Что такое LoRaWan

С развитием технологий появились новые возможности по настройке дистанционного соединения. LoRaWan обеспечивает связь между устройствами на большом расстоянии, потребляя минимум энергии. Протокол подходит для управления оборудованием в различных сферах: медицина, промышленность, исследовательские лаборатории, космические технологии, авиастроительство, атомная энергетика, системы видеонаблюдения, железная дорога и метрополитен и т.д.

Сетевой протокол LoRaWan был разработан компанией Semtech Corporation при содействии IBM Research в 2015 году. Технология дает значительные преимущества перед сотовой связью и Wi-Fi, так как обеспечивает устойчивые межмашинные коммуникации в промышленных масштабах на расстоянии до 50 км. При этом скорость соединения может достигать 50 Кбит/с. Системы работают автономно без подзарядки много лет на одном источнике питания формата АА.

Технология сразу же нашла свое применение в научной сфере. Система связи применяется в труднодоступных местах, где нет возможности постоянно присутствовать человеку: крайний север, метеостанции, подводные объекты и т.д. Сфера применения протокола LoRaWan достаточно обширна, начиная от создания системы бытовой смарт техники до «умных городов».

Сетевая архитектура

Большинство существующих сетей используют mesh-архитектуру, где сигнал передается поэтапно от одного узла к другому. Протокол LoRaWan работает по принципу «звезды», благодаря чему удалось значительно повысить скорость передачи данных и максимально снизить энергопотребление. Упрощенная архитектура сети не требует постоянной пересылки пакетов данных от других устройств. Проще говоря, сеть передает информацию на несколько шлюзов одновременно, каждый шлюз в свою очередь пересылает данные по интернету в облачный сервер. Сервер контролирует работу сети, убирает лишние пакеты данных, осуществляет проверку безопасности, управляет скоростью передачи информации.

Система LoRaWan в отличие от обычных сетей не требует постоянной синхронизации между устройствами, благодаря чему удается сэкономить заряд батареи. Обмен пакетами данных между узлами осуществляется периодически по мере накопления информации.

Протокол Network LoRaWan представляет собой сложную многоуровневую и многоканальную систему, которая включает в себя: конечные узлы (End Node), шлюзы (Gateway/Concentrator), сетевой сервер (Network Server) и сервер приложений (Application Server).

Конечные узлы представляют собой набор датчиков, которые управляют измерительными функциями. Шлюзы принимают информацию от узлов по нескольким каналам и передают данные в транзитную сеть. Для транспортировки данных используется интернет, Wi-Fi или сотовая связь. Сетевой сервер контролирует всю систему передачи данных. Сервер приложений архивирует данные с конечных узлов и контролирует их работу. В топологии «звезда» конечными узлами являются абоненты, а оператору сети принадлежат шлюзы и центральный сервер.

Технические характеристики LoRaWan

Протокол имеет ряд специфических характеристик, которые позволяют применять технологию в широком диапазоне приложений IoT:

• низкое энергопотребление – система автономно работает от аккумулятора несколько лет;
• широкая зона покрытия – организовать качественную связь можно между объектами на пересеченной местности на расстоянии до 20 км;
• безопасность – протокол LoRaWan оснащен эффективной системой шифрования данных AES на нескольких уровнях, которая защищает абонентов от прослушивания и утечки данных.

Для покрытия большой площади и обеспечения большой емкости сети в протокол LoRaWan внедрена система адаптивной скорости передачи данных. Для этого используются многоканальные трансиверы – пакеты данных отправляются единовременно по нескольким каналам связи. На пропускную способность влияет несколько факторов:

• количество каналов, которые можно задействовать одновременно;
• время в эфире или скорость передачи данных;
• длина полезной нагрузки;
• частота передачи данных между узлами.

Скорость передачи данных в LoRaWAN можно контролировать, изменяя коэффициент расширения. На одном канале система может использовать сразу несколько скоростных режимов. Например, когда узел расположен недалеко от шлюза и есть устойчивое соединение, скорость передачи данных возрастает, соответственно время в эфире уменьшается. Это дает дополнительные возможности для передачи данных от других узлов. Благодаря гибким настройкам LoRaWAN и возможности регулировать количество шлюзов и скорость передачи данных можно увеличить пропускную способность сети в несколько раз.

Как работает LoRaWAN

Протокол управляется центральным сервером, который перенаправляет через шлюзы пакеты данных на узлы. При этом на каждой полосе по-отдельности регулируется скорость передачи данных. Направление информации осуществляется по 32-битному сетевому адресу, который уникален для каждого узла.

Центральный сервер LoRaWAN полностью контролирует сеть, а именно:

• задает нужную скорость передачи данных;
• регулирует мощность передатчика;
• контролирует уровень заряда батарей;
• выбирает каналы передачи данных;
• контролирует продолжительность времени передачи данных.

Центральный сервер использует уникальные идентификаторы приложения AppEUI, входящие в состав каждого пакета данных, для маршрутизации информации на сервисе провайдера.

Преимущества LoRaWAN

Протокол LoRaWAN – запатентованная технология модуляции данных по маломощной сети. Система функционирует на скорости 0,3-50 кб/с в нелицензируемом диапазоне частот.

Основные достоинства:

• Внушительное расстояние передачи информации. В плотной застройке или на местности со сложным ландшафтом и большим количеством помех поддерживается дальность передачи данных до 20 км. На открытых пространствах дальность соединения может достигать 50 км.
• Экономичное потребление энергии. LoRaWAN отличается экстремально низким энергопотреблением, благодаря топологии по типу «звезда», где отсутствует поэтапная передача данных от узла к узлу.
• Высокая проникающая способность. В городской черте, где много высотных построек используются частоты субгигагерцового диапазона.
• Низкая стоимость эксплуатации. В отличие от других технологий связи при подключении LoRaWAN не требуется платить за частотный спектр, не нужно получать специальное разрешение от операторов связи. Протокол работает на нелицензируемых ISM band.
• Простота в эксплуатации. Для монтажа не нужно покупать ретрансляторы, модемы и концентраторы. Наладить связь быстро и просто по инструкции сможет любой человек без специальной подготовки. Для использования не нужны GSM-сети и доступ в интернет.

Сферы применение LoRaWAN

Технология LoRaWAN используется для построения «умных» систем в различных сферах:

• контроль климатических условий в природопользовании;
• мониторинг движения транспорта;
• дистанционное управление промышленным оборудованием;
• отслеживание местоположения объектов;
• управление активами жизнеобеспечения в ЖКХ.