В рамках семинара MASTERs Russia 2015 планируются практические занятия по изучению и работе в сетях LoRaWAN

Компания Microchip Technology Inc. предлагает свои модули RN2483, поддерживающие функции конечного устройства класса А для сетей LoRaWAN.

LoRa (Long Range) это низкоскоростной протокол передачи данных на большие расстояния. Протокол LoRa может использоваться в различных приложениях: контроль и учёт энергоресурсов, передача данных от систем умный город, умный дом, промышленных, сельскохозяйственных и экологических датчиков к распределенным интернет-сетям. В течение многих лет потенциал интернета вещей, который заключается в сборе и анализе данных с пользовательских устройств, не был раскрыт из-за таких ограничений как относительно малый срок действия элементов питания, короткие расстояния передачи информации по радиоканалу, высокая стоимость и отсутствие подходящих стандартов. Основанный на технологии LoRa, сетевой протокол LoRa WAN (Long Range wide-area networks) позволяет преодолеть эти сложности. Используя новые спецификации и протокол для энергоэффективных WAN-сетей, которые используют не лицензируемый радиочастотный диапазон, технология может соединять сенсоры, расположенные на большом расстоянии друг от друга, при этом предлагая оптимальный срок жизни аккумулятора и не требуя больших инфраструктурных затрат. Все это позволяет обеспечить мобильность, безопасность, двунаправленность, локализацию и позиционирование, а также снижение стоимости.

С целью поддержки технологии LoRa WAN ряд компаний, в числе которых IBM, Cisco и другие, объявили о создании LoRa Alliance (http://www.lora-alliance.org) – организации, которая занимается поддержкой, развитием и стандартизацией технологии LoRaWAN. При этом IBM, чтобы попытаться стимулировать использование LoRa в клиентских устройствах, создала протокол на языке Си, распространяемый по лицензии с открытым исходным кодом.

Сенсоры LoRaWAN могут передавать информацию на дистанции более 80 км в загородной среде, 15 км – в небольших городах и более 2 км – в плотно застроенных городах, обеспечивая скорость обмена данными от 300 бит/сек до 100 кбит/сек. Сенсоры идеально подходят для передачи небольших объемов информации, к примеру, данные с приборов учета ресурсов (газ, вода, тепло, электроэнергия), GPS-координат и метео-данных (с чем плохо справляется широкополосная связь). Более того, сенсоры требуют мало энергии; многие из них могут бесперебойно функционировать вплоть до 10 лет, питаясь от одного аккумулятора типоразмера AA. В свою очередь, поддержка алгоритма шифрования AES с 128-и битным ключом обеспечивают конфиденциальность, защиту от изменения и достоверность данных.

Технология LoRa

Технология LoRa™ использует модуляцию основанную на технике расширения спектра (spread spectrum modulation) и вариацию линейной частотной модуляции (chirp spread spectrum, CSS) с прямой коррекцией ошибок (forward error correction, FEC) в субгигагерцовом диапазоне частот. Технология LoRa существенно улучшает чувствительность приема и как и другие варианты модуляции с расширением спектра использует всю полосу пропускания канала для передачи сигнала, что делает его устойчивым к шумам в канале и нечувствительным к частотным сдвигам, вызванных использованием дешевых кварцевых резонаторов. Технология LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне 19.5dB ниже уровня шумов, тогда как большинство систем с частотной манипуляцией (frequency shift keying, FSK) могут корректно работать с сигналами на уровне не ниже 8-10dB над уровнем шумов. Модуляция LoRa определяет физический уровень (physical layer, PHY), который может использоваться в сетях с различной архитектурой – Мэш-сети, Звезда, точка-точка и др.

Благодаря своей высокой чувствительности технология LoRa идеально подходит к устройствам с требованиями низкого потребление энергии и высокой устойчивости связи на больших расстояниях.

  • Технология LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне ~20dB ниже уровня шумов, что в сочетании с возможностью исправления ошибок значительно улучшает устойчивость протокола
  • Технология LoRa имеет высокую чувствительность -148dbm, что обеспечивает связь на большие расстояния

Протокол LoRaWAN™

Модуляция LoRa определяет физический уровень передачи данных, в то время как LoRaWAN это MAC протокол для высокоемких сетей с большим радиусом действия и низким потреблением, который LoRa-альянс стандартизировал для малопотребляющих глобальных сетей (Low Power Wide Area Networks, LPWAN). LoRaWAN организована как сеть типа звезда и включает различные классы узлов для оптимизации компромисса между скорости доставки информации и сроком работы при батарейном питании.

Протокол обеспечивает двустороннюю связь с шифрованием. Архитектура протокола разрабатывалась в том числе и для того, чтобы легко найти мобильные объекты для отслеживания передвижений – наиболее быстрорастущим направлением приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT).

LoRaWAN разрабатывается с возможностью применения в общенациональных сетях крупных операторов связи и LoRa альянс стандартизирует LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия с глобальными операторами связи.

Архитектура сетей

Сеть LoRaWAN состоит из нескольких элементов:

  • Конечный узел (End points): Конечный узел это элемент сети, где находятся датчики или осуществляется управления. Они как правило расположены удаленно.
  • Шлюз LoRa (gateway, concentrator): Шлюз (в другой терминологии базовая станция или концентратор) принимает по радиоканалу данные от конечных устройств и транслируют их в транзитную систему, в качестве которой может выступать Ethernet, сотовая связь или другие телекоммуникационные каналы связи. Шлюзы соединяются с сетевым сервером с использованием стандартных IP соединений. На этом пути передачи данных используются стандартные протоколы и шлюз может быть подключен к любой телекоммуникационной сети. Если проводить аналогию с сотовыми сетями, то LoRa-шлюз аналогичен по функциям с базовыми станциями сотовых сетей и даже может располагаться вместе с ними. В этом случае LoRaWAN может дополнять сотовую связь и расширять возможности сети.
    Шлюз LoRaWAN разработан для работы в сетевой топологии типа звезда и содержат многоканальные приемопередатчики, которые могут обрабатывать сигналы в нескольких каналах одновременно и даже демодулировать несколько сигналов в одном канале. Шлюзы используют другие радиочастотные компоненты нежели чем конечные узлы для обеспечения большей мощности и формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети. Шлюзы соединены с сетевым сервером через стандартное IP-соединение. В основном все соединения с конечными узлами имеют двунаправленность, но так же поддерживается массовая рассылка (multicast) сообщений, обновление программ по воздуху и другие массово-распространяемые сообщения для уменьшения времени доставки сообщений. Предполагается возможность реализации различных версий шлюзов в зависимости от желаемой емкости и мест установки (помещения или вышки).
  • Сервер (Server): Сетевой сервер LoRa управляет сетью. Сетевой сервер реализует функции устранения дублирования пакетов, управления расписанием, подтверждения и адаптирует скорость передачи данных.
  • Удаленный компьютер (Remote computer): удаленный компьютер может контролировать действия конечных узлов или собирать данные из них – сеть LoRaWAN практически прозрачна.

Таким образом, сеть LoRaWAN имеет топологию звезда из звезд, имеет конечные узлы которые через шлюзы, образующих прозрачные мосты для ретрансляции сообщений, общаются с центральным сервером сети.

Связь между конечными устройствами и шлюзами осуществляется на различных частотных каналах и скоростях. Выбор скорости передачи данных это компромисс между дальностью связи и длительностью сообщения. Благодаря использованию технологии с расширением спектра, передаваемые данные от различных конечных узлов с различными скоростями не мешают друг другу и создают набор "виртуальных" каналов и увеличивают пропускную способность шлюза.

Скорости передачи данных в сетях LoRaWAN лежат в пределах от 0,3 до 50 кбод. Чтобы максимизировать срок службы источника питания для конечного устройства и общую пропускную способность сети, сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и выходной мощностью радиопередатчика для каждого оконечного устройства в отдельности, т.е. реализуется адаптивная скорость передачи данных (adaptive data rate, ADR).

Глобальные сети передачи данных должны обеспечивать конфиденциальность персональных данных и иной информации. В сетях LoRaWAN это решается с помощью нескольких слоев шифрования и используются:

  • Уникальный ключ сети (Unique Network key, EUI64) - обеспечивает безопасность на сетевом уровне
  • Уникальный ключ приложений (Unique Application key, EUI64) обеспечивает сквозную безопасность на уровне приложений
  • Ключ устройства (Device specific key, EUI128)

В рамках сети LoRaWAN могут существовать несколько классов конечных устройств для решения различных задач и использования в широком диапазоне применений:

  • Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A):

    Конечные устройства класса А (End-devices of Class A) позволяют организовать двунаправленную. Причем связь инициирует конечное устройство, после чего выделяет два временных окна, в течение которых ожидается ответ от сервера. Интервал передачи планируется конечным устройством на основе собственных потребностей в связи с небольшими случайными временными флуктуациями (протокол типа ALOHA). Конечные устройства класса А имеют наименьшую мощность потребления и применяются в приложениях, где требуется передача данных от сервера только после того, как конечное устройство отсылает данные на сервер. Передача данных от сервера конечному узлу возможна только после того как конечное устройство выйдет на связь.

  • Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B):

    Двунаправленные конечные устройства класса Б (end-devices Class B): в дополнение к функциям устройств класса А, устройства класса Б открывают дополнительное окно приема по расписанию. Для того, чтобы открыть окно приема, конечные устройства синхронизируются по специальному сигналу от шлюза (по маякам, Beacon). Это позволяет серверу знать время, когда конечное устройство готово принимать данные.

  • Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C):

    Конечные устройства класса С имеют почти непрерывно открытое окно приема. Приемное окно закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных.

Телекоммуникационные операторы видят множество областей применения для сетей LPWAN, например: торговые аппараты могут посылать автоматический сигнал поставщикам, когда товары распроданы или оборудование нуждается в ремонте; городские администрации могут предлагать решения для экономии электроэнергии, а также приложения, которые помогут водителям найти свободные парковочные места; любители животных могут изучать миграцию представителей фауны, а владельцы домашних животных – отслеживать местонахождение своих питомцев; логистические компании могут отслеживать движение грузовиков, кораблей и поездов, перевозящих контейнеры.

LoRaWAN предназначена для создания беспроводной недорогой системы, которая имеет значительные преимущества перед сотовыми и Wi-Fi сетями, но, с другой стороны, с успехом может их дополнить. Технология поддерживает батарейные и мобильные устройства с дальностью действия до 50 километров и большие площади могут быть покрыты относительно небольшим количеством базовых станций.

Больше информации вы получите на тренинге MASTERs Russia 2015.

Заявка на получение образцов

Вы можете получить образцы микросхем под разработку ваших устройств.
Для этого заполните ниже форму заявки.

Организация
Название организации
Неверный Ввод
Почтовый адрес
Неверный Ввод
Телефон организации
Неверный Ввод
Контактное лицо
Ф.И.О. (*)
Заполните, пожалуйста, поле
E-mail (*)
Заполните, пожалуйста, поле
Моб.телефон (*)
Заполните, пожалуйста, поле
Дополнительные вопросы