LPWAN — это фундаментальная концепция LoRaWAN IoT.
LPWAN доминируют в индустрии IoT. Как подсказывает название, LPWAN - это группа стандартов беспроводной связи, нацеленная на оптимизацию двух показателей для Интернета вещей.:
- Низкое энергопотребление – датчики и устройства IoT должны постоянно передавать данные, но доступ к ним часто затруднен. Поэтому крайне важно, чтобы срок службы батареи был как можно дольше.;
- Большая зона покрытия – чтобы IoT-устройства были полезными, они должны иметь возможность общаться из любого места, везде, где они нужны, в том числе промышленные и сельскохозяйственные объекты, которые часто удалены от места обработки данных.
Стандарты LPWAN отличаются от стандартов беспроводной персональной сети (КАСТРЮЛЯ) такие технологии, как Зигби, блютус, и другие. Хотя последний можно использовать для Интернета вещей., диапазон и сфера их применения ограничены. Самая популярная технология LPWAN - это LoRaWAN IoT..
Сегментация рынка для Интернета вещей
В зависимости от требований к пропускной способности, Интернет вещей разделен на три рыночных сегмента:
- Высокая пропускная способность: Для приложений, которым необходима безопасность, широкополосная передача массовых данных или потоковая передача аудио и видео в реальном времени, сотовый (LTE, GSM) это распространенный сетевой вариант. Системы защиты и мониторинга - примеры вариантов использования. Из-за меньшего времени автономной работы, эти сети используют лицензированную полосу пропускания для более мощных услуг, дороже в эксплуатации, и обычно требуются местные источники питания для конечных устройств.
- Средняя пропускная способность: Zigbee и WiFi подходят для самых разных приложений умного дома., пока масштабированные варианты LTE (Cat-M1 и NB-IoT) больше подходят для приложений большой площади.
- Низкая пропускная способность: Недорогая структура технологии LPWAN(LoRaWAN IoT) позволяет ему покорять вертикали, предполагающие большие расстояния, ограниченные данные, и долгое время автономной работы. Сенсорное управление, дистанционный учет, умные утилиты, орошение, отслеживание активов, и мониторинг окружающей среды являются примерами этих приложений
LoRa (Дальний)
Устройства LoRaWAN и доступный протокол LoRaWAN позволяют интеллектуально управлять приложениями IoT, которые решают некоторые из самых насущных проблем в мире., включая накопители энергии, сохранение природных ресурсов, защита от загрязнения, надежность инфраструктуры, готовность к стихийным бедствиям, и больше. Системы LoRa Semtech и протокол LoRaWAN имеют длинный список приложений для интеллектуального учета., умные дома, умная цепочка поставок и логистика, умные города, умное сельское хозяйство, и другие области.
Важно отметить, что LoRa сама по себе не является реализацией LPWAN.. Чип, обеспечивающий модуляцию, известен как LoRa.. В любой сетевой настройке, уровень MAC необходим для настройки сети. LoRa Alliance поддерживает MAC-уровень LoRaWAN, который является синонимом чипов LoRa.. Хотя термин LoRa часто применяется ко всему протоколу, в этом документе будет использоваться строгое описание LoRa, чтобы отличить Symphony Link от Link Labs., который использует собственный MAC-уровень поверх чипа LoRa.
LoRaWAN
Спецификация LoRaWAN IoT - это тип технологии LoRa, в которой используются маломощные глобальные сети. (LPWAN) протокол. Протокол LoRaWAN использует радиочастотный спектр в медицинских (ISM) Промышленные, и научная группа для беспроводного подключения устройств с батарейным питанием к Интернету в состоянии, национальный, или глобальные сети. Протокол LoRaWAN вместе с параметрами физического уровня LoRa между устройством и инфраструктурой указаны в этой спецификации., что обеспечивает плавное взаимодействие между устройствами.
Сетевая инфраструктура LoRaWAN
В сетевой архитектуре LoRaWAN IoT, который реализован в топологии звезда-звезда, шлюзы передают сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым процессором. На физическом уровне LoRa используется беспроводная связь, чтобы воспользоваться преимуществами дальнего действия., включение единой точки связи между конечным устройством и одним или несколькими шлюзами. Двунаправленное соединение возможно в обоих типах, и группы многоадресной рассылки поддерживаются для эффективного использования спектра во время таких задач, как микропрограммное обеспечение по воздуху. (ФОТО) обновления или другие сообщения массовой доставки.
Конечные устройства
Для создания конечных устройств, которые будут подключаться к сетям LoRaWAN IoT., производители компьютеров будут зависеть от стандартов и квалификационных программ LoRa Alliance.. Они также могут быстрее выйти на рынок, используя уже существующие предложения по эталонному дизайну, предлагаемые некоторыми поставщиками., на основе своего опыта работы с LoRa в сетях IoT, эффективно включить сеть LoRaWAN в свой дизайн, а также получить лучшие практики для компьютерной связи и обмена данными в сети.
Радиосеть
LoRaWAN IoT-шлюзы, который может вместить множество датчиков и позволяет развертывать частные и общедоступные сети, можно использовать где угодно. Шлюзы обеспечивают двунаправленную связь и могут одновременно обрабатывать сообщения от большого количества конечных устройств на основе LoRa.. Поскольку шлюзы LoRa дешевле, чем базовые станции сотовой связи, расширение пропускной способности сети так же просто, как установка большего количества шлюзов. Шлюзы могут принимать что угодно от 8 к 64 каналы, позволяя сети обрабатывать миллионы сообщений каждый день. Эффективность радиосети (покрытие, надежность, представление, время безотказной работы, и надежность) прямо пропорциональна качеству шлюзов.
Центральная сеть
Сетевой сервер LoRaWAN IoT (LNS) могут быть установлены на месте или размещены на облачных платформах. Он направляет пакеты, полученные от нескольких шлюзов, на сервер приложений после их обработки.. Для развертывания и эксплуатации высокопроизводительной сети LoRaWAN IoT, вам понадобятся мощные ресурсы для отслеживания, настроить, контроль, и устраните проблемы со шлюзами, а также наградить желаемое сетевое QoS. Некоторые провайдеры предоставляют полный набор инструментов управления., называется Система поддержки операций (нас), на основе опыта работы в сотовых сетях, эффективно управлять всей сетью в режиме реального времени и гарантировать ее идеальную доступность для обработки критически важных данных.
Серверы приложений
API-интерфейсы могут использоваться для объединения функций сети радиодоступа непосредственно в репозитории приложений и информационные панели., упрощение настройки и управления сетью LoRa и IoT. Владельцы бизнеса должны расширить возможности сервера приложений с помощью дополнительных услуг, таких как доступ к конечным устройствам или геолокация., а также создавать инновационные услуги, которые приносят дополнительные источники дохода, максимально использовать технологии радиосвязи и опорных сетей.
Классы устройств
LoRaWAN IoT использует три класса устройств для связи на большие расстояния.
Класс А (обязательно для всех).
Устройства класса A открывают два коротких временных окна приема после каждой передачи. (обозначены как RX1 и RX2).
Интервалы от окончания передачи до открытия первого и второго временных окон могут быть настроены., но должен быть одинаковым для всех устройств в данной сети (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). Используемые частотные каналы и скорости передачи для слотов RX1 и RX2 могут отличаться.. Рекомендуемые значения приведены в отдельном документе — «Региональные параметры LoRaWAN», доступном на сайте LoRa Alliance..
Устройства класса А имеют самое низкое энергопотребление, но для передачи сообщения с сервера на конечное устройство, вы должны дождаться следующего исходящего сообщения с этого устройства.
Класс B (Маяк)
В дополнение к окнам приема, определенным для устройств класса A, Устройства класса B открывают дополнительные окна приема по расписанию. Чтобы синхронизировать время работы дополнительных, получать окна, шлюзы излучают маяки. Все шлюзы, которые являются частью одной сети, должны одновременно излучать маяки.. Маяк содержит идентификатор сети и отметку времени. (универсальное глобальное время).
Использование класса B гарантирует, что при опросе конечных точек, задержка срабатывания не будет превышать определенную величину, определяемую периодом работы маяков..
Класс C (Непрерывный)
Устройства класса C почти все время находятся в режиме приема, кроме интервалов передачи сообщений. За исключением временного окна RX1, терминал использует параметры приема RX2.
Класс C можно использовать там, где нет необходимости экономить энергию изо всех сил. (счетчики электроэнергии) или где необходимо опрашивать оконечные устройства в произвольное время.
Региональное покрытие
Скорость передачи данных
Выбирая скорость передачи данных, вы создадите сложный компромисс между диапазоном контактов и продолжительностью сообщения. более того, технология расширенного спектра гарантирует, что возможность подключения к нескольким DR не конфликтует друг с другом, в результате получается серия интерактивных «кодовых» каналов, повышающих пропускную способность шлюза.. Сетевой сервер LoRaWAN использует адаптивную скорость передачи данных. (ADR) схема для независимого мониторинга настройки DR и выходной мощности РЧ для каждой конечной точки для оптимизации срока службы батареи конечной точки и общей пропускной способности сети.
Безопасность
Аутентификация устройств:
LoRa поддерживает два метода проверки..
- Персонализированная активация ABP - здесь, Адрес DevAddr и ключи шифрования заранее записываются в гаджет (персонализация устройства))
Сетевые и программные сеансовые ключи, а также предварительно выделенный 32-битный сетевой адрес компьютера, используются для настройки устройств, аналогично распределению статических IP-адресов.
- Активация по беспроводной сети (OTAA) (требуется совместная процедура, во время которого создаются адрес DevAddr и ключи шифрования сеанса).
OTAA позволяет устройствам отправлять запросы на связь на сетевой сервер., который затем аутентифицирует компьютер и присваивает ему адрес, а также токен для получения ключей сеанса. Ключи сеанса сети и приложения извлекаются во время процедуры подключения из открытого ключа приложения, ранее предоставленного на устройстве..
Параметры
Полоса пропускания не влияет на скорость чирпа LoRa.. Частота щебета составляет, действительно, пропорционально пропускной способности. Учитывая, что символ LoRa состоит из чириканья 2SF, охватывающего всю полосу частот (SF обозначает коэффициент расширения log2.), взаимодействие между амплитудой чирпа и полосой пропускания имеет множество последствий:
Формат
Для ретрансляции физических кадров, LoRa использует базовую структуру:
Каждое сообщение начинается с преамбулы с восходящей ЛЧМ, которая кодирует синхрослово, охватывая всю полосу частот.. Термин «синхронизация» отличает сеть LoRa от сетей, работающих в том же частотном диапазоне..
Необязательный заголовок указывает размер полезной нагрузки, кодовая скорость, и присутствует ли CRC полезной нагрузки.
За заголовком следует полезная нагрузка и необязательный CRC..
Варианты технологии LPWAN
Растущее использование LoRa для Интернета вещей влияет на, изменение, и управлять нашим миром вокруг нас. Эта технология позволила значительно продвинуться в быстром обмене надежными данными., и привел к увеличению производительности для организаций, начиная от малых предприятий и заканчивая крупными городами.. В части ниже обсуждается важность технологии LoRa..
Технология LoRa способствует глобальному использованию Интернета вещей
Как будто технология Интернета вещей взрослеет, и существует множество причин, по которым сети на основе LoRa все чаще становятся предпочтительной сетью для инженеров-проектировщиков, работающих над множеством передовых приложений IoT.. Конечно, надежность, безопасность, и масштабируемость важны, но способность технологии работать на расстояниях до 20 километров при использовании доли энергии, необходимой для других платформ, также является привлекательным. Эти характеристики делают LoRa идеальным для двунаправленной передачи данных между умными зданиями., умные города, и даже между странами, и они позволят Интернету вещей играть все более важную роль в жизни практически каждого человека..
Преимущества LoRaWAN
- Большая дальность радиосигнала – до 30 км на открытой местности и до 8 км по городу.
- Уникальная проникающая способность радиосигнала – обеспечивает стабильную связь в труднодоступных местах: колодцы, подвалы, овраги, так далее.
- Сверхнизкое энергопотребление — позволяет устройству оставаться в сети до 10 лет от одной батареи:
- 200нА в режиме ожидания
- 11 мА в режиме приема (Rx)
- 40передача мА (Tx) (+ 14дБм)
- Двусторонняя связь — обеспечивает полное взаимодействие с устройствами, позволяет не только снимать показания, но также передача команд управления.
- Удаленное обновление программного обеспечения — позволяет удаленно перепрошивать программное обеспечение терминальных устройств..
- Высокая безопасность передачи данных – обеспечивается за счет 128-битного шифрования информации в режиме реального времени и обмена ключами (AES), с использованием криптографического протокола TLS.
- Использование современных DSP технологий, а также возможности оптимизации, заложенные в протокол LoRaWan, обеспечить работу до 1 миллионов устройств в сети одной базовой станции (5000 шт в 1 кв. Км для одной базовой станции)
- Работа в частотных диапазонах 433 и 868 МГц – не требует специальных разрешений для работы в сети.
Недостатки LoRaWAN
- Относительно низкая пропускная способность, варьируется в зависимости от используемой технологии передачи данных на физическом уровне, от нескольких сотен бит / с до нескольких десятков кбит / с.
- Задержка передачи данных от датчика до конечного приложения, связанный со временем передачи радиосигнала, может составлять от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.
- Отсутствие единого стандарта, определяющего физический уровень и управление доступом к среде для беспроводных сетей LPWAN..
- Риски спектрального шума в нелицензионном диапазоне частот.
- Собственная технология модуляции LoRa, запатентовано Semetech.
- Ограничение мощности сигнала.
LoRaWAN IoT приложения
- Вода&Учет газа
- Системы умного дома
- Обнаружение утечек
- Мониторинг окружающей среды
- Мониторинг транспорта
- Умная энергия
- Управление отходами
- Общественная безопасность
- Умная парковка
- Управление освещением
- Добыча нефти и газа
- Отслеживание местоположения
- Умное сельское хозяйство
- Домашний скот
- Меры предосторожности при стихийных бедствиях
Проблемы 5G
Благодаря непревзойденной скорости и мощности сигнала, 5Технология G набирает популярность. Это позволит подключенным устройствам обмениваться данными до 50% быстрее и крупнее, прокладывая путь к революции во всех отраслях.
Чтобы создать сеть 5G в заданном месте, конкретные сети должны быть построены с нуля. Несмотря на то, что 5G предшествует 4G, ему нужны современные роутеры, тканевые сети, и башни передатчиков.
Эта инфраструктура дорогостоящая и требует много времени для установки.. По данным Европейской комиссии, внедрение 5G в любой город Европы обойдется в 500 миллиардов евро..
более того, заказчики и поставщики пока не относились к технологиям 5G безразлично из-за их предполагаемого воздействия на здоровье человека..
Почему LoRaWAN IoT может заменить сеть 5G для IoT
LoRa / LoRaWAN будет выполнять во многом те же действия, что и 5G., хотя и медленнее и дешевле. Сомнительно, что вы будете использовать LoRa для отправки видео или аудио.. Скорость LoRa находится между 0.3 и 27 килобит в секунду, что гарантирует, что передача изображения займет много часов, а потоковая передача видео займет десятилетия..
LoRa, с другой стороны, имеет много других приложений.
Система создана для промышленных датчиков Интернета вещей., не для бытовой электроники. Он используется для отправки небольших пакетов данных (вокруг 240 байты) и не имеет сетевого IP-стека. Как результат, LoRa будет передавать температуру, влажность, вибрация, освещение, и другие связанные детали.
Как насчет NB-IoT
Узкополосный Интернет вещей (NB-IoT) сети используются некоторыми компьютерами с поддержкой LoRa. NB-IoT - это глобальная сеть с низким энергопотреблением (LPWAN) спецификация, установленная теми же организациями, которые производили протоколы 4G и 5G.
Другими словами, это сотовая технология, которая:
- работает в паре с LoRaWAN
- используется смартфонами с поддержкой 4G
- Как только 5G станет доступным, его можно продолжать использовать в течение некоторого времени.
- также имеет более высокую пропускную способность, чем LoRa, как сотовая технология.
NB-IoT не требует строительства какой-либо конкретной инфраструктуры; это просто требует установки приложений. Как результат, такая сеть быстро масштабируется, чтобы охватить миллионы пользователей.. Однако, по сравнению с системами LoRa, количество таких устройств намного меньше.
Самый большой недостаток в том, что NB-IoT потребляет много электроэнергии., что приводит к быстрой разрядке аккумуляторных батарей.
NB-IoT зависит от пошагового шифрования, который все больше устаревает, в то время как LoRaWAN использует сквозное шифрование, который представляет собой новый механизм протокола безопасности.
Будущее LoRaWAN
AWS LoRaWAN IoT - будущее LoRaWAN. AWS объединяет LoRa и IoT в единую управляемую облачную платформу. Через шлюзы LoRaWAN, Устройства LoRaWAN подключаются к AWS IoT Core. Правила AWS IoT будут отправлять системные сообщения LoRaWAN другим ресурсам AWS и обрабатывать их для форматирования результатов..
Сервисные и системные политики, необходимые AWS IoT Core для управления шлюзами и устройствами LoRaWAN и подключения к ним, управляются LoRaWAN AWS IoT Core.. Пункты назначения, которые определяют правила AWS IoT, которые отправляют системные данные другим поставщикам, также управляются LoRaWAN IoT Core..
История развития LoRaWAN
LoRa - это запатентованный частотный спектр. В 2008, Французская компания Cycleo запатентовала технологию, И в 2012 Semtech купил это. С этого момента, LoRaWAN взлетел. Semtech удалось привлечь внимание IBM и Cisco к новой технологии, который позже вошел в Альянс LoRa.
LoRaWAN (Глобальные сети дальнего действия) развернут в безлицензионном спектре частот.
Устройства в сети LoRaWAN асинхронно передают данные для отправки на шлюз. Несколько шлюзов, которые получают эту информацию, затем отправляют пакеты данных на централизованный сервер в сети., а оттуда на серверы приложений.
LoRa Alliance контролирует протокол во всем мире. Альянс объединяет 500 производители оборудования и программного обеспечения и операторы LoRaWAN.
Услуги связи LoRaWAN предоставляются 42 операторов в более чем 250 города по всему миру.
Как работает LoRaWAN
“ЛоРа Интернет вещей” (канал, соединяющий конечные устройства с точкой доступа оператора), построен с использованием технологии LoRaWAN, можно охарактеризовать тремя признаками: "далеко, автономный в течение длительного периода времени, и экономичный ».
Сети LoRaWAN имеют высокую скорость развертывания (от двух дней) и простой ввод в эксплуатацию. Топология «звезда» создает большой радиус покрытия для каждой базовой станции и исключает использование промежуточного оборудования..
Благодаря ADR (Автоматическая настройка скорости передачи данных) Режим, конечные устройства активны только во время передачи данных. Этот, в сочетании с малой мощностью самого передатчика, позволяет устройству работать автономно до 10 лет от одной батареи, а также увеличить количество устройств, обменивающихся данными с одной базовой станцией, и масштабировать сеть.
Низкая стоимость базовых станций и конечных узлов позволяет реализовать некоторые решения до 10 в разы дешевле по сравнению с слаботочными системами, такими как ZigBee или GSM / GPRS.
LoRa - это открытый стандарт, и это позволяет избежать монополии и зависимости от конкретных производителей оборудования.. Еще одно преимущество открытости - объединение разработчиков и производителей, использующих эту технологию, в альянс., что позволяет ему развиваться и продвигать быстрее и эффективнее.
Благодаря этим характеристикам, LoRaWAN идеально подходит для систем с высокими требованиями к стабильности связи на больших расстояниях и низкому энергопотреблению., позволяя конечным устройствам работать автономно и без подзарядки в течение длительного времени. Таким образом, есть возможность собрать в единую систему различные типы устройств – уличные фонари, приборы учета потребления ЖКХ (электричество, вода, газ, высокая температура), автопарк (контроль движения, расход топлива), устройства безопасности (контроль доступа), так далее. , а также создавать принципиально новые решения в сфере услуг связи, мониторинг, телематика, телемеханика, отправка, АСКУЭ, АСУ ТП, системы умного дома и умного города, так далее.
Развертывание LoRaWAN
LoRaWAN обычно распространяется в нелицензируемом спектре, позволяя каждому построить сеть IoT / LPWAN на основе LoRaWAN. В результате возможны три модели реализации.:
Операторская: Согласно этой традиционной модели, оператор инвестирует в построение национальной сети и предоставляет услуги подключения только своим абонентам.
На базе предприятия: Поскольку LoRaWAN работает в нелицензируемом спектре, а шлюзы относительно недороги и просты в установке., эта модель позволяет коммерческим клиентам создать свою собственную частную сеть.
Гибридная модель: Благодаря открытому дизайну, LoRaWAN создает самую интригующую гибридную парадигму, что невозможно или сложно в других конкурирующих технологиях LPWA или Cellular IoT. (за счет лицензионного спектра). Внутри 3GPP, есть проекты типа CBRS, однако они все еще находятся в разработке и далеки от готовности к крупномасштабному развертыванию Интернета вещей.. Эта модель позволяет государственно-частному сотрудничеству разделять сетевые расходы и продажи, в то же время уплотняя сеть, где приложения и сервисы наиболее распространены.. Поскольку несколько шлюзов будут принимать сообщения LoRaWAN, а сетевой сервер исключает избыточность, эта модель возможна. В ситуациях, когда сеть обслуживается несколькими операторами / предприятиями., LoRa Alliance уже принял архитектуру роуминга, которая позволяет операторам совместно использовать сеть. Эта модель сокращает расходы оператора, обеспечивая при этом трансформирующую бизнес-модель для развертывания возможностей Интернета вещей там, где это наиболее необходимо.. Мы проиллюстрируем, как потенциал LoRaWAN значительно масштабируется с плотностью шлюза в последнем разделе статьи..
