Что такое LoRa и LoRaWAN?

Сети LoRaWAN становятся популярными среди различных IoT-приложений и вертикалей, поэтому нелишним будет изучить их использование, особенности и работу. В этой статье мы рассмотрим, что такое LoRa и LoRaWAN по отдельности, а также основные различия между ними. Далее мы подробно рассмотрим, как реализовать сети LoRaWAN, основанные на схеме радиочастотной модуляции LoRa. Наконец, в завершение статьи мы определим различные потенциальные области применения устройств на базе LoRa и их преимущества перед другими доступными протоколами IoT communication. 

Что такое LoRa?

LoRa расшифровывается как "Long Range Wide Area" и является популярной схемой радиомодуляции для реализации маломощной и дальнобойной радиосвязи. Это одна из самых популярных схем радиомодуляции, используемых для дальних сетей Интернета вещей (IoT) и Машины и компьютеры (M2M). Хотя LoRa существует уже давно, именно в последнее время она приобрела большую популярность благодаря чипсетам, поддерживающим радиомодуляцию LoRa.  

Самое главное, что нужно помнить, - это то, что LoRa относится к физическому уровню или радиофизическому уровню, поэтому сама по себе LoRa не способна реализовать сетевые операции и обрабатывать сетевой трафик в IoT-приложениях. Частотный диапазон работы LoRa зависит от географического положения реализации. Например, в Европе LoRa работает в диапазоне 868 MHz, а в Северной Америке - 915 MHz. Кроме того, в условиях прямой видимости (LOS) канал связи comm может быть расширен до 10 км с помощью радиомодуляции LoRa. Однако следует отметить, что LoRa использует запатентованный радиочастотный спектр без лицензии.  

Что такое LoRaWAN?

LoRaWAN, однако, относится к сетевым средствам, включающим сетевые протоколы и управление трафиком, которые используют радиомодуляцию LoRa для обеспечения communication на большом расстоянии. LoRaWAN или LoRa Wide Area Network облегчает работу сетевого уровня и, таким образом, в основном востребована в промышленных IoT-приложениях. Она относится к категории не сотовых сетей LPWAN (Low Power WAN). Простыми словами можно сказать, что LoRaWAN - это сеть, использующая технологию LoRa. Она поддерживается LoRa Alliance, который позволяет устройствам взаимодействовать по беспроводной связи с помощью LoRa.  

Разница между LoRa и LoRaWAN

Рассмотрев отдельно LoRa и LoRaWAN, стоит кратко остановиться на основных различиях между LoRa и LoRaWAN. Как уже говорилось выше, LoRa сама по себе облегчает только физические объекты в ко1TP14Туникации, в то время как LoRaWAN предоставляет возможности сетевого уровня, обеспечивая полнофункциональную сетевую архитектуру. Изначально LoRa была запатентована под Semtechфранцузского производителя полупроводников, в то время как LoRaWAN была разработана Альянс LoRa.  

Соответственно, LoRa - это просто протокол радиосвязи, позволяющий работать на больших расстояниях, а LoRaWAN - это сеть, использующая протокол LoRa для реализации приложений LPWAN IoT.  

Технология и архитектура LoRaWAN

Четко понимая разницу между LoRa и LoRaWAN, мы теперь сосредоточимся на каждом из этих двух подходов в отдельности. Для начала мы остановимся на технологии LoRaWAN и ее архитектуре.  

Сеть LoRaWAN развертывается по топологии "звезда на звезде", где центральный хаб или узел отвечает за ко1TP14Туникацию и взаимодействие в сети. Типичная сеть LoRaWAN состоит из следующих компонентов:  

1. Присоединиться к серверу  
2. Сервер приложений  
3. Сетевой сервер  
4. Концентратор/шлюз  
5. Конечные узлы/устройства  

1. Присоединитесь к серверам

Серверы присоединения отвечают за обработку запросов на присоединение, отправляемых конечными устройствами при подключении к сети через сетевой сервер. Они поддерживаются в виде программного обеспечения на сервере, который следит за активацией конечных устройств по воздуху (OTA), обеспечивая тем самым их безопасную активацию. Процесс активации через сервер присоединения инициируется конечным устройством путем отправки кадров запроса присоединения по восходящей линии связи на сервер присоединения. Затем сервер присоединения сигнализирует сетевому серверу о том, какой сервер приложений должен быть подключен к запрашиваемому конечному устройству. Это со1TP14Туникализируется нисходящими кадрами присоединения-принятия. Кроме того, устройство присоединения отвечает за хранение следующей информации о каждом конечном устройстве в сети:  

• Профиль обслуживания конечного устройства  
• DevEUI - Это уникальный идентификатор для каждого конечного устройства  
• Appkey - ключ шифрования приложения.  
• NwkKey - ключ шифрования сети  
• Идентификатор сервера приложений  

2. Серверы приложений

Серверы приложений отвечают за обработку данных датчиков и приложений, отправляемых конечными устройствами. Эти данные затем представляются пользовательскому интерфейсу для принятия решений и интерпретации результатов на их основе. Сервер приложений также отвечает за генерирование информации о полезной нагрузке нисходящего канала для подключенных конечных устройств, которая направляется через сетевой сервер. В сети LoRaWAN может быть более одного сервера приложений, и любой уровень аналитики и обработки осуществляется поверх сервера приложений. Алгоритмы машинного обучения, методы обработки данных и бизнес-аналитика - вот некоторые из процессов, которые могут выполняться на уровне приложений. 

3. Сетевой сервер

Сетевой сервер LoRaWAN (LNS) играет ключевую роль в реализации и управлении всей сетью. Есть несколько общих черт, которые можно увидеть в сетевых серверах во всех сетях LoRaWAN. К основным из них относятся: 

• LNS отвечает за обеспечение безопасных 128-битных соединений с шифрованием AES для передачи сообщений, обеспечивая тем самым сквозную безопасность. 
• Проверка подлинности и целостности конечных устройств, подключенных к сети 
• Проверка адреса устройства для точной передачи сообщений по сети 
• Использование протокола адаптивной скорости передачи данных (ADR) для обеспечения адаптивной скорости передачи данных, что позволяет оптимизировать скорость передачи данных конечных устройств 
• LNS определяет лучший шлюз для маршрутизации сообщений по нисходящей линии связи на конечные устройства 
• Передает сообщения join-request и join-accept между конечными устройствами и сервером присоединения. 
• Передача полезной нагрузки приложения по восходящему каналу связи на соответствующий сервер приложений и управление полезной нагрузкой по нисходящему каналу связи, поступающей от различных серверов приложений, которая затем пересылается на соответствующие конечные устройства 
• Управление всеми устройствами уровня MAC (Media Access Control) commands 
• Управление всеми сообщениями восходящей линии связи, включая их дублирование, подтверждение надлежащего приема 

4. Концентратор/шлюз

Шлюзы или концентраторы - это устройства, отвечающие за прием сообщений от конечных устройств и их пересылку на сетевой сервер. Они подключаются к радиосигналам, модулированным LoRa, на нисходящем потоке (т. е. к конечным устройствам) и к IP-соединению на восходящем потоке (т. е. к сетевому серверу). Это восходящее соединение поддерживается сотовой связью (4G,3G, 5G и т.д.), Wi-Fi, Ethernet или даже по оптоволоконному соединению. По мере Шлюзы LoRaWAN не связаны напрямую с конечными устройствами, они могут получать информацию от нескольких конечных устройств. Из-за этого шлюзы получают дублирующие данные. Однако эти дубликаты обрабатываются сетевым сервером. Единственной функцией шлюза в отношении полученных данных является проверка их целостности с помощью различных схем обнаружения ошибок (например, CRC). Шлюзы также измеряют RSSI (Received Signal Strength Indicator) сообщений, поступающих от различных конечных устройств, чтобы помочь сетевому серверу исключить дублирование пакетов от нескольких конечных устройств. В случае нисходящей связи, т. е. передачи данных от сетевого сервера к конечным устройствам, шлюз просто передает данные целевому конечному устройству без дополнительной обработки. Шлюзы LoRaWAN бывают двух типов: 

• Шлюзы для помещений: Это экономичные решения, которые больше подходят для помещений, где требуется ограниченное покрытие. Обычно антенна встраивается внутрь, однако, в зависимости от требований, могут использоваться и внешние антенны. 
• Наружные шлюзы: Они обеспечивают большую зону покрытия и обычно устанавливаются на значительной высоте. Они также оснащены внешней антенной. 

5. Конечные узлы/устройства

Технологический стек сетей LoRaWAN может быть реализован с помощью трехслойной модели, состоящей из: 

• Прикладной уровень 
• MAC-уровень 
• Физический уровень 

Прикладной уровень отвечает за обработку данных датчиков и отправку commands на подключенные исполнительные устройства. Он также предоставляет пользовательский интерфейс для взаимодействия с сетью. 

Уровень MAC отвечает за установление соединения между шлюзами LoRaWAN и конечными устройствами. На этом уровне определяются классы устройств, которые также включают в себя различные опции, которые разработчик может определить в зависимости от приложения. 

Физический уровень основан на схеме радиочастотной модуляции LoRa, а частота модуляции определяется в зависимости от регионального диапазона ISM (Industrial, Scientific, and Medical). 

Классы устройств LoRaWAN 

Сетевые устройства LoRaWAN делятся на три класса в зависимости от режимов работы: 

• Класс A 
• Класс B 
• Класс C 

В режиме работы класса A конечное устройство отправляет сообщение восходящей линии связи, за которым следуют два коротких окна сообщений нисходящей линии связи. Каждое окно нисходящей линии задерживается на разную задержку от конца сообщения восходящей линии. Теперь сетевой сервер может отправить сообщение нисходящего канала только во время этих двух окон приема, если он не сможет этого сделать, то следующая передача нисходящего канала будет доступна после следующей передачи восходящего канала. Кроме того, если сетевой сервер смог отправить нисходящую передачу во время первого окна приема, конечное устройство не будет открывать второе окно приема. Устройства класса A часто работают от батарей и имеют высокую задержку передачи данных по нисходящей линии. Они наиболее подходят для приложений мониторинга окружающей среды и отслеживания местоположения, которые поощряют работу в режиме ожидания. Все устройства LoRaWAN должны поддерживать работу класса A. 

По сравнению с устройствами класса A, устройства класса B предоставляют окна приема по расписанию. Эти окна приема по расписанию представляют собой синхронизированные по времени сигнальные сообщения, передаваемые шлюзом. Это обеспечивает меньшую задержку передачи данных по нисходящей линии по сравнению с устройствами класса A. Предполагается, что устройства будут принимать сообщения нисходящей линии связи в определенные слоты пинга после получения каждого сообщения маяка от шлюзов. Однако недостатком режима работы класса B является то, что теперь устройство находится в активном состоянии в течение значительного времени, что сокращает срок службы батареи устройства. Тем не менее, устройства класса B используются как для мониторинга, так и для управления IoT-приложениями. Например, они используются в счетчиках коммунальных услуг и приложениях, регистрирующих температуру. 

Устройства класса C "всегда" прослушивают входящие сообщения по нисходящей линии связи, если только они не передают их (передача по восходящей линии связи). Это делает их более энергоемкими устройствами, и обычно они подключаются к электросети. Однако основным преимуществом устройств класса C является низкая задержка передачи данных по нисходящей линии по сравнению с аналогами. Среди популярных приложений, использующих устройства класса C, - уличные фонари и электрические счетчики с выключателями. 

Безопасность сети LoRaWAN

Безопасность является важным фактором в контексте приложений IoT, которые обычно работают с конфиденциальной информацией. Ниже перечислены основные меры безопасности, применяемые в сети LoRaWAN: 

• Процедура присоединения 
• Аутентификация сообщений 
• Устройство Commissioning 

Эти меры сетевой безопасности обеспечивают защиту сети от атак третьих лиц и гарантируют целостность подключенных устройств без ущерба для ценной информации. Они также обеспечивают управляемый трафик данных в сети с учетом ограниченности ее ресурсов. 

Процедура присоединения - это процедура, при которой конечные устройства подключаются к соответствующему серверу приложений с помощью сервера присоединения. Первоначально конечное устройство отправляет запрос на присоединение к серверу присоединения, который аутентифицируется сервером присоединения. После надлежащей аутентификации сервер присоединения отправляет конечному устройству сообщение join-accept, позволяющее установить соединение между конечным устройством и соответствующим сервером приложений. После принятия соединения конечное устройство и сервер присоединения генерируют индивидуальные сеансовые ключи на основе полученных метаданных. Сервер присоединения передает свои сеансовые ключи сетевым серверам и серверам приложений. При передаче трафик данных защищается на двух разных уровнях безопасности. Конечное устройство будет иметь другой 128-битный сеансовый ключ Application, передаваемый серверу приложений, который отличается от 128-битного сеансового ключа AES Network, передаваемого сетевому серверу. Таким образом, ни шлюз, ни сетевой сервер не могут напрямую прочитать пользовательские данные, передаваемые между конечным устройством и сервером приложений. 

Сеть LoRaWAN наследует возможность аутентификации сообщений благодаря опциям MAC-уровня, которые аутентифицируются на уровне шлюза перед передачей на сетевой сервер. Кроме того, в сетях LoRaWAN обязательна активация устройства. Сети LoRaWAN предусматривают два типа активации устройств: 

• Активация по воздуху (OTA) 
• Активация с помощью персонализации (ABP) 

Пользователь сможет выбрать любой из вариантов, однако предпочтительным вариантом является OTA. 

Модуляция LoRa

На протяжении всей статьи мы обсуждали свойства сети LoRaWAN, в этом разделе мы кратко расскажем о схеме модуляции LoRa RF и некоторых важных свойствах LoRa. LoRa - это запатентованная схема модуляции, основанная на Chirp Spread Spectrum (CSS). LoRa нацелена на реализацию ко1TP14туникации с низкой пропускной способностью и низкой скоростью передачи данных. Поскольку она основана на механизме CSS, увеличивая частоту чирпов, можно увеличить дальность со1TP14Туникации. Поскольку с увеличением частоты чирпа увеличивается коэффициент распространения, возникает вопрос о возможной интерференции частотных составляющих. Однако в LoRa используется ортогональное распределение чирпов, что позволяет избежать столкновения различных частотных компонентов. Это также обеспечивает устойчивость сигналов LoRa, делая их immune к многолучевым замираниям. I1TP14Устойчивость к многолучевым замираниям делает LoRa подходящим кандидатом для использования в городской среде, где многолучевое распространение имеет большое значение. Полоса пропускания для LoRa составляет 125 КГц или 500 КГц (для восходящей линии связи) и 500 КГц (для нисходящей линии связи), и в зависимости от региона эксплуатации этот частотный спектр меняется. 

Альянс LoRa

LoRa Alliance - это открытая некоммерческая организация, целью которой является создание массовых IoT-приложений с использованием сетей LoRaWAN, основанных на радиочастотной модуляции LoRa. Альянс LoRa сотрудничает с более чем 150 операторами сетей LoRaWAN по всему миру с более чем 500 компаниями, что обеспечивает глобальное покрытие. Это делает сети LoRaWAN интересным кандидатом для массовых IoT-приложений в глобальном контексте. Карта покрытия сети, показывающая текущее глобальное покрытие и текущие вертикали с приложениями на базе LoRa, доступна по ссылке: https://lora-alliance.org/ . 

Преимущества и недостатки LoRaWAN

Сети LoRaWAN стали популярными по многим причинам, так как они предоставляют множество преимуществ в контексте IoT и массивных IoT-приложений. К ключевым преимуществам LoRaWAN относятся: 

• Сети LoRaWAN потребляют мало энергии, поскольку устройства на базе LoRa оптимизированы для низкого энергопотребления  
• Устройства на базе LoRa имеют длительный срок службы батареи 
• Благодаря использованию радиочастотной модуляции LoRa, основанной на CSS, сети LoRaWAN могут расширяться до обширного диапазона. Это около 10 км в условиях сельской местности и около 3 км в условиях городской среды. 
• Благодаря наличию стандартизированных организаций, таких как LoRa Alliance, устройства на базе LoRa получили широкое распространение во всем мире, что делает их легкодоступными. 
• Еще одним преимуществом сетей LoRaWAN являются встроенные в устройства на базе LoRa функции безопасности. В этих сетях также используются 128-битные методы шифрования AES  

Несмотря на привлекательные характеристики, сети LoRaWAN всегда не являются лучшим вариантом. Сети LoRaWAN способны работать только с низкими скоростями передачи данных и могут передавать малое количество образцов данных в определенный момент времени. Поэтому нам необходимо кодировать такие типы данных, как текст, в двоичном формате, чтобы соответствовать небольшой полезной нагрузке сетей LoRaWAN. Кроме того, сети LoRaWAN не идеально подходят для обработки данных в реальном времени, поскольку устройства на базе LoRa могут отправлять данные через заданные промежутки времени. 

Когда использовать LoRa и LoRaWAN? (Приложения) 

LoRa и LoRaWAN подходят для реализации приложений IoT и массовых IoT, которые требуют следующих характеристик: 

• Низкая стоимость реализации 
• Низкое энергопотребление 
• Низкая пропускная способность и передача небольшой полезной нагрузки 
• Безопасность и большой радиус действия 

Эти характеристики ярко выражены в таких областях, как: 

• Интеллектуальные парковочные приложения 
• Приложения для мониторинга окружающей среды и учета коммунальных услуг 
• Отслеживание местоположения 
• Уличное освещение  
• Применение в сельском хозяйстве и управление животноводством 
• Приложение для прогнозирования стихийных бедствий, например, предсказание землетрясений 

Однако сети LoRa и LoRaWAN не являются идеальным кандидатом для таких приложений, как подключенные дома и автоматизированные домашние приложения, где требуется обработка данных в реальном времени и управление различными исполнительными устройствами. Приложения на основе LoRa также не являются лучшим кандидатом для приложений, требующих более высокой пропускной способности, например для передачи изображений или видео. 

Заключение

В заключение отметим, что LoRa - это схема радиочастотной модуляции, которая является основным физическим уровнем в сетевом стеке LoRaWAN. Более того, благодаря наличию стандартизированных организаций, таких как LoRa Alliance, сети LoRaWAN становятся популярными для маломощных приложений IoT и IoT с большой дальностью действия.