О технологии

 

История появления
технологии LoRa

Впервые сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) был презентован на рынке беспроводных технологий в 2015 году. Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research представили новый открытый сетевой протокол, при этом высоко оценив его конкурентоспособность по сравнению с Wi-Fi и сотовыми сетями. Также был отмечен ряд преимуществ LoRaWAN – это, в первую очередь, возможность развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций и конечно максимальную энергоэффективность новой технологии.
Появление технологии LoRaWAN вызвало большой резонанс на рынке беспроводной связи, что повлекло за собой необходимость принять единый стандарт для глобальных сетей с низким энергопотреблением -LPWAN (с 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.

Для поддержки, развития и стандартизации новой технологии была создана некоммерческая организация LoRa Alliance, ее основателями стали крупнейшие известные производители электроники (IBM, Semtech, Cisco, Kerlink, IMST и др.) и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom). Введение стандарта позволит сделать задачу объединения миллионов устройств в Интернет вещей максимально простой и понятной, а также решит проблему предоставления услуг Интернета Вещей организациям и физическим лицам через операторов связи.

Разработчики LoRa Alliance выделяют LoRa как технологию далеко превосходящую сотовые сети и WiFi, благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с. При этом затраты электроэнергии минимальны, что позволяет достигать максимального времени автономной работы (несколько лет) на одном аккумуляторе типа АА.
Особенности новой технологии позволяют выбирать сферу применения LoRa устройств практически без ограничений: домашняя автоматизация и интернет вещей (Internet of Things, IoT), промышленность и умные города, энергетика и охрана здоровья, и многое, многое другое.

Архитектура
LoRaWAN сетей

Что из себя представляет LoRaWAN сеть?

Ее типичная архитектура состоит из ключевых элементов: конечные узлы, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений.

Конечный узел (End Node) — его основные функции – управление и измерение. Он состоит из последовательности управляющих элементов и датчиков измерения.

Шлюз LoRa (Gateway/Concentrator) — конструкция, принимающая данных через радиоканал от конечных устройств и передающая их в транзитную сеть. Примерами таких сетей могут выступать Ethernet, WiFi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Сам шлюз и его конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Такой тип конструкции состоит из многоканальных устройств приема и передачи, позволяющих обрабатывать сигналы, одновременно поступающие по нескольким каналам или несколько сигналов, полученных от одного канала. Таким образом, несколько аналогичных устройств обеспечивает зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.

Сетевой сервер (Network Server) — центр управления для управления сетью. С его помощью устанавливается расписание, регулируются скорости, происходит анализ, обработка и хранение принимаемых данных.

Сервер приложений (Application Server) — устройство для сбора данных с конечных узлов и удаленного контроля их работы.

Как целостная конструкция, сеть LoRaWAN представляет собой топологию типа звезда, она имеет конечные узлы, которые, посредством шлюзов, образуют прозрачные мосты и сообщаются с центральным сервером сети. Такая архитектура подразумевает, что центральный сервер и шлюзы подконтрольны и принадлежат оператору сети, а конечные узлы — абонентам. Абоненты при такой схеме получают прозрачный, безопасный, двунаправленный способ обмена информацией.
Поскольку LoRaWAN образуют глобальную сеть, главной заботой разработчиков стала максимальная защищенность и конфиденциальность передаваемых данных. Для осуществления данной задачи предусмотрено AES-шифрование на нескольких уровнях:

• С использованием уникального ключа сети (Unique Network key, EUI64) — на сетевом уровне
• С помощью уникального ключа приложения (Unique Application key, EUI64) – сквозная безопасность на уровне приложений
• С помощью специального ключа устройства (Device specific key, EUI128).

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

1. Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Подобные устройства применяются, когда требуется поддерживать минимальную мощность при преобладании передачи данных к серверу. Конечный узел инициирует сеанс связи путем отправки пакета данных, после чего выделяет два окна, в течении которых ждёт данных от сервера. Соответственно, возможность передачи данных между сервером и конечным устройством возникает только после открытия сеанса конечным устройством.

2. Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Отличается от устройств «класса А», так как имеет возможность по расписанию открывать дополнительное окна приёма. Для составления расписания конечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Таким образом, наличие дополнительного окна позволяет серверу обмениваться данными в предварительно оговоренный момент времени.

3. Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Отличаются практически непрерывным окном приёма данных и закрывают его лишь на время передачи данных. Такая особенность, позволяет применять их для решения задач, связанных с большим объёмом данных.

По заявлениям Semtech, один LoRa-шлюз допускает обслуживание до пяти тысяч конечных устройств, что достигается за счёт:

• Особенностей 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.

Можно сказать, что появление энергоэффективных беспроводных технологий LoRaWAN позволило строить глобальные, и в то же время, более простые сети передачи данных с большим числом конечных узлов. Их отличительные преимущества — это расширенный радиус действия, долгая автономная работа и гарантированное обнаружение полезного сигнала на фоне воздействия помех.