Содержание
Технология LoRa / Хабр
В данном цикле статей мы хотим познакомить хабрасообщество с опытом компании RTL-Service в изучении беспроводной технологии LoRa. На наш взгляд, данная технология обладает рядом особенностей, которые делают её очень интересной для решения определенного круга задач.
Мы рассмотрим историю появления технологии, то как она позиционируется, типовую архитектуру LoRaWAN сетей. Далее перейдём к детальному рассмотрению физических особенностей её реализации. И, наконец, нашему опыту работы с двумя реализациями трансиверов от Semtech и Microchip.
История появления технологии LoRa.
В начале 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research представили новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций, разбавив затишье на рынке беспроводных технологий.
Технология LoRa появилась на свет под эгидой некоммерческой организации LoRa Alliance, основанной такими компаниями, как IBM, Semtech, Cisco и др., с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN — от 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.
Разработчики LoRa Alliance позиционируют LoRa как технологию, имеющую значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.
Диапазон применений данной технологии огромен: от домашней автоматизации и интернета вещей (Internet of Things, IoT) до промышленности и умных городов.
Архитектура LoRaWAN сетей.
Рассмотрим архитектуру LoRaWAN сетей. Типичная сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов: конечные узлы, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений.
Конечный узел (End Node) предназначен для осуществления управляющих или измерительных функций. Он содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
Шлюз LoRa (Gateway/Concentrator) — устройство, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть. В качестве такой сети могут выступать Ethernet, WiFi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно данное устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.
Сетевой сервер (Network Server) предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных.
Сервер приложений (Application Server) может удаленно контролировать работу конечных узлов и собирать необходимые данные с них.
Рис. 1 Архитектура LoRaWAN сети.
В конечном итоге, LoRaWAN сеть имеет топологию звезда из звёзд, имеет конечные узлы, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером сети. При таком подходе обычно предполагается, что шлюзами и центральным сервером владеет оператор сети, а конечными узлами – абоненты. Абоненты имеют возможность прозрачной двунаправленной и защищенной передачи данных до конечных узлов.
Т.к. LoRaWAN образуют глобальную сеть, то разработчики уделили особое внимание безопасности и конфиденциальности передаваемых данных, которые обеспечиваются шифрованием AES на нескольких уровнях:
• На сетевом уровне с использованием уникального ключа сети (Unique Network key, EUI64).
• Сквозную безопасность на уровне приложений с помощью уникального ключа приложения (Unique Application key, EUI64).
• И специального ключа устройства (Device specific key, EUI128).
Для решения различных задач и применений в сети LoRaWAN предусмотрено три класса устройств:
Рис. 2 Классы устройств в сетях LoRaWAN.
- Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Устройства этого класса применяются, когда необходима минимальная потребляемая мощность при преобладании передачи данных к серверу. В качестве инициатора сеанса связи выступает конечный узел, отправляя пакет с необходимыми данными, а затем выделяет два окна, в течении которых ждёт данных от сервера. Таким образом, передача данных от сервера возможна только после выхода на связь конечного устройства.
- Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Основное отличие от устройств «класса А» заключается в выделении дополнительного окна приёма, которое устройство открывает по расписанию.
Для составления расписания конечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Благодаря этому дополнительному окну сервер имеет возможность начать передачу данных в заранее известное время. - Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Устройства этого класса имеют почти непрерывное окно приёма данных и закрывает его лишь на время передачи данных, что позволяет их применять для решения задач, требующих получения большого объёма данных.
Для составления расписания конечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Благодаря этому дополнительному окну сервер имеет возможность начать передачу данных в заранее известное время.
Итого, LoRaWAN позволяет строить глобальные распределённые беспроводные сети с большим числом конечных узлов. По заявлениям Semtech, один LoRa-шлюз допускает обслуживание до пяти тысяч конечных устройств, что достигается за счёт:
- 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.
Заключение.
В следующей статье мы попытаемся заглянуть под капот технологии LoRa, а именно, рассмотрим применяемый в ней тип модуляции и его основные параметры, методы кодирования данных. В общем, всё то, что делает эту технологию уникальной и конкурентоспособной.
Авторы: Фёдоров Александр, Пушкарёв Виктор.
Применение технологии LoRa без протокола LoRaWAN
Отметим, что бюджет системы связи обеспечивает улучшение на 30 дБ по сравнению с FSK модуляцией, позволяя подавлять помехи в совмещенном канале, и обеспечивает потребление энергии в семь раз ниже, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы. Это делает сети LoRa жизнеспособным вариантом для повышения эффективности в самых разных областях применения.
Существует множество приложений для однорангового подключения Lora, в полной мере использующих преимущества технологии Lora для большой дальности и низкой мощности.
Например, устройства открывания гаражных ворот, умный дом или промышленные интеллектуальные датчики (давление, температура, свет и т.д.), системы сигнализации.
Одноранговая связь с использованием технологии LoRa обеспечивает прямую связь и междугороднюю связь между двумя устройствами. Это особенно полезно в условиях, где глобальная инфраструктура LoraWAN не нужна или просто недоступна. Или в гибридной инфраструктуре, где некоторые устройства будут настроены на передачу данных только через одноранговую сеть (низкая задержка, низкие операционные затраты), в то время как другие узлы также будут подключены к инфраструктуре LoraWAN через шлюз. В качестве протокола передачи данных будем использовать протокол MiWi, разработанный компанией Microchip Technology.
MiWi — это проприетарный беспроводной протокол, поддерживающим одноранговое подключение по сети типа «звезда», «дерево», mesh-сеть или точка-точка. Протокол MiWi разработан на базе стандарта беспроводных низкоскоростных сетей IEEE 802.
15.4 как альтернатива протоколу ZigBee. По сравнению с ZigBee протокол MiWi требует меньший объем памяти устройства, что снижает требования к ресурсам микроконтроллера и себестоимость оборудования. Стек MiWi занимает всего 4-8 кБ памяти для конечного устройства и менее 16 кБ для координатора сети. Так же отметим, что протокол MiWi не зависит от физического уровня радиоканала. Можно использовать протокол MiWi для построения сетей с разными частотными диапазонами и различной модуляцией сигнала, но исключительно на базе микросхем компании Microchip. Однако, протокол MiWi имеет и свои ограничения:
— максимальное количество узлов в сети — 1024,
— при построении mesh-сетей пакеты данных могут делать максимум 4 «прыжка» (hops) до адресата.
Но для построения небольших сетей и выполнения многих задач этого вполне достаточно. К тому же, при использовании MiWi не надо сертифицировать оборудование или платить отчисления как, например, в ZigBee.
Рассмотрим организацию сети MiWi более подробно.
В рамках протокола MIWi производится формирование сети, подключение новых узлов и маршрутизация. Сеть MiWi использует 3 типа устройств с различным функционалом:
1. PAN-координатор (Personal Area Network coordinator) — главный узел сети. Он является образующим узлом сети. PAN-координатор в сети MiWi может быть только один.
2. Координатор — помимо приема и передачи данных (как и конечный узел), с помощью координатора можно расширить зону охвата и количество конечных узлов.
3. Конечный узел — узел, который может только принимать и передавать данные. Например, некий датчик
PAN-координатор — это устройство, которое запускает сеть (ему присваивается адрес 00h) и выбирает канал и идентификатор PAN сети (PAN ID). Все остальные устройства, подключающиеся к сети, должны подчиняться инструкциям PAN-координатора. Координаторы и конечные узлы присоединяются к созданной сети и после сканирования получают идентификаторы и адреса. Для подключения конечного узла или координатора к сети MiWi используется двухэтапная процедура установления связи (а не 5ти этапная, как в стандарте IEEE 802.
15.4). Новый узел посылает в эфир специальный запрос. В ответ на него все координаторы, которые его слышат, посылают ответ с информацией о своем окружении. В ответе используются три дополнительных байта:
1. Идентификатор протокола (для MiWi это 4Dh),
2. Номер версии,
3. Локальные координаторы — указывается список координаторов, с которыми конкретный координатор имеет связь. Каждый бит указывает на связь с одним из восьми возможных координаторов. Бит 0 — связь с PAN-координатором, бит 1 — связь с координатором с адресом 0100h и т. д.
Это позволяет узлам узнавать все возможные маршруты в сети. Дальнейший обмен данными по сети происходит в соответствии с алгоритмом на рисунке 2.
Что такое Спецификация LoRaWAN® — LoRa Alliance®
Спецификация LoRaWAN ® представляет собой сетевой протокол с низким энергопотреблением и глобальной сетью (LPWA), разработанный для беспроводного подключения «вещей» с батарейным питанием к Интернету в региональных, национальных или глобальных сетях.
и отвечает ключевым требованиям Интернета вещей (IoT), таким как двусторонняя связь, сквозная безопасность, мобильность и услуги локализации.
Топология
Сетевая архитектура LoRaWAN ® развернута по топологии «звезда-из-звезд», в которой шлюзы ретранслируют сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым сервером. Шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения и действуют как прозрачный мост, просто преобразовывая RF-пакеты в IP-пакеты и наоборот. Беспроводная связь использует преимущества Lo ng Ra nge характеристики физического уровня LoRaÒ, позволяющие односкачковую связь между конечным устройством и одним или несколькими шлюзами. Все режимы поддерживают двунаправленную связь, а также поддерживаются группы многоадресной адресации для эффективного использования спектра во время таких задач, как обновление встроенного ПО по беспроводной сети (FOTA) или другие массовые рассылки сообщений.
Классы
LoRaWAN имеет три различных класса оконечных устройств для удовлетворения различных потребностей, отраженных в широком диапазоне приложений:
Класс A — наименьшее энергопотребление, двунаправленные конечные устройства:
Класс по умолчанию, который должен поддерживаться всеми конечными устройствами LoRaWAN, связь класса A всегда инициируется конечным устройством и является полностью асинхронной. Каждая передача по восходящей линии связи может быть отправлена в любое время, за ней следуют два коротких окна нисходящей линии связи, что дает возможность для двунаправленной связи или команд управления сетью, если это необходимо. Это тип протокола ALOHA.
Конечное устройство может переходить в спящий режим с низким энергопотреблением до тех пор, пока это определено его собственным приложением: сетевые требования к периодическим пробуждениям отсутствуют. Это делает класс A режимом работы с наименьшим энергопотреблением, но при этом позволяет осуществлять связь по восходящей линии связи в любое время.
Поскольку передача по нисходящему каналу всегда должна следовать за передачей по восходящему каналу по расписанию, заданному приложением конечного устройства, обмен по нисходящему каналу должен буферизоваться на сетевом сервере до следующего события восходящего канала.
Класс B – двунаправленные конечные устройства с детерминированной задержкой нисходящего канала:
В дополнение к окнам приема, инициируемым классом A, устройства класса B синхронизируются с сетью с помощью запланированное время. Это дает сети возможность отправлять нисходящие сообщения с детерминированной задержкой, но за счет некоторого дополнительного энергопотребления конечного устройства. Задержка программируется до 128 секунд в соответствии с различными приложениями, а дополнительное энергопотребление достаточно низкое, чтобы его можно было использовать для приложений с питанием от батареи.
Класс C — наименьшая задержка, двунаправленные конечные устройства:
В дополнение к структуре восходящего канала класса A, за которой следуют два окна нисходящего канала, класс C дополнительно снижает задержку на нисходящем канале, сохраняя приемник конечного устройство открыто все время, когда устройство не передает (полудуплекс).
Исходя из этого, сетевой сервер может инициировать передачу по нисходящему каналу в любое время при условии, что приемник конечного устройства открыт, поэтому задержки нет. Компромиссом является потребляемая мощность приемника (до ~ 50 мВт), поэтому класс C подходит для приложений, где доступна непрерывная мощность.
Для устройств с батарейным питанием возможно временное переключение режимов между классами A и C, что полезно для прерывистых задач, таких как беспроводное обновление прошивки.
Скорость передачи данных
В дополнение к скачкообразной перестройке частоты все коммуникационные пакеты между конечными устройствами и шлюзами также включают переменную настройку «Скорость передачи данных» (DR). Выбор DR обеспечивает динамический компромисс между дальностью связи и длительностью сообщения. Кроме того, благодаря технологии расширенного спектра связи с разными DR не мешают друг другу и создают набор виртуальных «кодовых» каналов, увеличивающих пропускную способность шлюза.
Чтобы максимально увеличить время автономной работы конечных устройств и общую пропускную способность сети, LoRaWAN 9Сетевой сервер 0004 ® управляет настройкой DR и выходной мощностью RF для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы Adaptive Data Rate (ADR).
LoRaWAN ® Скорость передачи данных варьируется от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с.
Безопасность
Безопасность является первостепенной задачей при любом массовом развертывании IoT, и спецификация LoRaWAN ® определяет два уровня криптографии:
- Уникальный 128-битный сетевой ключ сеанса, совместно используемый конечным устройством и сетевым сервером
- Уникальный 128-битный ключ сеанса приложения (AppSKey), общий сквозной на уровне приложения
Алгоритмы AES используются для обеспечения аутентификации и целостности пакетов на сетевом сервере и сквозного шифрования на сервере приложений. Предоставляя эти два уровня, становится возможным реализовать «мультиарендные» общие сети, при этом сетевой оператор не будет видеть данные полезной нагрузки пользователей.
Ключи могут быть активированы с помощью персонализации (ABP) на производственной линии или во время ввода в эксплуатацию или могут быть активированы по беспроводной связи (OTAA) в полевых условиях. OTAA позволяет при необходимости сменить ключи устройств.
Прочтите наш технический документ по безопасности здесь
Прочтите наши часто задаваемые вопросы по безопасности здесь /resource-hub/lorawan-security-faq
Спецификация определяет параметры физического уровня «устройство-инфраструктура» (LoRa®) и протокол (LoRaWAN ® ) и, таким образом, обеспечивает бесперебойную совместимость между производителями, что продемонстрировано программой сертификации устройств.
Хотя спецификация определяет техническую реализацию, она не определяет какую-либо коммерческую модель или тип развертывания (общедоступное, совместно используемое, частное, корпоративное) и, таким образом, дает отрасли свободу для инноваций и дифференциации способов ее использования.
Спецификация LoRaWAN ® разработана и поддерживается LoRa Alliance ® : открытой ассоциацией сотрудничающих членов.
LoRaWAN для разработчиков — LoRa Alliance®
LoRaWAN ® представляет собой сквозную системную архитектуру с низким энергопотреблением (LPWA), предназначенную для беспроводного подключения «вещей» с батарейным питанием к Интернету в региональные, национальные или глобальные сети. Архитектура включает в себя стандарты протоколов и функции, которые поддерживают недорогую, мобильную и безопасную двустороннюю связь для Интернета вещей (IoT), межмашинного взаимодействия (M2M), умного города и промышленных приложений. ЛоРаВАН 9Архитектура 0004 ® оптимизирована для низкого энергопотребления и предназначена для масштабирования от установки с одним шлюзом до крупных глобальных сетей с миллиардами устройств. Инновационные функции стандартов протокола LoRaWAN ® включают поддержку избыточной работы, геолокации, низкой стоимости и низкого энергопотребления: устройства могут даже работать на технологиях сбора энергии, обеспечивающих мобильность и подлинную простоту использования Интернета вещей.
Документы по стандартам LoRaWAN®
Документы стандартов LoRaWAN ® разрабатываются и поддерживаются LoRa Alliance ® : открытой ассоциацией сотрудничающих членов. Чтобы полностью определить стандарты LoRaWAN ® и обеспечить совместимость между устройствами и сетями, LoRa Alliance ® разрабатывает и поддерживает следующие документы:
Стандарт канального уровня
Стандарт внутренних интерфейсов
Стандарт the-Air
Региональные параметры
Программа сертификации
Хотя эти стандарты определяют техническую реализацию, они не определяют какую-либо коммерческую модель или тип развертывания (общедоступное, совместно используемое, частное, корпоративное) и, таким образом, предлагают отрасли свободу для инноваций и дифференциации в том, как LoRaWAN Внедрена система ® .
Стандарт определяет сквозную архитектуру и, таким образом, обеспечивает бесшовное взаимодействие между производителями, что подтверждается программой сертификации устройств.
Стандарт канального уровня
Документ стандартов канального уровня LoRaWAN ® определяет параметры физического уровня LoRa ® для связи устройства с сетью и сетевой протокол LoRaWAN ® , включая команды уровня MAC, содержимое кадра, классы связи, скорость передачи данных, безопасность и гибкое управление частотой сети.
Внутренние интерфейсы
Документ LoRaWAN ® Внутренние интерфейсы поддерживает разбиение сети на взаимодействующие узлы, как это требуется для роуминга и активации устройств между поставщиками. Стандарт внутренних интерфейсов предоставляет протоколы, которые соединяют серверы с различными ролями, такими как: управление уровнем MAC, аутентификация конечной точки или приложения за кулисами в базовой сети. Разделение этих серверов позволяет свободно выбирать поставщиков для каждого элемента цепочки создания стоимости, расширяя возможности экосистемы.
Региональные параметры LoRaWAN®
Документ региональных параметров LoRaWAN ® содержит утвержденные планы частотных каналов для различных регионов мира и соответствует установленным нормативным ограничениям в этих регионах.
Эти детали управляются отдельно от основных стандартов LoRaWAN ® , что позволяет Альянсу быстро реагировать на региональные нормативные требования поддержки. Параметры физического уровня LoRa(R), охватываемые региональными параметрами, включают в себя: формат преамбулы, частоты каналов, скорости передачи данных, выходную мощность Tx и время задержки, а также управление мощностью.
Программа сертификации
Для масштабирования любой технологии в рамках открытой экосистемы с несколькими поставщиками крайне важно обеспечить уверенность в функциональной совместимости. Это дает пользователям гарантию соблюдения протокола LoRaWAN ® , интерфейса между конечными устройствами и сетевой инфраструктурой:
. ЛоРа Альянс ® веб-сайт
Типы сертификации
Программа сертификации LoRa Alliance ® гарантирует, что конечные устройства соответствуют национальным нормам в каждом регионе, а также функциям LoRaWAN ® , необходимым для обеспечения функциональной совместимости и соответствия.
Авторизованные поставщики услуг тестирования и процесс сертификации
Только уполномоченные центры тестирования (ATH) LoRa Alliance ® могут проводить тестирование для программы сертификации LoRa Alliance ® . Применимые национальные отчеты об испытаниях на соответствие и регистрации поставляются вместе с LoRaWAN 9.Отчет о соответствии 0004® перед получением одобрения LoRaWAN ® Certified.
Курсы LoRaWAN для одобренных членов LoRa Alliance
Академия Semtech для LoRaWAN
Академия LoRaWAN® — это курс для самостоятельного изучения, предназначенный для людей, заинтересованных в изучении Интернета вещей (IoT), в частности LoRaWAN, маломощный стандарт глобальной сети. Курс состоит из 12 модулей, которые помогут вам понять LoRaWAN с нуля. Каждый модуль имеет четкие Цели обучения и предоставляет различные учебные материалы, включая текст, видеолекции и тесты в конце каждого модуля. У вас также будет возможность применить полученные знания на практике, выполнив задания для продвинутых пользователей и соответствующие практические занятия.
Добавить комментарий