MASTERs Russia 2015: изучение энергоэффективной радиосети LoRaWAN

№ 9’2015
PDF версия
28–31 октября 2015 года будет проходить ежегодный практический семинар MASTERs Russia 2015, который позволяет разработчикам ознакомиться на практике с новейшими продуктами и технологиями компании Microchip Technology Inc. Российский семинар входит в серию технических семинаров MASTERs, проводимых Microchip по всему миру.

В конце прошлого года компания Microchip Technology Inc. анонсировала, а в этом году запустила в серийное производство модули RN2483, поддерживающие функции конечного устройства класса А для сетей LoRaWAN. С целью изучения технологии LoRaWAN и знакомства с модулями RN2483 в рамках семинара MASTERs Russia 2015 планируется провести практические лабораторные занятия.

В течение многих лет потенциал «Интер-нета 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 LoRaWAN (Long Range wide-area networks) позволяет преодолеть эти сложности. С помощью новых спецификаций и протокола для энергоэффективных WAN-сетей, которые используют нелицензируемый радиочастотный диапазон, технология может соединять сенсоры, расположенные на большом расстоянии друг от друга, 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 LoRaWAN многие крупные компании, среди них IBM и Cisco, объявили о создании LoRa Alliance (www.lora-alliance.org) — организации, которая занимается поддержкой, развитием и стандартизацией технологии LoRaWAN. При этом компания IBM, стремясь стимулировать применение LoRa в клиентских устройствах, разработала протокол на языке С, распространяемый по лицензии с открытым исходным кодом.

Сенсоры LoRaWAN могут передавать информацию на дистанции свыше 80 км в загородной среде, 15 км — в небольших городах и более 2 км — в условиях плотной застройки, обеспечивая скорость обмена данными от 300 бит/с до 100 кбит/с. Сенсоры идеально подходят для передачи небольших объемов информации, к примеру данных с приборов учета ресурсов (газ, вода, тепло, электроэнергия), GPS-координат и метеоданных (с чем плохо справляется широкополосная связь). Более того, сенсоры расходуют мало энергии; многие из них способны бесперебойно функционировать вплоть до 10 лет, питаясь от одного элемента типоразмера AA. Поддержка алгоритма шифрования AES с 128‑битным ключом обеспечивает конфиденциальность, защиту от изменения и достоверность данных.

 

Технология LoRa

LoRa (Long Range) — это низкоскоростной протокол передачи данных на большие расстояния. Он может использоваться в различных приложениях: контроль и учет энергоресурсов, передача данных от систем «умный город», «умный дом», промышленных, сельскохозяйственных и экологических датчиков к распределенным интернет-сетям.

Схема

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. Как и другие варианты модуляции с расширением спектра, она использует всю полосу пропускания канала для передачи сигнала, что делает его устойчивым к шумам в канале и нечувствительным к частотным сдвигам, вызванным применением дешевых кварцевых резонаторов. Технология LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне 19,5 дБ ниже уровня шумов, тогда как большинство систем с частотной манипуляцией (frequency shift keying, FSK) корректно работают с сигналами на уровне не ниже 8–10 дБ выше уровня шумов. Модуляция LoRa определяет физический уровень (physical layer, PHY), который может использоваться в сетях с различной архитектурой — мэш-сети, «звезда», «точка-точка» и другие.

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

  • Технология LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне ~20 дБ ниже уровня шумов, что в сочетании с возможностью исправления ошибок значительно улучшает устойчивость протокола.
  • Технология LoRa имеет высокую чувствительность –148 дБм, 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 Alliance 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 скоростью 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 находить мобильные объекты для отслеживания передвижений, в частности наиболее быстрорастущего направления приложений «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT).

LoRaWAN предназначен для применения в общенациональных сетях крупных операторов связи, и LoRa Alliance стандартизирует его с учетом совместимости и взаимодействия с глобальными операторами связи.

Архитектура сетей LoRaWAN

Сеть LoRaWAN состоит из нескольких элементов:

  • Конечный узел (End points) — это элемент сети, в котором находятся датчики, расположенные удаленно, или осуществляется управление.
  • Шлюз LoRa (gateway, concentrator). Шлюз (в другой терминологии «базовая станция» или «концентратор») принимает по радиоканалу данные от конечных устройств и транслирует их в транзитную систему, в качестве которой может выступать Ethernet, сотовая связь или другие телекоммуникационные каналы связи. Шлюзы соединяются с сетевым сервером с помощью стандартных IP-соединений. На 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 базовым станциям сотовых сетей и даже может располагаться вместе с ними. В таком случае LoRaWAN дополняет сотовую связь и расширяет возможности сети.

Шлюзы LoRaWAN предназначены 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. Для обеспечения большей мощности шлюзы используют другие радиочастотные компоненты, нежели конечные узлы, и формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети. В основном все соединения с конечными узлами двунаправленные, но также поддерживается массовая рассылка (multicast) сообщений, обновление программ по воздуху и другие массово распространяемые сообщения, что сокращает время доставки информации. Предполагается возможность реализации различных версий шлюзов в зависимости от желаемой емкости и мест установки (помещения или вышки).

  • Сервер (Server). Сетевой сервер LoRa управляет сетью и реализует функции устранения дублирования пакетов, управления расписанием и подтверждения, а также адаптирует скорость передачи данных.
  • Удаленный компьютер (Remote computer) может контролировать действия конечных узлов или собирать данные из них, поскольку сеть LoRaWAN практически прозрачна.

Таким образом, сеть LoRaWAN имеет топологию «звезда» из нескольких соединенных между собой «звезд», конечные узлы, которые проходят через шлюзы, образуют прозрачные мосты для ретрансляции сообщений и соединяются с центральным сервером сети.

Связь между конечными устройствами и шлюзами осуществляется на различных частотных каналах и скоростях. 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 находятся в пределах 0,3–50 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, то есть реализуется адаптивная скорость передачи данных (adaptive data rate, ADR).

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

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

В рамках сети LoRaWAN может 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 связь. Причем связь инициирует конечное устройство, после чего выделяются 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 В (Bi-directional end-devices, Class B).

Конечные устройства класса Б (end-devices Class B), в дополнение к функциям устройств класса А, 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, которое закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных устройств подходит для выполнения 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 грузы.

Сети LoRaWAN предназначены для создания беспроводной недорогой системы, которая имеет значительные преимущества перед сотовыми и Wi-Fi-сетями или успешно дополняет их. Технология поддерживает батарейные и мобильные устройства с дальностью действия до 50 км, и обширные площади могут быть покрыты относительно небольшим количеством базовых станций.

Получить подробную информацию и освоить работу в сетях LoRaWAN с сенсорами на основе модулей RN2483 компании Microchip Technology Inc. вы сможете на тренинге MASTERs Russia 2015. 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *