LoRaWAN

Интернет Вещей
Термином "Интернет Вещей" — IoT (Internet of Things) обозначают различные устройства, которые используют выход в сеть для взаимодействия друг с другом. К примеру, умная розетка подключается к Интернету не затем, чтобы сидеть в социальных сетях. Она получает из Сети команды, которые отправляет ее владелец. И она вещь. Вещь, которая пользуется Интернетом.

К буму IoT готовились давно. И почти сразу стало ясно, что для стабильной работы существующие стандарты передачи данных подходят мало.

Зачем что-то новое?
На первый взгляд, у нас уже есть готовые и обкатанные решения. Wi-Fi, LTE, почему не использовать их?

Причин несколько. Представим себе дом на 400 квартир, в каждом из которых стоит два водосчетчика и электросчетчик. Допустим, это современный дом, и каждый счетчик передает показания в Интернет.

Объем. На один жилой дом из 400 квартир придется 1200 счетчиков-пользователей. У них будет копеечный траффик, но если все они будут висеть, к примеру, на базовой станции LTE, то места для людей на этой базовой станции уже не останется. И это один дом. А ведь базовую станцию, обычно, ставят на микрорайон или даже больше.

Потребление. Если электросчетчику еще можно обеспечить питание, то тянуть кабель к водосчетчику не слишком удобно. Значит радиомодуль водосчетчика должен работать от батарейки. Но даже хорошую батарейку Wi-Fi и LTE съедят за несколько суток. Мы же хотим, чтобы менять элемент питания не приходилось минимум год.

Другие приоритеты. Нам не нужен канал связи в 5 мбит/c, чтобы раз в сутки передать, сколько кубов воды набежало по каждой квартире. Хватит считанных бит. Мы ограничены по мощности передатчика, надо чтобы он не ел батарейку. Значит, можно использовать правило «больше энергии в один бит – выше вероятность приема» таким образом, что канал связи на минимальной скорости и с минимальной мощностью гарантированно пройдет нужное расстояние. Даже если сигнал будет ниже уровня шума.

После тщательного анализа рынка компания PartenerEnergo приняла решение строить свою сеть на базе стандарта LoRa.

Что такое LoRa?
Строго говоря, аббревиатурой LoRa (Long Range) обозначают лишь вид модуляции, то есть уровень l1 по модели OSI. Протокол канального уровня носит имя LoRaWAN. Но чаще всего «Лорой» называют совокупную систему, использующую LoRa на физическом и LoRaWAN на канальном уровне.

Работает это следующим образом. Базовая станция слушает эфир в заданном диапазоне частот. Когда она слышит запрос от какого-либо из устройств, то отвечает ему на частоте обращения. Ширина канала при этом составляет 125 кГц, максимальная скорость – чуть более 5 килобит/c. Да-да, вы не ослышались. Именно 5 и именно килобит/c. Этот стандарт Интернета вещей не создан для просмотра потокового видео. Его задача максимально быстро и гарантированно передать небольшое сообщение от датчика на базовую станцию. В зависимости от радиоусловий выбирается оптимальный набор параметров связи. За это отвечает SF (spreading factor) – коэффициент, к которому привязываются параметры передачи и приема. SF – это целое число, в стандарте он предусмотрен от 12 до 7. Чем выше SF, тем лучше помехозащищенность линии, но тем ниже скорость и тем больше времени в эфире занимает передача. Для примера, максимальная помехозащищенность достигается на SF=12. При этом время пакета в эфире составляет 2,466 сек, а скорость – 292 бит/сек.

Однако чем больше датчиков будут использовать базовую станцию, тем больше времени в эфире они займут. Потому, при хороших радиоусловиях, SF будет меньше. Растет скорость — падает время передачи.

Пакеты принимаются базовой станцией (в архитектуре LoRa ее чаще называют шлюзом), однако обрабатывает их следующее звено цепи – сетевой сервер. Этот сервер отвечает за управление всеми шлюзами, он решает через какой шлюз общаться с датчиком (если датчик слышно через несколько шлюзов) и определяет еще ряд важных параметров.

Однако сетевой сервер не обрабатывает полезную информацию из пакетов. Это делает следующее и самое важное звено – сервер приложений. Именно на сервере приложений происходит расшифровка показаний от датчиков, они в понятной форме раздаются либо в биллинг, либо в интерфейс потребителю, либо в другое заданное место.

Почему именно LoRa?
На данный момент существует несколько десятков стандартов Интернет-вещей. Часть из них универсальны, часть приспособлены решать свой круг задач. Все они более-менее придерживаются вышеописанных принципов. Есть даже стандарты на базе Wi-Fi и LTE. Так почему именно LoRa? Причин несколько:

1. LoRa использует частотный диапазон, разрешенный для использования в Молдове. Существуют системы LoRa для диапазона 433 МГц, но в нашей стране больше прижились частоты из диапазона 868. Там у нас есть 1,5 МГц нелицензируемого спектра. 864-865 МГц и 868,7-869,2. В первом интервале у нас есть ограничение по времени нахождения передатчика в эфире (не более 0,1%) и по мощности (не более 25 мВТ). Во втором – только по мощности (те же 25 мВт). Так же есть оговорки по поводу использования вблизи аэропортов. Как уже было упомянуто, ширина канала LoRa – 125 кГц. В стандарте предусмотрены 250 и 500, но в Молдове их обычно не используют. Итак, в 1,5 Мгц нам надо «запихнуть» 8 основных частот и одну резервную (RX2, второе окно, которое используется, если не проходит связь по основному каналу). Это возможно? Если строго придерживаться рекомендаций разработчика Semtech, то защитный интервал между каналами должен составлять 75 кГЦ. Значит, удастся разместить только 7 каналов. Не 9, но тоже хорошо. Есть надежда, что со временем ГКРЧ даст разрешение на расширение этого спектра.

2. LoRa как раз разрабатывалась для работы на мощности 25 мВт. И тут не нарушаем. Пусть вас не смущает столь низкий уровень – технология может работать ниже уровня шума.

3. LoRa – это открытый стандарт. Чипы для конечных устройств в свободной продаже, есть вся документация, и она открыта любому желающему. Датчики и радиомодули под этот стандарт только в Евросоюзе делают больше 10 компаний. Она не «вещь в себе», даже если пропадет один из производителей, останутся другие.

4. LoRa имеет хороший радиус действия, она может принимать информацию от устройств в подвале дома или в километре от базовой станции. На самом деле, может принять информацию и от датчика в 4 километрах городских условий. Но тут страдает стабильность, поскольку начинается потеря пакетов. Однако, километр или два мы имеем.

5. Датчики LoRa живут от батарейки минимум год. А то и больше. Тут есть зависимость от класса датчика (А, В или С). Самый живучий – А-класс — может продержаться несколько лет.


Варианты применения беспроводных сетей LoRaWAN
Пара слов о возможных применениях:

• считывание показаний счетчиков газа, воды, электричества;
• Smart Grid (мониторинг электрических сетей нового поколения;
• мониторинг автотранспорта и грузов на определенной территории (определение местоположения, информация о состоянии транспортных средств и грузов);
• контроль состояния контейнеров/емкостей на производстве (нефтехимические производства, контейнеры для отходов производства, контейнеры с опасными веществами);
• мониторинг производственного оборудования (уменьшение простоя, контроль параметров, обеспечение безопасности персонала);
• умные парковки (мониторинг доступности парковочных мест);
• мониторинг мусорных баков (оптимизация процессов утилизации мусора);
• умное уличное и пр. освещение (удаленное управление, контроль состояния);
• мониторинг погодных условий;
• контроль состояния люков (предотвращение несанкционированных проникновений);
• контроль наличия вредных веществ в атмосфере;
• сбор данных о состоянии окружающей среды (загрязнение, шум, дождь, ветер и пр.);
• пожарная, охранная сигнализация;
• автоматизация зданий (контроль температуры, влажности, управление воротами, жалюзи)