LoRaWAN

Nu reprezintă o taină pentru nimeni faptul că, în prezent, Internet of Things (Internetul lucrurilor, IoT) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii, care evoluează rapid, iar experții afirmă că această tehnologie are un viitor care va aduce o contribuție semnificativă la dezvoltarea omenirii.

IoT a apărut cu scopul de a îmbunătăți nivelul de viață ale oamenilor. Internetul lucrurilor este direct legat de viața de zi cu zi, acesta permite economisirea banilor și să creșterea nivelul de siguranță a vieții. Scopul principal al IoT pentru consumatori este de a crea condiții confortabile pentru persoane, și numai după aceasta să ofere economii și să reducă costurile. Pe baza IoT lucrează aparatele de uz casnic, sistemele de încălzire și iluminare, aparatele de aer condiționat, lacătele ușilor,

sistemele de supraveghere video, precum și sistemelele automate de irigare a teritoriilor adiacente.

Datorită introducerii tehnologiei „Internetul lucrurilor”, posibilitățile de optimizare a consumului de energie s-au extins. Toate costurile pot fi monitorizate și optimizate. Sarcina IoT de tip 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 reacționarea instantanee 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 evetuală a pieței mondiale de pînă la 1 trilion de dolari sau mai mult până în 2020, și ulterior până la 4,3 trilioane dolari până la sfârșitul anului 2024. În același timp, numărul de dispozitive IoT va atinge pînă la 50 miliarde unități – acestea fiind în primul rând senzori.

Însă, doar amplasarea senzorilor pe teritoriu nu este suficientă. Valoarea în sine o dețin datele pe care acești senzori le transmit serverului pentru procesare, analiză și luare a deciziilor. 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 bateriilor ce alimentau dispozitivele, distanța scurtă de comunicare și costul ridicat.

Tehnologia, 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 nelicențiate, tehnologia LoRa permite conectarea senzorilor pe distanțe mari, oferind în același timp o durată optimă de funcționare a bateriilor senzorilor și cerințe minime de infrastructură.

Cum funcționează toate acestea?

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

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 rețelei LoRaWAN decide cu privire la rata de transfer a datelor între End-node, alocă sloturile de timp pentru transmiterea (primirea) de informații către fiecare End-node, determină puterea emițătorului, alegerea canalului de transmisie și durata acestuia, 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 transmite informația prin tehnologii tradiționale (Ethernet, WiFi, GSM) către serverul de aplicații pentru prelucrare ulterioară.

Server de aplicații procesează datele recepționate și transmite rezultatul utilizatorului final. Dacă serverul de aplicații are o informație pentru transmitere la End-node, atunci serverul o transmite la gateway și, aceasta la rândul său, prin canalul radio transmite informația către punctul final al acesteia.

Prin ce este deosebită această tehnologie?

Prima deosebire – este distanța de comunicare. Chiar și în condițiile unei dezvoltări urbane dense, raza de comunicare a tehnologiei LoRa atinge 3,5-4 km, iar în zonele deschise, raza de comunicare ajunge pînă 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 rețelei LoRaWAN poate gestiona 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 permite receptarea unui 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, este nevoie de o putere de semnal de cel puțin 8-10 dB peste nivelul de zgomot. Această imunitate la interferențe permite utilizarea unui 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 permite extinderea acoperirii rețelei de comunicații.

Al doilea caracter distinctiv notabil al LoRa este durata de viață a bateriei dispozitivului final, adică a senzorului. Acest lucru este realizat prin posibilitatea de a porni modul de economisire a energiei, care funcționează astfel: 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 singură baterie până la 10 ani, ceea ce minimizează costurile de mentenanță a 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”. La moment acesta 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 transferul datelor către server, dispozitivul iese din modul de repaus și transmite datele 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 o baterie de la 5 la 10 ani.
Clasa B. End-node aprinde receptorul conform unui program specificat de server. Serverul trimite mesajele către end-node 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 capacitățile dispozitivelor end-node din clasa A.
Clasa C. Fereastra de recepție la dispozitivele din această clasă, este deschisă în mod constant și se închide numai pentru perioada scurtă de transfer a datelor. Serverul poate să inițieze schimbul în orice moment și să trimită mesajele imediat ce apar către end-node. Această clasă de dispozitive end-node primește date de la serverul de rețea LoRaWAN cu cea mai mică latență. Dispozitivele end-node din clasa C, au toate capacitățile dispozitivelor din clasa A și B. Aceste dispozitive, din punct de vedere al consumului de energie, sunt cele mai „lacome” și, de regulă, sunt prevăzute cu o sursă constantă de energie externă , 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-ul sau 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 a 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 permite implementarea rapidă și ieftină a unei rețele 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. Presupunem că aceasta este o casă modernă, iar fiecare contor transmite indicatorii prin Internet.

Volum. O clădire rezidențială de 400 de apartamente va avea 1200 de contoare-user. Acestea vor genera un trafic minimal, dar dacă acestea, de exemplu, vor fi conectate la o stație de bază LTE, atunci nu va mai rămîne loc liber pentru ca alți 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, tragerea cablului la contorul de apă nu este prea convenabilă. 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 acesta să consume la 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 garantat va deplasa informația la distanța necesară, chiar dacă semnalul va fi mai mic de nivelul de zgomot.

Posedă oare LoRaWAN puncte slabe?

Posedă. Dar acestea nu sunt puncte slabe în adevăratul sens al cuvântului, ci mai mult limitări aferente specificului utilizării. Din cele expuse mai sus, cunoaștem că LoRaWAN a fost creat pentru a obține date de la un număr mare de senzori situați într-o zonă vastă. Anume datorită acesteia 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 limitare 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, adică dispozitivul poate prelua transmisia pentru mai puțin de 3,6 secunde.

Așa cum se poate observa din limitările de mai sus, efectuarea a video streaming prin rețeaua LoRaWAN este imposibilă. Dar asta nici nu este sarcina ei.

Dar securitatea?

Cu securitatea totul este bine. Fiecare dispozitiv – end-node când este conectat schimbă cheile de criptare cu gateway-ul. Mai mult, cheia poate fi „flash-uită” 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 imposibilă.

Concluzii

Protocolul LoRaWAN a fost creat special pentru utilizarea în rețeaua de dispozitive IoT, iar când a fost creat, proiectanții 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 a fost necesară recurgerea la 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 a 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 elaborare. 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 își va găsi aplicare împreună cu alte protocoale.