Lorawan технология: LoraWAN – что такое и как работает

LoraWAN – что такое и как работает

LoraWAN  – это технология передачи данных для Интернета вещей IoT. Принцип действия заключается в том, что «умные» smart-датчики в онлайн-режиме осуществляют мониторинг показателей, анализируют их и передают данные на сервер. Через приложение данные с датчиков отображаются на мониторе. В целом система способна самостоятельно оценивать сотни показателей, что позволяет, к примеру, разгрузить человека на производстве. Неквалифицированные рутинные операции теперь спокойно можно доверить машине, оставив сотрудникам больше времени для интеллектуальной работы.

Все датчики работают автономно без электросети до 10 лет без проводов. Это особенно актуально для объектов, на которых нет электричества, а также там, где электричество может являться источником потенциальной опасности – возгорания. Отсутствие проводов также делает процесс внедрения технологии максимально простым и удобным. При этом стоимость остается доступной для массового применения

Как работает технология LoraWAN

Базовая станция сети —  шлюз — «слушает» эфир на частотах датчиков. Когда от какого-то сенсоры она «слышит» сигнал, то отправляет его на сервер. При этом шлюз не обрабатывает информацию. Он служит «перевалочным» пунктом на пути к серверу.

Сервер необходим для передачи данных, управлением устройств и приборов, которые подключены к датчикам. Если датчик сработал, когда концентрация пыли в воздухе возросла или изменилась влажность в помещении, сервер отправит приказ включить вытяжку или запустит отопление.

В технологии есть еще одно звено — серверы приложений. Это компьютеры, планшеты, смартфоны и ноутбуки. Они переводят информацию от датчиков в понятный вид — цифры, графические схемы и текстовые сообщения. Серверами приложений управляют сотрудники компании или предприятия.

Почему для «умного» офиса, магазина или производства подходит технология LoraWAN

Потребляет меньше энергии

Сети Wi-Fi и 4G дороже эксплуатировать, так как они потребляют больше энергии. Такие беспроводные каналы связи рассчитаны на передачу большого объема данных, например, фото или видео. LoraWAN энергии требуется меньше, так как с датчиков поступает небольшой объем данных. Также датчики передают сообщения по сети не постоянно, а только если сработало какое-то условие.

Например, для ЖКХ условие сработает, если многоквартирный дом потребит воды больше суточной нормы. Датчик в подвале дома зафиксирует это событие и передаст на компьютер сотрудника ЖКХ. Такая передача может произойти не чаще, чем раз в сутки. Это очень небольшой объем информации, и мощные беспроводные сети для этого не к чему. С задачей справится LoraWAN.

Подключает больше устройств

Количество устройств и приборов, которые можно подключать к LoraWAN, достегает несколько десятков тысяч. Ни одна другая сеть не выдержит такого количества подключений без потери скорости передачи данных.

Продлевает срок жизни батареи

Чтобы датчики работали, их необходимо подключить к источнику питания. Если «умные» электросчетчики еще можно подключить к электросети, то к счетчику воды кабель не протянешь. В таких ситуациях питание происходит от батарейки или внутреннего аккумулятора.

Если устройства с внутренним элементом питания подключены к Wi-Fi, 4G или LTE, то они периодически включаются и обмениваются данными. Это нужно, чтобы проверить, не пропал ли сигнал связи, стабильное ли подключение. Такие периодические проверки приводят к тому, что внутренняя батарейка или аккумулятор быстрее расходуются.

Если же устройства обмениваются данными через LoraWAN, они подключаются к сети, только если им есть что передать: например, информацию о поломке станка или об опустевшей полке магазина. Это позволяет продлевать жизнь внутренних элементов питания и тратить меньше денег на их замену.

Не ощущает помех в городской среде

Сигналы, поступающие от датчиков и устройств через LoraWAN, не глушатся сигналами других сетей, кирпичными и шиферными перекрытиями. А еще на сеть не оказывает влияние дождь, метель или ветер. Можно получать информацию от датчиков в любых городских условиях.

Где применяется сеть LoraWAN

Так как сеть работает с небольшой скорость, к ней не подключишь видеокамеры или звукозаписывающие устройства. Зато можно подключить датчики движения, освещения, движения или температуры. А также другие относительно простые устройства: станки, светофоры, вытяжки и прочее.

Рассмотрим, для чего еще можно использовать сеть..

Для контроля положения транспорта

Сеть имеет хорошую дальность, поэтому подходит, чтобы отслеживать, где находится транспорт или в каком направлении он движется.

Для городской среды

«Умные» городские устройства, такие как мусорные баки, уведомляют коммунальные службы о необходимости вывоза отходов. А уличные таблоиды помогают туристам ориентироваться в городе: сообщают о местонахождении, передают координаты на смартфон и вызывают такси.

Для экологии

Сенсоры собирают данные о количестве угарного газа в атмосфере, примесях, температуре и давлении и передают в службы мониторинга. Развернуть экологическую станцию с LoraWAN стоит дешевле, чем станции постоянного мониторинга.

Для сельского  хозяйства

Датчики могут сообщать, сколько воды находится в почве или измерять количество минералов. Это позволяет экономить на поливе и правильно вносить удобрения.

Для логистики

Если на складских помещениях разместить датчики, можно получать информацию, какой товар в избытке, а какой — в дефиците, нарушены ли условиях хранения.

Технология LoRa / Хабр

В данном цикле статей мы хотим познакомить хабрасообщество с опытом компании RTL-Service в изучении беспроводной технологии LoRa. На наш взгляд, данная технология обладает рядом особенностей, которые делают её очень интересной для решения определенного круга задач.

Мы рассмотрим историю появления технологии, то как она позиционируется, типовую архитектуру LoRaWAN сетей. Далее перейдём к детальному рассмотрению физических особенностей её реализации. И, наконец, нашему опыту работы с двумя реализациями трансиверов от Semtech и Microchip.

История появления технологии LoRa.

В начале 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research представили новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций, разбавив затишье на рынке беспроводных технологий.

Технология LoRa появилась на свет под эгидой некоммерческой организации LoRa Alliance, основанной такими компаниями, как IBM, Semtech, Cisco и др., с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN — от англ. Low Power Wide Area Network).

Собственно, аббревиатура LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN, разработанный Semtech, и открытый протокол LoRaWAN.

Разработчики LoRa Alliance позиционируют LoRa как технологию, имеющую значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.

Диапазон применений данной технологии огромен: от домашней автоматизации и интернета вещей (Internet of Things, IoT) до промышленности и умных городов.

Архитектура LoRaWAN сетей.

Рассмотрим архитектуру LoRaWAN сетей. Типичная сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов: конечные узлы, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений.
Конечный узел (End Node) предназначен для осуществления управляющих или измерительных функций. Он содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
Шлюз LoRa (Gateway/Concentrator) — устройство, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть. В качестве такой сети могут выступать Ethernet, WiFi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно данное устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.
Сетевой сервер (Network Server) предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных.
Сервер приложений (Application Server) может удаленно контролировать работу конечных узлов и собирать необходимые данные с них.

Рис. 1 Архитектура LoRaWAN сети.

В конечном итоге, LoRaWAN сеть имеет топологию звезда из звёзд, имеет конечные узлы, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером сети. При таком подходе обычно предполагается, что шлюзами и центральным сервером владеет оператор сети, а конечными узлами – абоненты. Абоненты имеют возможность прозрачной двунаправленной и защищенной передачи данных до конечных узлов.

Т.к. LoRaWAN образуют глобальную сеть, то разработчики уделили особое внимание безопасности и конфиденциальности передаваемых данных, которые обеспечиваются шифрованием AES на нескольких уровнях:

• На сетевом уровне с использованием уникального ключа сети (Unique Network key, EUI64).

• Сквозную безопасность на уровне приложений с помощью уникального ключа приложения (Unique Application key, EUI64).

• И специального ключа устройства (Device specific key, EUI128).

Для решения различных задач и применений в сети LoRaWAN предусмотрено три класса устройств:

Рис. 2 Классы устройств в сетях LoRaWAN.

1. Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Устройства этого класса применяются, когда необходима минимальная потребляемая мощность при преобладании передачи данных к серверу. В качестве инициатора сеанса связи выступает конечный узел, отправляя пакет с необходимыми данными, а затем выделяет два окна, в течении которых ждёт данных от сервера. Таким образом, передача данных от сервера возможна только после выхода на связь конечного устройства.
2. Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Основное отличие от устройств «класса А» заключается в выделении дополнительного окна приёма, которое устройство открывает по расписанию. Для составления расписания конечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Благодаря этому дополнительному окну сервер имеет возможность начать передачу данных в заранее известное время.
3. Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Устройства этого класса имеют почти непрерывное окно приёма данных и закрывает его лишь на время передачи данных, что позволяет их применять для решения задач, требующих получения большого объёма данных.

Итого, LoRaWAN позволяет строить глобальные распределённые беспроводные сети с большим числом конечных узлов. По заявлениям Semtech, один LoRa-шлюз допускает обслуживание до пяти тысяч конечных устройств, что достигается за счёт:

• Топологии сети.
• Адаптивной скорости передачи данных и адаптивной выходной мощности устройств, задаваемых сетевым сервером.
• Временным разделением доступа к среде.
• Частотным разделением каналов.
• Особенностью LoRa-модуляции, позволяющей в одном частотном канале одновременно демодулировать сигналы, передаваемые на разных скоростях.

Заключение.

В следующей статье мы попытаемся заглянуть под капот технологии LoRa, а именно, рассмотрим применяемый в ней тип модуляции и его основные параметры, методы кодирования данных. В общем, всё то, что делает эту технологию уникальной и конкурентоспособной.
Авторы: Фёдоров Александр, Пушкарёв Виктор.

LoRaWAN — Определение

LoRa

LoRa — это метод радиомодуляции, который, по сути, представляет собой способ манипулирования радиоволнами для кодирования информации с использованием мультисимвольного формата чирпа (технология расширения спектра чирпа). Термин LoRa также может относиться к системам, поддерживающим этот метод модуляции, или к коммуникационной сети, которую используют приложения IoT.

Основными преимуществами LoRa являются его дальность действия и доступность. Типичный вариант использования LoRa — в умных городах, где маломощные и недорогие устройства Интернета вещей (обычно датчики или мониторы), разбросанные по большой территории, время от времени отправляют небольшие пакеты данных центральному администратору.

Коэффициент расширения (SF)

В технологии расширения спектра ЛЧМ используются так называемые «чирпы», которые представляют собой сигналы с частотой, которая перемещается вверх или вниз (чирп вверх или вниз соответственно) с разной скоростью. Коэффициент расширения (SF) определяет скорость щебета.

Высокий SF означает, что вещание имеет большую дальность и проникновение за счет повышенного энергопотребления. Меньший SF быстрее и передает больше данных при той же полосе пропускания и времени.

Глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWAN)

Глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWAN) — это тип беспроводной телекоммуникационной сети, которая позволяет подключенным устройствам иметь возможности связи на большие расстояния при низкой скорости передачи данных. LPWAN обычно используются для мониторинга и управления активами в умных городах и развертываниях промышленного Интернета вещей. Это отличается от беспроводных глобальных сетей (обычно используемых крупными корпоративными организациями), которые передают больше данных и потребляют больше энергии. Примерами технологии LPWAN являются Lora/LoraWAN, Sigfox, MIoTy, Wi-SUN, LTE-M и NB-IOT.

Технология LPWAN имеет рабочий диапазон до десяти километров, а поскольку это относительно простой и легкий протокол, устройства и оборудование относительно недороги. Приемопередатчики (небольшие устройства с батарейным питанием) также потребляют мало энергии, что позволяет им работать до двадцати лет.

LoRaWAN

LoRaWAN — это маломощный протокол глобальной сети, основанный на технологии радиомодуляции LoRa. Он обеспечивает беспроводное подключение устройств к Интернету и управляет связью между конечными устройствами и сетевыми шлюзами. Использование LoRaWAN в промышленных помещениях и умных городах растет, потому что это доступный протокол двунаправленной связи на большие расстояния с очень низким энергопотреблением — устройства могут работать в течение десяти лет от небольшой батареи. Он использует нелицензированные радиодиапазоны ISM (промышленный, научный, медицинский) для развертывания сети.

Конечное устройство может подключиться к сети LoRaWAN двумя способами:

• Беспроводная активация (OTAA): Устройство должно установить сетевой ключ и ключ сеанса приложения для подключения к сети.
• Активация с помощью персонализации (ABP): устройство жестко закодировано с ключами, необходимыми для связи с сетью, что делает подключение менее безопасным, но более простым.

Что такое Спецификация LoRaWAN® — LoRa Alliance®

Спецификация LoRaWAN ^® представляет собой сетевой протокол с низким энергопотреблением и глобальной сетью (LPWA), разработанный для беспроводного подключения «вещей» с батарейным питанием к Интернету в региональных, национальных или глобальных сетях и ориентированный на ключевые аспекты Интернета вещей (IoT). требования, такие как двусторонняя связь, сквозная безопасность, мобильность и услуги локализации.

Топология

Сетевая архитектура LoRaWAN ^® развернута по топологии «звезда из звезд», в которой шлюзы ретранслируют сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым сервером. Шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения и действуют как прозрачный мост, просто преобразовывая RF-пакеты в IP-пакеты и наоборот. Беспроводная связь использует преимущества Lo ng Ra nge Характеристики физического уровня LoRaÒ, обеспечивающие односкачковую связь между конечным устройством и одним или несколькими шлюзами. Все режимы поддерживают двунаправленную связь, а также поддерживаются группы многоадресной адресации для эффективного использования спектра во время таких задач, как обновление встроенного ПО по беспроводной сети (FOTA) или другие массовые рассылки сообщений.

Классы

LoRaWAN имеет три разных класса оконечных устройств для удовлетворения различных потребностей, отраженных в широком спектре приложений:

Класс A — наименьшее энергопотребление, двунаправленные конечные устройства:

Класс по умолчанию, который должен поддерживаться всеми конечными устройствами LoRaWAN, связь класса A всегда инициируется конечным устройством и является полностью асинхронной. Каждая передача по восходящей линии связи может быть отправлена ​​в любое время, за ней следуют два коротких окна нисходящей линии связи, что дает возможность для двунаправленной связи или команд управления сетью, если это необходимо. Это тип протокола ALOHA.
Конечное устройство может переходить в спящий режим с низким энергопотреблением до тех пор, пока это определено его собственным приложением: сетевые требования для периодического пробуждения отсутствуют. Это делает класс A режимом работы с наименьшим энергопотреблением, но при этом позволяет осуществлять связь по восходящей линии связи в любое время.
Поскольку передача по нисходящему каналу всегда должна следовать за передачей по восходящему каналу по расписанию, заданному приложением конечного устройства, обмен по нисходящему каналу должен буферизоваться на сетевом сервере до следующего события восходящего канала.

Класс B — двунаправленные конечные устройства с детерминированной задержкой нисходящего канала:

В дополнение к окнам приема, инициируемым классом A, устройства класса B синхронизируются с сетью с помощью запланированное время. Это дает сети возможность отправлять нисходящие сообщения с детерминированной задержкой, но за счет некоторого дополнительного энергопотребления конечного устройства. Задержка программируется до 128 секунд в соответствии с различными приложениями, а дополнительное энергопотребление достаточно низкое, чтобы его можно было использовать для приложений с питанием от батареи.

Класс C — наименьшая задержка, двунаправленные конечные устройства:

В дополнение к структуре восходящего канала класса A, за которой следуют два окна нисходящего канала, класс C дополнительно снижает задержку на нисходящем канале, сохраняя приемник конечного устройство открыто все время, когда устройство не передает (полудуплекс). Исходя из этого, сетевой сервер может инициировать передачу по нисходящему каналу в любое время при условии, что приемник конечного устройства открыт, поэтому задержки нет. Компромиссом является потребляемая мощность приемника (до ~ 50 мВт), поэтому класс C подходит для приложений, где доступна непрерывная мощность.
Для устройств с батарейным питанием возможно временное переключение режимов между классами A и C, что полезно для непостоянных задач, таких как беспроводное обновление прошивки.

Скорость передачи данных

В дополнение к скачкообразной перестройке частоты все коммуникационные пакеты между конечными устройствами и шлюзами также включают переменную настройку «Скорость передачи данных» (DR). Выбор DR обеспечивает динамический компромисс между дальностью связи и длительностью сообщения. Кроме того, благодаря технологии расширенного спектра связи с разными DR не мешают друг другу и создают набор виртуальных «кодовых» каналов, увеличивающих пропускную способность шлюза. Чтобы максимально увеличить время автономной работы конечных устройств и общую пропускную способность сети, LoRaWAN 9Сетевой сервер 0036 ® управляет настройкой DR и выходной мощностью RF для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы Adaptive Data Rate (ADR).

LoRaWAN ^® Скорость передачи данных варьируется от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с.

Безопасность

Безопасность является первостепенной задачей при любом массовом развертывании IoT, и спецификация LoRaWAN ^® определяет два уровня криптографии:

• Уникальный 128-битный сетевой ключ сеанса, совместно используемый конечным устройством и сетевым сервером
• Уникальный 128-битный ключ сеанса приложения (AppSKey), общий сквозной на уровне приложения

Алгоритмы AES используются для обеспечения аутентификации и целостности пакетов на сетевом сервере и сквозного шифрования на сервере приложений. Предоставляя эти два уровня, становится возможным реализовать «мультиарендные» общие сети, при этом сетевой оператор не будет видеть данные полезной нагрузки пользователей.

Ключи могут быть активированы с помощью персонализации (ABP) на производственной линии или во время ввода в эксплуатацию или могут быть активированы по беспроводной связи (OTAA) в полевых условиях. OTAA позволяет при необходимости сменить ключи устройств.

Прочтите наш технический документ по безопасности здесь

Прочтите наши часто задаваемые вопросы по безопасности здесь /resource-hub/lorawan-security-faq

Спецификация определяет параметры физического уровня «устройство-инфраструктура» (LoRa®) и протокол (LoRaWAN ^® ) и, таким образом, обеспечивает бесперебойную совместимость между производителями, что продемонстрировано программой сертификации устройств.
Хотя спецификация определяет техническую реализацию, она не определяет какую-либо коммерческую модель или тип развертывания (общедоступное, совместно используемое, частное, корпоративное) и, таким образом, дает отрасли свободу для инноваций и дифференциации способов ее использования.