Беглый взгляд на LoRaWAN

Ни для кого не секрет, что в настоящее время Интернет Вещей (IoT) является одной из самых перспективных и быстроразвивающихся технологий и эксперты сходятся во мнении, что у этой технологии большое будущее, которое внесет огромный вклад в развитие человечества.

IoT появилась с целью улучшения уровня жизни людей. Интернет вещей непосредственно связан с бытом, он позволяет расширить возможности экономии средств и повышения безопасности жизни. Главная цель потребительского Интернета вещей — создать комфортные условия для человека, а уже потом обеспечить экономию, снизить расходы. На базе IoT работают бытовые приборы, системы отопления и освещения, кондиционеры, дверные замки, видеонаблюдение, а также автоматические системы полива прилегающей территории.

Благодаря внедрению IoT расширяются возможности оптимизации энергопотребления. Все затраты можно проконтролировать и оптимизировать. Задача промышленного Интернета вещей ― рост производительности процессов предприятия за счет оптимизации энергопотребления. Технология IoT применяется в различных отраслях промышленности. В рамках этой технологии работу механизмов и систем на производстве постоянно отслеживают датчики, что позволяет эффективно управлять всеми процессами и моментально реагировать на различные ситуации.

Как показывают отчеты крупнейших аналитических агентств, объем мирового IoT-рынка в 2017 г. составил примерно 160–180 млрд. долл. Специалисты прогнозируют дальнейший рост мирового рынка ― до 1 трлн. долл. и выше к 2020 г. и до 4,3 трлн. долл. к концу 2024 г. При этом количество IoT устройств вырастет до 50 млрд. – это в первую очередь датчики.

Но разместить датчики на объектах недостаточно. Ценность представляют сами данные, которые этот датчик передает на сервер для обработки, анализа и принятия решений. А для этого необходимы недорогие и надежные каналы связи, которые способны собирать информацию от тысяч датчиков.

В течении многих лет огромный потенциал Интернета Вещей (IoT) сдерживался техническими проблемами, такими как малый срок службы устройств, работающих от батарей, короткой дальностью связи и высокой стоимостью.

Технология, получившая название LoRa (англ. Long Range) — это технология и одноименный метод модуляции, запатентованный компанией Semtech позволила преодолеть все эти препятствия. На основе новой спецификации и нового протокола LoRaWAN (Long Range wide-area networks), использующего нелицензируемый диапазон частот, технология LoRaWAN позволила подключать датчики на большие расстояния, предлагая при этом оптимальное время автономной работы датчиков и минимальные требования к инфраструктуре.

End-node являются конечными узлами сети (датчики или исполнительные устройства). Они способны обмениваться данными со шлюзом по радиоканалу.

Gate представляют собой многоканальные мультимодемные трансиверы, которые способны выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляции множества сигналов на одном и том же канале. Эти шлюзы используют иные радиочастотные компоненты, чем те, которые применяются в end-node для обеспечения высокой емкости сети. Шлюзы служат в качестве интерфейса в виде прозрачного моста для передачи сообщений между end-node и центральным сервером.

Server LoRaWAN сети принимает решение о скорости передачи данных между end-node, выделяет тайм-слоты для передачи(приема) информации каждой end-node, определяет мощность передатчика, выбор канала передачи и ее длительность, т.е. полностью контролирует сеть, отправляя управляющие сигналы на end-node через шлюзы. Так же он получает информацию от end-node и либо сам обрабатывает ее, либо передает посредством традиционных технологий (Ethernet, WiFi, GSM) на сервер приложений для ее дальнейшей обработки.

Сервер приложений обрабатывает полученные данные и выводит результат конечному пользователю. Если на сервере приложений есть информация для передачи к end-node, то сервер передает ее шлюзу, а тот, в свою очередь, по радиоканалу передает ее конечной точке.

Первое отличие – дальность связи. Даже в условиях плотной городской застройки дальность связи по LoRa достигает 3.5 – 4 км, а на открытой местности дальность связи достигает 10-15 км. Благодаря этому технология LoRa позволяет получить существенную экономию на расходах на установку и обслуживание базовых станций.

Такая дальность достигается тем, что сервер сети LoRaWAN может управлять мощностью сигнала end-node и скоростью передачи исходя из условий гарантированной доставки паркетов. Если условия прохождения сигнала неблагоприятыве (или end-node находится на значительном расстоянии), сервер может передать end-node инструкции увеличить мощность передатчика и понизить скорость передачи. И наоборот, при благоприятных условиях мощность может быть понижена, что благоприятно скажется на энергопотреблении и увеличить скорость передачи, чтобы устройство меньше времени занимало эфир. Такой подход позволяет принимать сигнал, уровень которого на 19,5 дБ ниже уровня помех или шумов притом, что для правильной демодуляции большинству систем, например, WiFi, нужна мощность сигнала как минимум на 8-10 дБ выше уровня шума. Этот иммунитет к помехам позволяет использовать простую и недорогую систему с LoRa в тех местах, где имеется тяжелая спектральная обстановка (как в любом современном мегаполисе) или в гибридных сетях связи. В этих случаях использование технологии LoRa позволяет расширить диапазон покрытия сети связи.

Второй заметной отличительной чертой LoRa является время автономной работы конечного устройства, т.е датчика. Достигается это возможностью включения энергосберегающего режима, когда устройство просыпается на очень непродолжительный период времени, передает данные в эфир и засыпает. Благодаря этому устройство может работать на батарейном питании до 10 лет, что сводит к минимуму расходы по его эксплуатации. Для этого конечные устройства настраиваются на один из трех сценариев связи со шлюзом и в зависимости от этого делятся на три класса:

End-node могут производить обмен как с одним, так и с несколькими шлюзами, узлы могут работать в двух режимах: точка-точка, когда обмен происходит между end-node и шлюзом (также вполне реализуем обмен только между двумя end-node без использования шлюзов и даже сервера) и в гибридном режиме, когда один из узлов подключен, с одной стороны, по радиоканалу к другим узлам, а с другой стороны, имеет проводное подключение к сети по TCP/IP и выступает в роли шлюза.

Третьей особенностью LoRaWAN сети является ее емкость. Один шлюз в состоянии принимать сигнал от тысяч end-node благодаря тому, что сеансы связи очень короткие. Этообстоятелтство позволяет быстро и недорого разворачивать сеть с минимальным количеством задействованного оборудования.

Причин несколько. Представим себе дом на 400 квартир, в каждом из которых стоит два водосчетчика и электросчетчик. Допустим, это современный дом, и каждый счетчик передает показания в Интернет.

Объем. На один жилой дом из 400 квартир придется 1200 счетчиков-пользователей. У них будет копеечный траффик, но если все они будут висеть, к примеру, на базовой станции LTE, то места для людей на этой базовой станции уже не останется. И это один дом. А ведь базовую станцию, обычно, ставят на микрорайон или даже больше.

Потребление. Если электросчетчику еще можно обеспечить питание, то тянуть кабель к водосчетчику не слишком удобно. Значит радиомодуль водосчетчика должен работать от батарейки. Но даже хорошую батарейку Wi-Fi и LTE съедят за несколько суток. Мы же хотим, чтобы менять элемент питания не приходилось минимум год.

Другие приоритеты. Нам не нужен канал связи в 5 мбит/c, чтобы раз в сутки передать, сколько кубов воды набежало по каждой квартире. Хватит считанных бит. Мы ограничены по мощности передатчика, надо чтобы он минимально расходовал батарейку. Значит, можно использовать правило «больше энергии в один бит – выше вероятность приема» таким образом, что канал связи на минимальной скорости и с минимальной мощностью гарантированно пройдет нужное расстояние. Даже если сигнал будет ниже уровня шума.

Есть. Но это не минусы, а, скорее, ограничения, вытекающие из специфики применения. Мы ведь помним, что LoRaWAN создавалась для получения данных с большого количества датчиков, размещенных на большой территории. Именно поэтому главное в LoRaWAN: дальность связи, энергоэффективность и максимально возможное число подключений.

Первое ограничение – скорость передачи. Она составляет до 50 кбит/с, но фактически составляет около 11кбит/с. Именно из-за низкой скорости передачи возможен прием в очень неблагоприятных условиях (большое расстояние до шлюза, зашумленность эфира и т.д.).

Второе ограничение – размер сообщения. Он составляет 256 байт. Это обусловлено тем, что специфика применения LoRaWAN сети предусматривает возможность получения шлюзом данных от тысяч устройств, а это накладывает ограничения на время нахождения устройства в эфире. Проще говоря, если мы хотим слушать данные от большого количества устройств, то каждое из них должно использовать эфир минимально возможное время. Именно поэтому время нахождения в эфире одного устройства ограничено 0.1%. Т.е. в течении часа устройство может занимать эфир не более чем на 3.6 секунды.

Как видно из приведенных ограничений, передавать потоковое видео по сети LoRaWAN не получится. Но это и не ее задачи.

А с безопасностью все отлично. Каждое устройство – end-node при подключении обменивается со шлюзом ключами шифрования. Причем ключ может быть как «прошит» в устройстве физически, так и передаваться на ноду при подключении. Сообщение шифруется нодой и при передаче, даже будучи перехваченным, расшифрованным быть не может. Так же исключается подмена сообщения.

Протокол LoRaWAN создавался именно для использования в сети устройств интернета вещей и при его создании разработчики старались учесть все нюансы этой технологии, делая упор на достижение главной цели: зона покрытия, уверенность приема, энергоэффективность, количество подключенных устройств, ради которых пришлось пойти и на некоторые ограничения: размер сообщения и скорость передачи, которые для обмена информацией с датчиками не являются приоритетными. Протокол LoRaWAN уже достаточно широко используется в целых семействах устройств IoT: от счетчиков воды, газа и электричество до систем управления освещением и контроля доступа. Но, в то же время, он не является единственным протоколом обмена данными для IoT устройств: отрасль достаточно молодая и многие стандарты еще только формируются. Задачи, которые стоят перед устройствами IoT очень разнообразны и скорее всего, не могут быть охвачены каким-то одним протоколом связи. Поэтому, без сомнения, протокол LoRaWAN найдет свое применение наряду с другими.