Сеть LoRaWAN

Лампочка, радиатор, телевизор, светофор, вентиляция, станок, парковка, автобус – казалось бы, что связывает все эти достаточно далекие друг от друга системы и приборы, зачастую относящиеся к абсолютно разным классам. Взаимосвязь есть, причем во всех смыслах. В нашем XXI веке все это управляется, а заодно контролируется цифровыми потоками данных.
В общем виде: информация с датчиков, которые могут быть любого вида – GPS автобуса, тепловые, пожарные или энергетические, расположенные в домах, заводских помещениях, а также любые другие – кодируются, затем передаются бинарными потоками на центральный управляющий «пункт», где обрабатываются. Или наоборот (ну или совместно с обработкой): коды команд в цифровом виде отправляются на контроллеры различных устройств, станков производственных линий, выключатели, регуляторы или конечные высокоинтеллектуальные приборы. У таких коммуникаций есть и свое, определенное название – интернет вещей или Internet of Things (IoT).

Коммуникации в IoT

Для физической связи между подобной аппаратурой, есть много различных разных видов коммуникации: USB, WIFI, WAN, LAN, firewire, радиоточки, сотовые сети, оптический кабель или же даже прямой луч лазера. В промышленных, охранных, пожарных системах часто применяется прямое кабельное соединение RS-232 или RS-485. Все они неплохи для своей ниши, но имеют ряд недостатков, некоторые из которых – вытекают из их достоинств:

• Беспроводные, высокоскоростные – WIFI, firewire, WAN, радиоточка. Относительные невеликие расстояния, но возможность передавать данные без искажений с высокой плотностью обмена. Конечно, для потребителей это большой плюс. Вот только энергопотребление на конечных устройствах довольно высоко, а к примеру, какому-либо датчику не нужно перегнать по каналу мегабайты или гигабайты информации, достаточно просто сообщить с определенным периодом (или по запросу) о своем состоянии. Причем не затрачивая на это большое количество энергии, которую ему (то есть датчику) еще нужно откуда-то брать. Опять же – для подобных систем связи в Российской Федерации есть определенные ограничения на ширину диапазона передачи, частотные полосы и максимальную мощность излучателей для них. Например, официально нельзя, чтобы сила радиосигнала превышала 25 мВт и работала за пределами частот 2400, 5000, 864-865,5 и 868,7-869,2 МГц, при спектральной ширине канала более 125 кГц. А чем больше нужно вместить данных в этот, достаточно узкий, промежуток и передать их дальше, тем более потребляющий энергию и «умный» ретранслятор нужен.

• Сотовая связь. Опять же, высокое потребление энергии. Кроме того, ограниченность количества устройств. В этом типе коммуникации важны центральные ретрансляторы-точки соты. Скорость обработки и передачи данных в подобных сетях сильно зависит от количества конечных абонентов. При слишком большом размере, скажем нескольких сотен тысяч датчиков – связь станет очень медленной, да и для обработки запросов клиентов понадобится довольно серьезная техника на каждом участке сети. Имеются в виду не только сервера – обработчики подключения или приемники\передатчики, но и клиентские (датчики или контролеры), а конкретнее их электронные компоненты, отвечающие за осуществление связи с базовой станцией. Вся эта система попросту будет экономически невыгодна.
• Световые и лазерные коммуникации. Собственно, использовать такие системы для связи от каждого устройства с управляющим процессором – просто не реально. Тут нужна прямая видимость и отсутствие препятствий.
• Проводные сети LAN, USB, RS-232, RS-485. А в этом случае как раз все упирается в расстояния для некоторых из них (LAN-Ethernet и USB). Опять же, физические каналы для подобного оборудования – кабель, а его возможность проложить существует далеко не всегда. Да и для высокоскоростных вариантов канала, для достаточной их длины, части линии должны быть соединены через высокотехнологичные повторители или коммутаторы.

            Итак, рассмотрев все минусы существующих коммуникаций, подведем итог – идеальная связь для управляющих и сигнальных систем с малым объемом передаваемой информации должна:

• не быть привязанной к проводам, а использовать радиосигнал;
• иметь большую дальность передачи, при низком энергопотреблении;
• быть защищена от помех внешних факторов, наподобие препятствий среды – стен, переборок, мачт, потоков воды и подобных;
• для радиосигнала не выходить за пределы мощности, широты и частоты разрешенных диапазонов.

Для приближения к такому идеалу есть много решений. Одним из них служат коммуникационные сети LoRa, или, как их еще называют по протоколам, использующимся в канальном уровне – LoRaWAN.

Относятся такие сети к типу LPWAN, то есть Low Power Wide Area Network — «глобальная сеть малой мощности», а само название расшифровывается как Long Range – «большая дальность», которое хорошо характеризует суть использования и возможности, предоставляемые сетью.

Архитектура сети

Датчики

Сигнализирующие и управляющие приборы для этой системы трансляции информации делятся на три класса – A, B, C. Размежевание между ними зависит от того, насколько часто и каким образом прибор ведет двунаправленный обмен данных с базовой станцией LoRaWAN:

Шлюз

Основная структура LoRaWAN – сеть типа «звезда». Если просто объяснить эту систему, то выглядит она так: несколько приборов контроля или сигнализации подключаются беспроводным сигналом к шлюзу, который работает в режиме коммутатора\повторителя. Сам он не производит обработку информации, а просто служит ретранслятором, объединяющим несколько клиентских устройств.

Уровнем выше находится сетевой сервер, к которому присоединяются шлюзы LoRa. Причем соединение между повторителем и узлом выше может быть достигнуто с помощью сетей другого, как физического, так и программного типа. В этом случае обычно уже используют как чистый Ethernet, так и другие беспроводные технологии WIFI, LTE, 3G, WAN. Причина – сумма собранных на шлюз информационных пакетов уже имеет намного больший размер, чем передаваемая от одного датчика, ведь она ретранслируется со многих из них. То же самое касается и управляющих последовательностей – пришедший от сервера общий пакет шлюз уже делит и распределяет по контролирующим устройствам.

Сервер

Что касается самого сервера, – он служит для общего управления топологией и устройствами сети, хранения и обработки данных, контроля скорости передачи.

Сервер приложений

Уровнем выше уже идут так называемые «сервера приложений», а конкретно – цифровые станции в виде персональных компьютеров, тонких клиентов сети, планшетов, смартфонов, КПК, на которых работают программы, контролирующие пришедшую информацию и отдающие команды программному обеспечению центра ниже уровнем.

Другими словами, предоставляют конечный интерфейс между сервером LoRaWAN и оператором системы. Графически вся структура выглядит следующим образом:

Преимущества и недостатки технологии

LoRaWAN, в качестве канала передачи цифровых данных, имеет свою положительные моменты, так же, как и недостатки. Итак, плюсы этой сети сравнительно с коммуникациями других видов:

• Позволяет подключать очень большое количество внешних как датчиков, так и контроллеров оборудования. Кроме специализированных – никакая другая сеть не выдержит сотни сигнализирующих устройств на один финальный сервер и сотни контроллеров оборудования дополнительно. Причем все это – без потери функциональности последних.
• Низкое энергопотребление для передачи данных, доходящее до того, что одной батарейки на датчике, периодически отправляющем свою информацию на базу LoRa, хватает на несколько лет.
• Расстояние передачи. При отсутствии внешних помех, была зарегистрирована дальность в 25 километров, а это практически уровень горизонта. И все это – не превышая мощности передатчика сигнала по стандарту в 25 мВт. Причем не просто осуществилось соединение, но и были без потерь переданы пакеты данных.

• Малая чувствительность сигнала к помехам, характерным для урбанистической среды – сторонних передатчиков, кирпичных и шиферных перекрытий. Слабое воздействие погодных условий на условия приема\передачи.
• Масштабируемость для больших расстояний и количества контролируемого оборудования. Вытекает из всех, уже названых – дальности работы и множества подключаемых устройств. Другими словами – для распределения LoRaWAN на большой территории не нужно увеличивать расходы. То есть, денежная цена оборудования площади большого масштаба будет практически равна затратам на такую же сеть маленького размера.
• Не нужно получать лицензию в Радионадзоре для использования LoRa. Параметры частоты, мощности и ширины канала физического беспроводного оборудования полностью находятся в пределах разрешенных диапазонов Российской Федерации. Есть даже неофициальное название таких, не требующих лицензии характеристик сети, – ISM band, то есть Industrial Scientific Medical band, или «группа частот для индустрии, науки, медицины».

• Безопасность сети. Обеспечивается тремя факторами – каждое конечное устройство прошивается внутренним идентификатором и кодом сети подключения. Связь возможна только при совпадении этих данных с базовой станцией (со стороны устройства – код сети, со стороны базы – принадлежность этого ИД текущему приемнику). Кроме того, используется шифрование передаваемых данных по алгоритму AES, с обменом ключами между узлом и подчиненной единицей. Информация на уровне приложения пользователя также кодируется.

Собственно, чтобы получить полную характеристику преимуществ и общее понимание про сеть LoRa, стоит свести все данные о ней в таблицу:

* Данные указаны только для промежутков, разрешенных в РФ

Кроме достоинств, есть у LoRaWAN определенные недостатки. Некоторые из них вытекают из достоинств физических или программных уровней коммуникации:

• Низкая скорость передачи пакетов данных. Максимальная скорость – не более 5,5 кбит\секунду. Тут как раз взаимосвязь между расстояниями и отсутствием потерь пакетов информации. Ведь чем ниже скорость обмена, тем меньше сторонних помех (радио, искровые, искажения сигналов при проходе через препятствия) воздействуют на нее в физическом плане. Это в свою очередь дает большую четкость передаваемых сигналов, а значит – меньшее количество запросов повторной пересылки данных, в случае искажения содержания уже отправленных бинарных пакетов. Собственно, для датчиков и контролирующих устройств этого вполне достаточно, а вот аудио данные или видео информацию (с камер, предположим) передать уже не получится.
• Стандарт закрыт патентами Semetech на уровне чипов. Соответственно, никаких сторонних производителей, кроме купивших лицензию на производство подобного оборудования, вернее его компонентов, – попросту не существует. Большой минус подобного подхода – практически одинаковая, завышенная цена на конечные датчики, контроллеры, базовые и приемные станции LoRaWAN.

• Мощность сигнала. Увеличить дальность работы сети LoRa простым повышением мощности передатчиков невозможно, даже если получить лицензию контролирующих органов на эту процедуру. Стандарт не подразумевает повышения свыше 25 мВт. Приходится для увеличения дальности «пробоя» связи LoRaWAN размещать ретранслирующее оборудование на возвышенностях рельефа или высоких объектах инфраструктуры, что не всегда удобно или безопасно.
• Задержка. Подобная топология, которая используется в сетях типа «звезда», приводит к замедлению отклика от конечных устройств, присоединенных к каждому из узлов, между сервером и ими. Она не критична, но довольно существенна. Это не позволяет развернуть подобную инфраструктуру на предприятиях или в организациях, в которых требуется высокое время отклика, для систем контроля в реальном времени (таких, к примеру, как АЭС).

Применение

Ограниченная скорость передачи информации не дает развернуть такие сети для многих сфер деятельности. Тем не менее, повышенная дальность работы, при низких затратах энергии – большой плюс. Итак, для чего наиболее подходят сети стандарта LoRaWAN:

1. Слежение за датчиками, показания которых не критичны. Контакторы пересечения\разрушения ограждений, информаторы состояния туннелей, мостов, датчики исправности или состояния оборудования. Различные счетчики, применяемые в приборах учета производств или ЖКХ (включая возможность управления ими – вкл\выкл проверяемой линии).
2. Управление относительно простыми устройствами, задание программ их работы (сюда относятся станки предприятий, светофоры, лампы наружного или внутреннего освещения, системы вентиляции, вытяжки).
3. Контроль положения транспорта. Сеть имеет хорошую дальность прохождения, а значит, она во многом идеальна для определения координат той или иной техники в текущий момент (при использовании в связке с GPS или Глонасс).

LoRaWAN в России

Многие проектно-монтажные организации в РФ предлагают услуги для установки оборудования сетей LoRa, для того или иного использования. Вот только, в отличие от информации в большинстве рекламных буклетов – не видно особо крупных проектов, построенных по этой технологии.

Практическое применение пригодилось бы службам ЖКХ, но низкая скорость обмена данными ставит под большой вопрос эту необходимость. Взять хотя бы информацию с 1000-100000 счетчиков электроэнергии – тут уже сложно все полученные данные запихнуть в ширину канала связи LoRaWAN. Вернее, уложить можно, вот только идти они будут долго, причем блокируя своей передачей управляющие команды центра, например, на отключение должников.

Есть исключение: в одном достаточно крупном населенном пункте на основе LoRa используется контроль за уличным освещением – получение информации об исправных\неисправных лампах, попытках кражи энергии. Также через возможности этой сети также происходит управление включением или выключением света.