LoRaWANNu este un secret pentru nimeni că, în prezent, Internet of Things (Internetul lucrurilor, IoT) este una dintre tehnologiile cele mai promițătoare și care evoluează rapid iar experții afirmă că această tehnologie are un viitor mare care va aduce o contribuție semnificativă la dezvoltarea umanității.
IoT a apărut cu scopul de a îmbunătăți standardele de viață ale oamenilor. Internetul lucrurilor este direct legat de viață, permite să economisim bani și să îmbunătățim siguranța vieților. Scopul principal al IoT pentru consumatori este de a crea condiții confortabile pentru persoane, și numai după asta să ofere economii și să reducă costurile. Pe baza IoT lucrează aparatele de uz casnic, sistemele de încălzire și iluminare, aparatele de climatizare, lacătele ușilor, LoRaWANsupravegherii video, precum și sistemelele automate de irigare ale teritoriului adiacent.
Datorită introducerii tehnologiei Internetul lucrurilor, posibilitățile de optimizare a consumului de energie s-au extins. Toate costurile pot fi monitorizate și optimizate. Sarcina IoT industrial este de a spori productivitatea proceselor întreprinderii prin optimizarea consumului de energie. Tehnologia IoT este utilizată în diverse industrii. Ca parte a acestei tehnologii, activitatea mecanismelor și a sistemelor în producție este monitorizată constant de senzori, ceea ce permite gestionarea eficientă a proceselor și să răspundem instantaneu la diferite situații.
Potrivit rapoartelor celor mai mari agenții analitice, volumul pieței globale de IoT în 2017 s-a ridicat la aproximativ 160-180 miliarde de dolari. Experții prevăd o creștere a pieței mondiale de peste 1 trilion de dolari și până în 2020 și până la 4,3 miliarde dolari până la sfârșitul anului 2024. În același timp, numărul de dispozitive IoT va crește la 50 miliarde – iar acestea sunt în primul rând senzori.
Dar amplasarea senzorilor pe teritoriu nu este suficientă. Valoarea în sine o reprezintă datele pe care acești senzori le pot transmite serverului pentru procesare, analiză și luare a deciziilor. Și acest lucru necesită canale de comunicare ieftine și fiabile care să poată colecta informații de la mii de senzori.
Timp de mulți ani, potențialul enorm al Internetului Obiectelor (IoT) a fost constrâns de problemele tehnice, cum ar fi durata scurtă de viață a dispozitivelor alimentate cu baterii, distanța scurtă de comunicare și costul ridicat.
LoRaWANTehnologia, numită LoRa (Long Range) este o tehnologie și o metodă de modulare cu același nume, patentată de Semtech, care permite depășirea tuturor acestor obstacole. Bazându-se pe noua specificație și pe noul protocol LoRaWAN (Long Range Wide-Area networks), care utilizează o gamă de frecvențe nelicenționate, tehnologia LoRa permite conectarea senzorilor pe distanțe lungi, oferind în același timp o durată de funcționare optimă a bateriilor senzorilor și cerințe minime de infrastructură.

Cum funcționează toate acestea?

LoRaWAN

End-node sunt nodurile finale ale rețelei (senzori sau actuatori). Sunt capabili să comunice cu gateway-ul pe canalul radio.

LoRaWAN
LoRaWAN

Gate reprezintă transceivere multi-canale și multi-modem care sunt capabile să efectueze simultan demodularea mai multor canale și chiar demodularea simultană a mai multor semnale pe același canal. Aceste gateway-uri folosesc alte componente RF decât cele utilizate în End-node pentru a furniza rețele de mare capacitate. Porțile servesc ca o interfață sub forma unei punți transparente pentru transferul mesajelor între End-node și serverul central.
Serverul LoRaWAN rețeaua decide cu privire la rata de transfer a datelor între End-node, alocă sloturile de timp pentru transmiterea (primirea) de informații către fiecare nod de terminare, determină puterea emițătorului, alegerea canalului de transmisie și durata acesteia, adică controlează complet rețeaua prin trimiterea de semnale de control către End-node prin gateway-uri. De asemenea, primește informații de la End-node și fie procesează el însuși, fie îl transmite prin tehnologii tradiționale (Ethernet, WiFi, GSM) către server de aplicații pentru prelucrare ulterioară.
Server de aplicații procesează datele recepționate și transmite rezultatul utilizatorului final. Dacă serverul de aplicație are informații pentru transmiterea la End-node, atunci serverul îl transmite la gateway și, la rândul său, prin canalul radio către punctul final.

Și prin ce este specială această tehnologie?

Prima diferență – este distanța de comunicare. Chiar și în condițiile unei dezvoltări urbane dense, raza de comunicații a tehnologiei LoRa ajunge la 3,5-4 km, iar în zonele deschise, raza de comunicații ajunge la 10-15 km. Datorită acestui fapt, tehnologia LoRa oferă economii substanțiale pentru costurile de instalare și întreținere a stațiilor de bază.
Acest rezultat se datorează faptului că serverul de rețea LoRaWAN poate controla puterea semnalului nodului final și rata de transmisie în funcție de condițiile de livrare a pachetelor garantate. Dacă condițiile semnalului sunt nefavorabile (sau End-node se află la o distanță mare), serverul poate trimite instrucțiuni spre end-node pentru a crește puterea transmițătorului și a reduce rata de transmisie. În schimb, în ​​condiții favorabile, puterea poate fi redusă, ceea ce va avea un efect benefic asupra consumului de energie și va crește viteza de transmisie, astfel încât dispozitivul să ia mai puțin timp pentru a face transmisia. Această abordare vă permite să primiți un semnal nivelul căruia este cu 19,5 dB sub nivelul zgomotului sau al interferențelor, în timp ce pentru a demodula în mod corespunzător majoritatea sistemelor, cum ar fi WiFi, aveți nevoie de o putere de semnal de cel puțin 8-10 dB peste nivelul de zgomot. Această imunitate la interferențe vă permite să utilizați un sistem simplu și ieftin cu LoRa în locuri în care există o situație spectrală gravă (ca în orice metropolă modernă) sau în rețele de comunicații hibride. În aceste cazuri, utilizarea tehnologiei LoRa vă permite să extindeți acoperirea rețelei de comunicații.
Al doilea caracter distinctiv notabil al LoRa este durata de viață a bateriei dispozitivului final, adică senzorul. Acest lucru se realizează prin posibilitatea de a porni modul de economisire a energiei, când dispozitivul iese din modul ”sleep” pentru o perioadă foarte scurtă de timp, transmite datele și revine în modul ”sleep”. Datorită acestui fapt, dispozitivul poate funcționa pe o baterie de până la 10 ani, ceea ce minimizează costul funcționării acestuia. Pentru a face acest lucru, dispozitivele terminale sunt configurate în unul din cele trei scenarii de comunicare cu gateway-ul și, în funcție de acestea, sunt împărțite în trei clase:
  • Clasa A. Acest dispozitiv se află în cea mai mare parte a timpului în modul ”sleep”. În acest moment nu este disponibil pentru server. Dacă mesajele apar pe server pentru un dispozitiv de clasă A, atunci acestea se acumulează în memorie. Dacă este necesar să transferați date către server, dispozitivul iese din modul de repaus și transmite date către gateway. După terminarea transferului, dispozitivul intră în modul de primire a datelor pentru o perioadă scurtă de timp. În acest moment, serverul poate transmite către dispozitiv, dacă este cazul, mesajele acumulate pentru acesta. După terminarea modului de recepție a datelor, dispozitivul intră din nou în modul de hibernare. Un astfel de scenariu este cel mai economic și astfel de dispozitive pot funcționa pe baterii de la 5 la 10 ani.
  • Clasa B. End-node include un receptor conform unui program specificat de server. Serverul trimite mesaje de tip nod în funcție de program. Inițiatorul schimbului poate fi serverul rețelei LoRaWAN. Dispozitivele (end-node) din această clasă sincronizează timpul intern cu timpul din rețea folosind semnalizatoare pe care le primesc periodic de la gateway. End-node din această clasă au o întârziere de timp relativ mică în schimbul de date și deschid o fereastră de timp de recepție mai largă, comparativ cu clasa A. End-node din clasa B au, de asemenea, toate capabilitățile dispozitivelor end-node din clasa A.
  • Clasa C. La end-node al acestei clase, fereastra de recepție este deschisă în mod constant și se închide numai pentru o perioadă de transfer de date pe termen scurt. Serverul poate să inițieze schimbul în orice moment și să trimită mesajele din end-node imediat ce apar. Această clasă de dispozitive end-node primește date de la serverul de rețea LoRaWAN cu cea mai mică latență. Dispozitivele de clasă C end-node au toate capacitățile dispozitivelor din clasa A și B. Aceste dispozitive, din punctul de vedere al consumului de energie, sunt cele mai „lacome” și, de regulă, sunt prevăzute cu o sursă de energie externă constantă, dar, pe de altă parte, oferă o posibilitate constantă de schimb de date.
End-node pot schimba date atât cu unul, cât și cu mai multe gateway-uri, nodurile pot funcționa în două moduri: punct-la-punct atunci când schimbul are loc între End-node și gateway (realizabil, de asemenea, și schimbul între două end-node fără a utiliza gateway- și chiar și serverul) și în modul hibrid, atunci când unul dintre noduri este conectat, pe de o parte, prin radio la alte noduri și, pe de altă parte, are o conexiune prin cablu la rețea prin TCP/IP și acționează ca un gateway.
A treia caracteristică a rețelei LoRaWAN este capacitatea de stocare al acesteia. Un gateway este capabil să primească un semnal de la mii de end-node, datorită faptului că sesiunile de comunicare sunt foarte scurte. Această posibilitate vă permite să implementați rapid și ieftin o rețea cu un număr minim de echipamente implicate.

De ce nu WiFi sau LTE?

Există mai multe motive. Imaginați-vă o casă cu 400 de apartamente, fiecare având două contoare de apă și un contor electric. Să presupunem că aceasta este o casă modernă, iar fiecare contor transmite informații prin Internet.
Volum. O clădire rezidențială de 400 de apartamente va avea 1200 de contoare-user. Ei vor avea o mulțime de trafic, și dacă aceștia, de exemplu, sunt conectați la o stație de bază LTE, atunci nu va mai fi loc pentru oameni să se conecteze la această stație de bază. Și aceasta este o casă. Dar stația de bază este, de obicei, pusă pe cartier sau chiar mai mult.
Consum. Dacă contorul pentru electricitate poate fi conectat la energie, să trageți cablul la contorul de apă nu este prea convenabil. Deci, modulul radio al contorului de apă radio trebuie să funcționeze pe baterii. Dar chiar și o foarte bună baterie va fi consumată în câteva zile de Wi-Fi și LTE. Dar noi vrem să nu schimbăm bateria cel puțin un an.
Alte priorități. Nu avem nevoie de un canal de comunicație de 5 Mb/s pentru a transmite o dată pe zi câte cuburi de apă au trecut prin fiecare apartament. Destul vor fi câțiva biți. Suntem limitați de puterea transmițătorului, este necesar ca el să consume minim bateria. Deci, putem folosi regula „mai multă energie într-un bit – probabilitate mai mare de recepție”, astfel încât canalul de comunicație la viteza minimă și cu puterea minimă să fie garantat să se deplaseze la distanța necesară. Chiar dacă semnalul va fi mai mic de nivelul de zgomot.

Limitările LoRaWAN

LoRaWAN a fost creat pentru a obține date de la un număr mare de senzori situați într-o zonă vastă. Anume de asta principalele avantaje ale LoRaWAN sunt: distanța de comunicare, eficiența energetică și un număr maxim posibil de conexiuni.
Prima limitare este rata de transfer. Este de până la 50 kbps, dar de fapt este de aproximativ 11 kbps. Din cauza ratei scăzute de transmisie, recepția este posibilă în condiții foarte nefavorabile (distanțe lungi față de gateway, interferențe în transmisie etc.).
A doua limită este mărimea mesajului. Este de 256 octeți. Acest lucru se datorează faptului că specificul utilizării rețelei LoRaWAN permite gateway-ului să primească date de la mii de dispozitive și acest lucru impune restricții asupra timpului în care aparatul este în transmisie. Pur și simplu, dacă vrem să analizăm datele dintr-un număr mare de dispozitive, fiecare dintre ele ar trebui să folosească transmisia pentru cel mai scurt timp posibil, deoarece în timp ce dispozitivul transmite, canalul de comunicare nu este disponibil pentru alte dispozitive. Acesta este motivul pentru care timpul petrecut în transmisie a unui dispozitiv este limitat la 0,1%, în decurs de o oră, dispozitivul poate prelua transmisia pentru mai puțin de 3,6 secunde.
Așa cum se poate observa din limitările de mai sus, streaming video prin rețeaua LoRaWAN nu va funcționa. Dar asta nici nu este sarcina ei.

Dar securitatea?

Cu securitatea este totul bine. Fiecare dispozitiv – end-node când este conectat schimbă cheile de criptare cu gateway-ul. Mai mult, cheia poate fi „mișcată” fizic în dispozitiv sau transmisă la nod atunci când este conectată. Mesajul este criptat de către nod și în timpul transmiterii, chiar și atunci când este interceptat, nu poate fi decriptat. Deasemenea, înlocuirea mesajului este exclusă.

Concluzii

Protocolul LoRaWAN a fost creat special pentru utilizarea în rețeaua de dispozitive IoT, iar când a fost creat, dezvoltatorii au încercat să țină seama de toate nuanțele acestei tehnologii, concentrându-se asupra atingerii obiectivului principal: acoperire, calitatea de recepție, eficiență energetică, număr de dispozitive conectate pentru care era necesar să meargă pentru anumite limitări : dimensiunea mesajului și rata de transmisie, care nu sunt prioritizate pentru schimbul de informații cu senzorii. Protocolul LoRaWAN este deja utilizat pe scară largă în întreaga familie de dispozitive IoT: de la contoarele de apă, gaz și electricitate până la sistemele de control al iluminării și controlul accesului. Dar, în același timp, nu este singurul protocol de schimb de date pentru dispozitivele IoT: industria este destul de tânără și multe standarde sunt încă în curs de formare. Sarcinile cu care se confruntă dispozitivele IoT sunt foarte diverse și, cel mai probabil, nu pot fi acoperite doar de un singur protocol de comunicare. Fără îndoială, protocolul LoRaWAN va găsi aplicare acestuia împreună cu alte protocoale.