LPWA-сети на основе открытого стандарта LoRa

(Статья опубликована в журнале Connect WIT 2019 № 1-2 ). 

К LPWA (Low Power Wide Area) относятся сети на основе следующих протоколов беспроводной связи, предназначенной в первую очередь для Интернета Вещей (IoT) и межмашинных коммуникаций (M2M):

• Sigfox
• Weightless / Neul
• NB-IOT/LTE Cat NB1
• LTE Cat 0, 1, 3
• LTE-M1/ LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication)
• LoRaWAN
• Symphony Link
• EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT)
• RPMA

Технологию LoRa для беспроводной передачи небольших объёмов данных впервые разработала компания Cycleo из Гренобля (Франция). В 2012 году её купила компания Semtech, которая является держателем патента на эту технологию. LoRa работает в нелицензируемых диапазонах до 1 ГГц: 169 МГц, 433 МГц, 868 МГц в Европе и 915 МГц в Северной Америке.

В технологии определён физический уровень — LoRa, и вышележащий коммуникационный протокол, который может быть двух видов:

• LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) – открытый протокол, определённый консорциумом LoRa Alliance
• Symphony Link – проприетарный протокол, разработанный компанией Link Labs.

Рисунок 1. Архитектура LoRaWAN (источник: Medium Corporation).

LoRaWAN – это коммуникационный протокол и архитектура сети, а LoRa – физический уровень, обеспечивающий дальность и надёжность связи. Протокол LoRaWAN может работать в разных режимах передачи, которые разделены на классы: А, В и С. Они различаются периодичностью сеансов передачи и временем активной работы и «сна» датчиков.

Стандарты и решения на базе LoRaWAN разрабатывает и продвигает некоммерческая организация LoRa Alliance, в которую входят более 500 компаний. Первая версия стандарта LoRaWAN была продолжена в июне 2015 года, а в 2017 году вышла версия 1.1[1].

Топология сети LoRaWAN типа «звезда из звёзд» показана на рисунке.

Рисунок 2. Топология сети LoRaWAN (источник: University of Vaasa, г.Вааса, Финляндия)

Конечные узлы (End Nodes) передают данные одновременно на все шлюзы, находящиеся в зоне покрытия, по каналу LoRa. Шлюзы LoRa коммутируют сообщения от конечных устройств на IoT-сервер по протоколу IP.

Конечные узлы обычно содержат:

• Сенсоры, которые измеряют переменные параметры, например, температуру, влажность, скорость и ускорения, сигнал GPS и пр.
• Транспондер LoRa, который передаёт сигналы по протоколу LoRaWAN.

Шлюзы подключаются к серверу сети IoT по стандартному протоколу IP и преобразуют радиочастотные пакеты от конечных узлов в стандартные IP-пакеты.

IoT-сервер – это облачная платформа IoT, например, The Things Network (TTN) или LoRIOT. Существует большое разнообразие (несколько сот) различных IoT-платформ.

Полезная нагрузка пакета LoRa обычно содержит около 100 байт данных. Пакеты LoRa посылаются с датчиков каждые несколько секунд (не рекомендуется делать интервал более одной минуты). Поэтому один шлюз LoRa может одновременно обрабатывать сигналы от сотен и тысяч конечных IoT-устройств.

Преимущества

LoRa (Long Range) – технология, далеко превосходящую сотовые сети и другие технологии беспроводной связи по дальности действия (до 20 км). При этом, обеспечивается минимальное энергопотребление, позволяющее несколько лет автономной работы датчиков IoT на одном аккумуляторе АА. LoRa используется для многих применений: от домашней автоматизации и интернета вещей (Internet of Things, IoT) до промышленности и Умных Городов[2].

LoRaWAN – наиболее распространённый на данный момент вид LPWAN, который способен обеспечить всеобщую коннективность для приложений IoT при относительной простоте топологии сети.

Протокол LoRaWAN используется на сетях более 100 операторов мира[3] более чем в 100 странах мира (включая корпоративные сети). Он имеет широкую экосистему из вендоров устройств, разработчиков ПО, партнёров, системных интеграторов, применяется в большом числе IoT-платформ, телком-операторов. Первой страной, создавшей общенациональную сеть LoRa для приложений Интернета Вещей стали Нидерланды в 2016 году.

Рисунок 3. Карта покрытия сетей LoRa на декабрь 2018 г. (источник: LoRa Alliance)

Лидерами в развитии LoRa являются Европа и Азиатско-тихоокеанский регион с годовым приростом в 50% и 30% соответственно.

Немаловажным преимуществом LoRa является возможность автоматического апдейта программного обеспечения шлюзов через мобильную сеть, что обеспечивает постоянную интероперабельность сети и устройств.

Недостатки

Из специфики LoRa – применение только для низкоскоростных устройств с небольшими объёмами передаваемых данных – вытекает и ряд ограничений данного решения:

• Неприменимость для передачи больших объёмов данных, поскольку рабочая нагрузка пакета ограничена 100 байтами
• Не подходит для постоянного мониторинга (кроме устройств Класса С)
• Плохо подходит для применений реального времени, требующих низких величин задержки и джиттера
• При уплотнении сетей LoRaWAN требуется решать проблемы частотной совместимости между шлюзами
• Нелицензируемый диапазон частот подвержен возможному воздействию помех, которые могут привести к снижению скорости передачи данных.

Перспективы

Наиболее перспективные применения LoRaWAN[4] следующие:

• Умные счётчики для ЖКХ (вода, газ, электричество и т.д.)
• Мониторинг потребления для «Умных электросетей» (Smart Grid)
• Мониторинг транспорта и логистика
• Мониторинг промышленного оборудования (Smart Manufacturing)
• Решение «Умный город», в частности:
  • мониторинг парковочного пространства
  • мониторинг муниципального транспорта
  • системы умного уличного освещения
  • мониторинг погодных условий
  • пожарные и охранные сигнализации
  • автоматизация зданий;
• Решение «Умное сельское хозяйство» (Smart Agriculture)
  • Сбор данных с полей (температура, влажность, кислотность почвы и пр.)
  • Мониторинг скота (фертильность и пр.)

Применения

Один из первых коммерческих проектов LoRaWAN стал проект «Умный город», развёрнутый в 2016 году в столице Нидерландов Амстердаме, насчитывающем более 800 тыс. жителей. Для охвата города площадью 220 кв. км, потребовалось 10 базовых станций стоимостью 1,2 тыс. долл. каждая. Сеть отслеживает наличие бесплатной парковки, наполненность мусорных баков, извещает о наличии зарядных станций для электромобилей. Датчики дыма в домах могут самостоятельно вызывать экстренные службы.

В Глазго (Великобритания) датчики LoRa отслеживают загрязнение воздуха. Мобильные системы мониторинга загрязнения окружающей среды, образующие сеть LoRaWAN, более экономически выгодны, чем станции постоянного контроля. Кроме того, они могут быть развёрнуты во многих точках города и информация о показаняих датчиков отправляется в базу данных, находящуюся в центральном облаке.

В городе Алба-Юлия с населением около 60 тыс. человек в 2018 году был развёрнут первый пилотный проект Smart City в Румынии на основе государственно-частного партнёрства. В проекте принял участие оператор связи Orange Romania, который обеспечил покрытие города опорной сетью LTE-A и доступом в Интернет при помощи городской сети WiFi, включающей общественные здания и транспорт. Сеть LoRaWAN, являющаяся частью проекта, содержит более 150 сенсоров по всей территории города. Она обеспечивает решение «умное освещение» при помощи светодиодный фонарей. Это позволило на 50% сократить расходы на освещение города при лучшем его качестве. Планируется развёртывание сети датчиков потребления воды, а также исследуются возможности других применений сети LoRaWAN.

Это лишь некоторые из проектов применения сети LoRaWAN для нужд «умного города» и других применений.

[1] https://www.link-labs.com/whitepaper-symphony-link-vs-lorawan

[2] http://lo-ra.ru/

[3] http://www.globenewswire.com/news-release/2019/01/22/1703167/0/en/LoRa-Alliance-Passes-100-LoRaWAN-Network-Operator-Milestone-with-Coverage-in-100-Countries.html

[4] http://orion-m2m.kz/ru/news/lorawan-shirokie-vozmozhnosti-seti-dalnego-radiusa