Коммуникация — одна из наиболее важных частей любого проекта Интернета вещей . Способность вещи взаимодействовать с другими «вещами» (облаком/сервером устройства) — это то, что дает «вещи» право привязывать «Интернет» к своему имени. Несмотря на то, что существует множество протоколов связи, каждому из них не хватает того или другого, что делает их «не полностью подходящими» для приложений IoT. Основными проблемами являются энергопотребление, диапазон/покрытие и пропускная способность.

Большинство радиосвязей, таких как Zigbee, BLE, Wi-Fi и другие, имеют малый радиус действия, а другие, такие как 3G и LTE, потребляют много энергии, и диапазон их зон покрытия не может быть гарантирован, особенно в развивающихся странах. Хотя эти протоколы и режимы связи работают для определенных проектов, они накладывают серьезные ограничения, например; трудности с развертыванием IoT-решений в регионах без покрытия сотовой связи (GPRS, EDGE, 3G, LTE/4G) и резкое сокращение времени автономной работы устройств. Таким образом, предвидя будущее Интернета вещей и соединение всех видов «вещей», расположенных в самых разных местах, возникла потребность в технологии связи, специально разработанном для Интернета вещей, которое удовлетворяло бы его требования к особенно низкой мощности и значительно большому радиусу действия, дешевой, безопасной и простой в развертывании. И здесь на помощь пришла технология LoRa.

LoRa (что означает Long Range ) — это запатентованная технология беспроводной связи, которая сочетает в себе сверхнизкое энергопотребление и эффективную дальнюю дальность действия . Хотя дальность действия сильно зависит от окружающей среды и возможных препятствий (LOS или N-LOS), LoRa обычно имеет дальность действия от 13 до 15 км , что означает, что один шлюз LoRa может обеспечить покрытие всего города, а еще пара десятков — целой страны. Технология была разработана компанией Cycleo во Франции и вышла на первый план, когда компания была приобретена Semtech в 2012 году.

На нашем сайте мы уже рассматривали ряд проектов с использованием технологии LoRa:

• связь двух плат Arduino на расстоянии 3 км с помощью Lora E32;
• подключение модуля LoRa SX1278 (Ra-02) к Arduino;
• GPS трекер на основе Arduino и технологии Lora;
• подключение модуля LoRa к Raspberry Pi и одноранговая сеть с Arduino;
• подключение модуля LoRa SX1278 к ESP32.

Особенности технологии LoRa

Радиостанция LoRa имеет несколько функций, которые помогают ей обеспечить эффективную мощность на большом расстоянии и низкую стоимость. Некоторые из этих функций включают в себя:

1. Техника модуляции.
2. Частота.
3. Адаптивная скорость передачи данных.
4. Адаптивные уровни мощности.

Модуляция

В радиостанциях Lora используется метод модуляции с расширенным спектром частотной модуляции для достижения значительно большей дальности связи при сохранении характеристик низкой мощности, которые аналогичны радиостанциям на основе физического уровня модуляции FSK. Хотя модуляция с расширенным спектром ЛЧМ уже давно применяется в военной и космической связи, LoRa представляет первое недорогое коммерческое применение этого метода модуляции.

Частота

Хотя технология LoRa не зависит от частоты, связь между радиостанциями LoRa осуществляется за счет использования нелицензированных субгигагерцовых радиочастотных диапазонов, доступных по всему миру. Эти частоты варьируются от региона к региону, а также часто различаются в разных странах. Например, частота 868 МГц обычно используется для связи LoRa в Европе, а частота 915 МГц — в Северной Америке. Независимо от частоты, LoRa можно использовать без каких-либо серьезных изменений в технологии.

Использование более низких частот, чем у других модулей связи, таких как Wi-Fi, на основе диапазонов ISM 2,4 или 5,8 ГГц, обеспечивает технологии LoRa гораздо большую зону покрытия, особенно в ситуациях NLOS (нет прямой видимости).

Важно отметить, что в некоторых странах по-прежнему требуются разрешения для использования нелицензионных диапазонов.

Адаптивная скорость передачи данных

LoRa использует комбинацию переменной пропускной способности и коэффициентов расширения (SF7-SF12) для адаптации скорости передачи данных в компромиссе с дальностью передачи. Более высокий коэффициент расширения обеспечивает большую дальность действия за счет более низкой скорости передачи данных, и наоборот. Сочетание ширины полосы пропускания и коэффициента расширения можно выбрать в соответствии с условиями канала и уровнем передаваемых данных. Таким образом, более высокий коэффициент расширения улучшает производительность и чувствительность передачи для данной полосы пропускания, но также увеличивает время передачи в результате более низких скоростей передачи данных. Они могут варьироваться от 18 бит/с до 40 Кбит/с.

Адаптивный уровень мощности

Уровень мощности, используемый радиостанциями LoRa, является адаптивным. Это зависит от таких факторов, как скорость передачи данных и условия соединения, среди других. Когда требуется быстрая передача, передаваемая мощность приближается к максимальной и наоборот. Таким образом, увеличивается срок службы батареи и сохраняется пропускная способность сети. Потребляемая мощность также зависит от класса устройств и ряда других факторов.

LoRaWAN

LoRaWAN — это стандарт открытой глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWAN) с высокой пропускной способностью, дальнего радиуса действия, разработанный LoRa Alliance для решений IoT на базе LoRa. Это двунаправленный протокол, который в полной мере использует все возможности технологии LoRa для предоставления услуг, включая надежную доставку сообщений, сквозную безопасность, определение местоположения и возможности многоадресной рассылки. Стандарт обеспечивает совместимость различных сетей LoRaWAN по всему миру.

Чтобы лучше понять различие между LoRa и LoRaWAN, целесообразно посмотреть на них с точки зрения модели эталонного стека OSI.

Проще говоря, на основе модели стека OSI LoRaWAN соответствует протоколу доступа к среде передачи для сети связи (то есть уровень MAC), а LoRa соответствует физическому уровню. Таким образом, LoRaWAN определяет протокол связи и системную архитектуру сети, а архитектура LoRa обеспечивает канал связи большого радиуса действия. И их возможности объединились, чтобы обеспечить функциональность, определяющую время автономной работы узла, пропускную способность сети, качество обслуживания, безопасность и другие приложения, обслуживаемые сетью. Хотя LoRaWAN является наиболее популярным уровнем MAC для LoRa, существуют и другие собственные уровни, также построенные на технологии LoRa. Хорошим примером является Symphony link от Link Labs, специально разработанный для промышленного применения.

Сетевая архитектура LoRaWAN

В отличие от топологии ячеистой сети (Mesh-сети), принятой в большинстве современных сетей связи, LoRaWAN использует звездообразную сетевую архитектуру, поэтому вместо того, чтобы каждое конечное устройство почти всегда было включено, повторяя передачу от других устройств для увеличения дальности действия, конечные устройства в сети LoRaWAN связываются напрямую со шлюзами и включаются только тогда, когда им необходимо связаться со шлюзом, поскольку диапазон действия не является в данном случае проблемой. Это является фактором, способствующим низкому энергопотреблению и длительному времени автономной работы конечных устройств LoRa.

Сетевая архитектура LoRaWAN состоит из четырех основных частей:

1. Конечные устройства.
2. Шлюзы.
3. Сетевой сервер.
4. Сервер приложений.

1. Конечные устройства

Три основных класса таких устройств:

1. Двунаправленные конечные устройства (Класс А).
2. Двунаправленные конечные устройства с запланированными слотами приема (класс B).
3. Двунаправленные конечные устройства с максимальным количеством слотов приема (Класс C).

1. Конечные устройства класса А

Это устройства, которым требуется только нисходящая связь с сервером сразу после передачи по восходящей линии связи. Например, это устройства, которым необходимо получить подтверждение доставки сообщения от сервера после передачи по восходящей линии связи. Для этого класса устройств они должны дождаться отправки восходящего канала на сервер, прежде чем можно будет получить какой-либо нисходящий канал. В результате связь поддерживается на минимуме, и, таким образом, они имеют наименьшее энергопотребление и максимальное время автономной работы. Хорошим примером устройств класса А является интеллектуальный счетчик энергии на основе LoRa.

2. Конечные устройства класса B

Этим устройствам выделяются дополнительные окна нисходящей линии связи через запланированные интервалы в дополнение к нисходящей линии связи, полученной при отправке восходящей линии связи (класс A + запланированная дополнительная нисходящая линия связи). Запланированный характер этой нисходящей линии связи гарантирует, что устройство будет продолжать работать с низким энергопотреблением, поскольку связь активна только через запланированные интервалы, но дополнительная мощность, потребляемая во время сеанса запланированной нисходящей линии связи, увеличивает энергопотребление по сравнению с устройствами класса A, поэтому у них заряд батареи расходуется быстрее, а срок службы меньше по сравнению с конечными устройствами класса А.

3. Конечные устройства класса C

Устройства этого класса не имеют ограничений по нисходящей линии связи. Они спроектированы так, чтобы почти всегда быть открытыми для связи с сервером. Они потребляют больше энергии, чем другие классы, и имеют самый низкий срок службы батареи. Хорошими примерами устройств класса C являются конечные устройства, используемые для управления автопарком или мониторинга реального трафика.

2. Шлюзы

Шлюзы (также называемые концентраторами) — это устройства, подключенные к сетевому серверу через стандартные IP-соединения, которые передают сообщения между серверной частью центрального сетевого сервера и конечными устройствами с использованием протокола беспроводной связи с одним переходом. Они предназначены для поддержки двунаправленной связи и оснащены функцией многоадресной рассылки, позволяющей программному обеспечению отправлять сообщения массового распространения, например обновления по беспроводной сети.

В основе каждого шлюза LoRa лежит многоканальный демодулятор LoRa, способный параллельно декодировать все варианты модуляции LoRa на нескольких частотах.

Для оператора крупномасштабной сети ключевыми отличительными факторами должны быть характеристики радиосвязи (чувствительность, мощность отправки), подключение микросхемы SX1301 к MCU шлюза (USB-SPI или SPI-SPI), а также поддержка и распространение PPS сигнала, доступность которого обеспечивает точную синхронизацию времени по всей совокупности шлюзов в сети

LoRa распределяет связь между конечными устройствами и шлюзами по нескольким частотным каналам и скоростям передачи данных. Технология расширения спектра использует скорости передачи данных в диапазоне от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с для предотвращения помех друг другу и создания набора «виртуальных» каналов, которые увеличивают пропускную способность шлюза.

Чтобы максимально увеличить срок службы батарей конечных устройств и общую емкость сети, сетевой сервер LoRa управляет скоростью передачи данных и радиочастотным выходом для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы адаптивной скорости передачи данных (adaptive data rate, ADR).

3. Сетевой сервер

Сервер Lora Network является интерфейсом между сервером приложений и шлюзами. Он передает команды от сервера приложений на шлюз, одновременно передавая данные от шлюзов на сервер приложений. Он выполняет такие функции, как обеспечение отсутствия дублирующихся пакетов, планирование подтверждений и управление скоростью передачи данных и радиочастотным выходом для каждого конечного устройства индивидуально с использованием схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR).

4. Сервер приложений

Сервер приложений определяет, для чего используются данные с конечных устройств. Визуализация данных и т. д., выполняются именно на нем.

Безопасность и конфиденциальность LoRaWAN

Важность безопасности и конфиденциальности в любом решении IoT невозможно переоценить. Протокол LoRaWAN предусматривает шифрование, чтобы гарантировать безопасность ваших данных, а также он использует следующие технологии безопасности:

* Ключи AES128 для каждого устройства.

* Мгновенная регенерация/аннулирование ключей устройства.

* Шифрование полезной нагрузки каждого пакета для обеспечения конфиденциальности данных.

* Защита от повторных атак.

* Защита от атак «человек посередине».

LoRa использует два ключа: ключи сеанса сети и сеанса приложения обеспечивают разделенную зашифрованную связь для управления сетью и связи приложений.

Ключ сеанса сети, общий для устройства и сети, отвечает за аутентификацию данных конечного узла, а ключ сеанса приложения, общий для приложения и конечного узла, отвечает за гарантию конфиденциальности данных устройства.

Ключевые особенности LoRa

• Бюджет линии связи >160 дБ;
• Мощность передачи +20 дБм;
• Исключительный IIP3;
• Улучшение избирательности на 10 дБ по сравнению с FSK;
• Устойчивость к внутриканальным пакетным помехам;
• Самый низкий ток приема — 10 мА;
• Самый низкий ток сна;
• Сверхбыстрое пробуждение (сон до RX/TX).

Преимущества LoRa

1. Большая дальность и покрытие: дальность прямой видимости до 15 км не может сравниться с дальностью действия любого другого протокола связи.

2. Низкое энергопотребление: LoRa предлагает радиостанции со сверхнизким энергопотреблением, что делает их идеальными для устройств, которым требуется срок службы в течение 10 и более лет на одном заряде аккумулятора.

3. Низкая стоимость оборудования. Инфраструктура для LoRaWAN чрезвычайно дешева по сравнению с другими сетями, а стоимость радиомодулей для конечных устройств столь же низка. Более того, разрабатываются несколько версий инфраструктур с открытым исходным кодом, таких как шлюзы, что помогает еще больше снизить затраты.

4. Высокая емкость: тысячи конечных устройств могут быть подключены к одному шлюзу LoRa.

Недостатки LoRa

При максимальной скорости передачи данных около 50 Кбит/с LoRa имеет самую низкую скорость передачи данных по сравнению с большинством других технологий, что делает ее не идеальной для определенных приложений, где требуются высокие скорости передачи данных.

Приложения LoRa

Применение LoRa ограничено только воображением. Она стала одним из основных двигателей развития умных городов в странах по всему миру: полномасштабная общегородская сеть LoRa уже развернута в нескольких городах. Приложения LoRaWAN применимы ко всем видам решений Интернета вещей. Некоторые из них перечислены на изображении ниже.

Semtech недавно объявила о выпуске новых продуктов, которые снизят текущий уровень энергопотребления на 50%, а также заявила об изучении возможности партнерства с Imprint Energy, которая производит сверхтонкие гибкие батареи. Я считаю, что с помощью сверхтонких аккумуляторов, которые могут поместиться практически во что угодно и питающих устройства с дальностью связи более 13 км, цели создания полностью подключенного мира были бы достигнуты.

441 просмотров