Для забезпечення таких мереж з'явилася технологія LPWAN – енергоефективна мережа далекого радіусу дії. Передбачається, що глобальні мережі з низьким енергоспоживанням (LPWAN) підтримуватимуть більшу частину мільярдів пристроїв, які прогнозуються для Інтернету речей (IoT) . LPWAN мережа може базуватися на одній із технологій LoRaWAN, SIGFOX, NB-IoT, Weightless P тощо.

Термін LoRaWAN означає протокол зв'язку та системну архітектуру мережі, а фізичний рівень LoRa - модуляція, що забезпечує зв'язок на велику відстань. Саме LoRaWAN найбільше впливає на термін служби батареї вузла, ємність мережі, якість обслуговування, безпеку та різноманітність додатків, які обслуговує мережу.

Мережева архітектура

Більшість розгорнутих мереж використовують архітектуру mesh мережі. В ній окремі кінцеві вузли пересилають інформацію інших вузлів, щоб збільшити дальність зв'язку та розмір мережі мережі. Так, це збільшить діапазон, але додасть складності, знизить ємність мережі і скоротить термін служби батареї, оскільки вузли отримують і пересилають інформацію від інших вузлів, яка, ймовірно, для них не має стосунку. Архітектура типу зірка має найбільше значення для продовження терміну служби батареї, коли може бути досягнуто зв'язок з великим радіусом дії.

У мережі LoRaWAN вузли не зв'язуються із певним шлюзом. Дані, які передає вузол зазвичай приймають кілька шлюзів. Кожен із них пересилає отриманий пакет на сервер хмарної мережі через стільникову мережу, мережу Ethernet, супутниковий сигнал або Wi-Fi. Інтелект і складність залишаються за мережним сервером, що керує мережею і фільтруватиме надлишкові отримані пакети, виконувати перевірки безпеки, планувати підтвердження через оптимальний шлюз та виконувати адаптивну швидкість передачі даних тощо. буд. Якщо вузол є мобільним або переміщається, передача обслуговування від шлюзу до шлюзу не потрібна, що є важливою функцією для включення програм відстеження активів – основної цільової вертикалі програм для Інтернету речей.

Строк служби батареї

Вузли в мережі LoRaWAN є асинхронними та обмінюються інформацією, коли у них є дані, готові до відправки, чи то події, чи заплановані. Цей тип протоколу зазвичай називають методом Aloha - метод випадкового множинного доступу. У ніздрюватій мережі або в синхронній мережі, такій як стільниковий зв'язок, вузли часто повинні «прокидатися» для синхронізації з мережею та перевірки повідомлень. Ця синхронізація споживає значну кількість енергії та є драйвером номер один для скорочення терміну служби батареї. У недавньому дослідженні та порівнянні, проведеному GSMA, різних технологій, спрямованих на простір LPWAN, LoRaWAN показав перевагу у 3-5 разів у порівнянні з усіма іншими варіантами технологій.

Місткість мережі

Щоб зробити мережу типу "зірка" на великі відстані життєздатною, шлюз повинен мати дуже високу пропускну здатність або здатність приймати повідомлення від великої кількості вузлів. Висока пропускна здатність мережі LoRaWAN досягається за рахунок використання адаптивної швидкості передачі даних та багатоканального мульти-модемного приймача в шлюзі, що дозволяє приймати одночасні повідомлення по кількох каналах.

Найважливішими чинниками, що впливають пропускну здатність, є кількість паралельних каналів, швидкість передачі даних (час в ефірі), довжина корисного навантаження і частота передачі вузлів. Оскільки LoRa є модуляцією на основі розширеного спектру, сигнали практично ортогональні один одному, коли використовуються різні коефіцієнти розширення. У міру зміни коефіцієнта розширення змінюється ефективна швидкість передачі даних. Шлюз використовує цю властивість, маючи можливість одночасно приймати кілька різних швидкостей передачі даних по тому самому каналу.

Якщо вузол має гарне з'єднання і знаходиться близько до шлюзу, він не має причин завжди використовувати найнижчу швидкість передачі даних і заповнювати доступний спектр довше, ніж це необхідно. При підвищенні швидкості передачі час перебування в ефірі скорочується, відкриваючи більше потенційного простору для передачі іншими вузлами.

Адаптивна швидкість передачі даних також оптимізує термін служби акумулятора вузла. Щоб забезпечити роботу адаптивної швидкості передачі даних, потрібні симетричні висхідні та низхідні канали з достатньою пропускною здатністю низхідного каналу. Ці функції дозволяють мережі LoRaWAN мати дуже високу пропускну здатність і робити її масштабованою.

Мережа може бути розгорнута з мінімальним обсягом інфраструктури, а за потреби ємності можна додати більше шлюзів, збільшивши швидкість передачі даних, зменшивши кількість підслуховувань для інших шлюзів та збільшивши ємність у 6-8 разів. Інші альтернативи LPWAN не мають масштабованості LoRaWAN через технологічні компроміси, які обмежують пропускну здатність низхідного каналу або роблять діапазон низхідного каналу асиметричним діапазону висхідного каналу.

Класи пристроїв - не всі вузли однакові

Кінцеві пристрої обслуговують різні програми та мають різні вимоги. Щоб оптимізувати різні профілі кінцевих програм, LoRaWAN використовує різні класи пристроїв. Класи пристроїв мають компроміс між затримкою передачі даних по низхідній лінії зв'язку та терміном служби батареї. У додатку типу управління або виконавчого механізму затримка передачі по низхідній лінії зв'язку є важливим фактором.

Двонаправлені кінцеві пристрої (клас A): кінцеві пристрої класу A дозволяють здійснювати двоспрямований зв'язок, при якій передача кожного кінцевого пристрою по лінії висхідної зв'язку супроводжується двома короткими вікнами прийому по низхідній лінії зв'язку. Слот передачі, запланований кінцевим пристроєм, заснований на власних комунікаційних потребах з невеликими варіаціями на основі випадкового часу (протокол типу ALOHA). Ця операція класу A являє собою систему кінцевих пристроїв з найменшим енергоспоживанням для додатків, яким потрібний зв'язок із сервером тільки по низхідній лінії зв'язку незабаром після того, як кінцевий пристрій надіслав передачу висхідної лінії зв'язку. Зв'язок по низхідному каналу із сервера у будь-який інший час повинен буде дочекатися наступного запланованого висхідного каналу.

Двонаправлені кінцеві пристрої із запланованими слотами прийому (клас B): на додаток до вікон випадкового прийому класу A пристрої класу B відкривають додаткові вікна прийому у запланований час. Щоб кінцевий пристрій міг відкрити своє вікно прийому запланований час, воно приймає синхронізований за часом маяк від шлюзу. Це дозволяє серверу знати, коли прослуховує кінцевий пристрій.

Двонаправлені кінцеві пристрої з максимальною кількістю слотів прийому (клас C): кінцеві пристрої класу C мають майже постійно відкриті вікна прийому, які закриваються лише під час передачі.

Безпека

Для будь-якого LPWAN надзвичайно важливо забезпечити безпеку. LoRaWAN використовує два рівні безпеки: один для мережі та один для програми. Безпека мережі забезпечує автентифікацію вузла в мережі, а прикладний рівень безпеки гарантує, що мережевий оператор не має доступу до даних програми кінцевого користувача. Шифрування AES використовується для обміну ключами за допомогою ідентифікатора IEEE EUI64.