Технология LoRa

Постоянные читатели моего журнала наверное знают что я испытываю определенную слабость к различным технологиям радиосвязи, для этого достаточно ознакомиться с записями по тегу «радио». Сегодня расскажу о новой многообещающей технологии передачи данных по радиоканалу. Что же такое LoRa?Это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech, и реализованная в их чипах SX1272, SX1276, SX1278. Более подробно можно почитать здесь. Кому лень читать — перечислю основные ключевые особенности LoRa:1. Очень высокая чувствительность приемника (до -148 дБм)2. Применение технологии расширения спектра в сочетании с упреждающей системой коррекции ошибок, восстанавливающей искаженные биты данных, позволяет повысить отношение сигнал/шум и обеспечить работу в условиях импульсных помех. Демодулятор LoRa может работать при входном сигнале, ниже уровня собственных шумов, вплоть до -20 дБ.3. Высокая селективность приемника4. Низкое энергопотреблениеДанные особенности позволяют организовать каналы связи на относительно большие, измеряемые километрами, расстояния, при использовании весьма небольшой разрешенной мощности передатчика (10…100 мВт).Для экспериментов я заказал вот такие радиомодули RA-01(02)Внутри модуля находится трансивер SX1278 и некая схема обвязки, которую производитель не предоставляет в открытый доступ. По всей видимости, это изделие является клоном более распространенного модуля Hope RF RFM96W. Соответственно, сделал под них небольшие платы и проверил работоспособностьТак выглядит общение модулей друг с другом при стандартных настройках — в эфир идут короткие импульсы. Рабочая частота: 433.9 МГцПолоса: 125 кГцSF: 128 Максимальная измеренная мощность передатчика (она задаётся программно) составила 63 мВт (18dBm). После того как проверил работоспособность, решил еще немного постараться и сделал примитивные корпуса для переноски и испытаний изделий на местности.Таким образом удалось проверить связь в условиях относительно прямой видимости на дальности 1.5 км — приемник находился на подоконнике квартиры, передатчик в другом здании возле окна. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -102 dBmПри переносе передатчика вглубь здания изредка принимались отдельные пакеты данных.Аппаратно — программная частьПонятно, чтобы организовать связь с различными устройствами нужно иметь какой-нибудь высокоуровневый протокол связи. Вариантов пока не так много, я нагуглил всего два решения — LoRaWAN и MySensors:LoRaWAN — это открытый протокол для высокоемких (до 1 000 000 устройств в одной сети) сетей с большим радиусом действия и низким энергопотреблением, который LoRa Alliance стандартизировал для малопотребляющих глобальных сетей (Low Power Wide Area Networks, LPWAN). LoRaWAN сеть организована как сеть типа звезда и включает различные классы (А, B и C) узлов для оптимизации компромисса между скоростью доставки информации и сроком работы при батарейном питании. Протокол обеспечивает двустороннюю связь с шифрованием для всех классов устройств. Архитектура протокола разрабатывалась в том числе и для того, чтобы легко найти мобильные объекты для отслеживания передвижений – наиболее быстрорастущим направлением приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT). LoRaWAN разрабатывается с возможностью применения в общенациональных сетях крупных операторов связи и LoRa Alliance стандартизирует LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия с глобальными операторами связи.Как понимаете, это довольно «навороченный» и «тяжелый» протокол, рассчитанный на применение крупными операторами связи. Тем не менее, в цивилизованном мире имеется сеть The Things Network, это открытое сообщество, пользователи которого могут создавать, регистрировать устройства и концентраторы, экспериментировать с тем как все это работает, и т.д. Энтузиасты покупают за свои, в общем-то не малые, деньги многоканальные радиоконцентраторы LoRaWAN (шлюзы), подключают конечные («узловые») устройства и транслируют данные в сеть, таким образом все это оборудование становится частью большой глобальной сети.MySensors — полная противоположность LoRaWAN. Это простой и «легкий» открытый протокол для домашней автоматизации и «интернета — вещей». Из хорошего — поддерживает самые распространенные радиомодули, такие как NRF24L01, RFM69 и RFM9X(LoRa). Протокол постоянно совершенствуется — на данный момент последняя стабильная версия 2.2.0. Так же как и LoRaWan, MySensors имеет топологию «звезда» с поддержкой радиоретрансляторов.Для работы по протоколу MySensors устройствам требуется шлюз, с которым они будут взаимодействовать. Шлюз собирают на различном оборудовании, подробнее об этом здесь. По сути шлюз — это контроллер с радиомодулем, который общается с устройствами пользователя.Я создал шлюз на базе дешевого одноплатного компьютера Orange PI Zero и радиомодуля RA-02Код с пояснениями есть у меня на гитхабчике.Чтобы потестировать систему, написал простой код для тестового приемопередатчика на базе arduino. Устройство формирует специальный тестовый пакет (heardbeat), шлюз откликается. Далее замеряется уровень принимаемого сигнала и выводится в терминал.Ну и самое вкусное — тест на максимальную дальность двухсторонней связи при стандартных настройках трансиверов. Для теста подключил шлюз к серьезной стационарной коллинеарной антенне, о которой рассказывал ранее.Мобильное устройство с ноутбуком на борту перемещалось на автомобиле. В условиях прямой видимости и определенной зашумленности LPD-диапазона, удалось получить дальность связи 7.3 км. Уровень принимаемого сигнала (RSSI): -93 dBm.Думаю, это далеко не предел. Существуют еще программные возможности увеличения чувствительности, правда, в ущерб скорости передачи данных. В связи с вышеизложенным интересует следующий вопрос — как думаете, если разработать еще один высокоуровневый протокол любительского уровня с поддержкой большого количества конечных устройств, шлюзов и радиоретрансляторов для расширения покрытия сети, было бы это кому нибудь интересно? Таким образом можно было бы создать простую и дешевую любительскую радиосеть большого радиуса действия с возможностью управления своими устройствами через сеть Интернет, а так же получения разнообразной телеметрии с них. С горечью признаю что радиолюбительство в нашей стране вымирает как класс, в то время как в других странах все происходит с точностью до наоборот. Помимо классической аналоговой голосовой связи, идут активные эксперименты с различными, новыми и не очень, технологиями цифровой радиосвязи — APRS, DMR, D-Star… Может хотя бы нелицензируемая LoRa сможет придать новый импульс отечественному радиолюбительскому движению?Содержание

Коммуникации в IoT

Для физической связи между подобной аппаратурой, есть много различных разных видов коммуникации: USB, WIFI, WAN, LAN, firewire, радиоточки, сотовые сети, оптический кабель или же даже прямой луч лазера. В промышленных, охранных, пожарных системах часто применяется прямое кабельное соединение RS-232 или RS-485. Все они неплохи для своей ниши, но имеют ряд недостатков, некоторые из которых – вытекают из их достоинств:

• Беспроводные, высокоскоростные – WIFI, firewire, WAN, радиоточка. Относительные невеликие расстояния, но возможность передавать данные без искажений с высокой плотностью обмена. Конечно, для потребителей это большой плюс. Вот только энергопотребление на конечных устройствах довольно высоко, а к примеру, какому-либо датчику не нужно перегнать по каналу мегабайты или гигабайты информации, достаточно просто сообщить с определенным периодом (или по запросу) о своем состоянии. Причем не затрачивая на это большое количество энергии, которую ему (то есть датчику) еще нужно откуда-то брать. Опять же – для подобных систем связи в Российской Федерации есть определенные ограничения на ширину диапазона передачи, частотные полосы и максимальную мощность излучателей для них. Например, официально нельзя, чтобы сила радиосигнала превышала 25 мВт и работала за пределами частот 2400, 5000, 864-865,5 и 868,7-869,2 МГц, при спектральной ширине канала более 125 кГц. А чем больше нужно вместить данных в этот, достаточно узкий, промежуток и передать их дальше, тем более потребляющий энергию и «умный» ретранслятор нужен.

• Сотовая связь. Опять же, высокое потребление энергии. Кроме того, ограниченность количества устройств. В этом типе коммуникации важны центральные ретрансляторы-точки соты. Скорость обработки и передачи данных в подобных сетях сильно зависит от количества конечных абонентов. При слишком большом размере, скажем нескольких сотен тысяч датчиков – связь станет очень медленной, да и для обработки запросов клиентов понадобится довольно серьезная техника на каждом участке сети. Имеются в виду не только сервера – обработчики подключения или приемникипередатчики, но и клиентские (датчики или контролеры), а конкретнее их электронные компоненты, отвечающие за осуществление связи с базовой станцией. Вся эта система попросту будет экономически невыгодна.
• Световые и лазерные коммуникации. Собственно, использовать такие системы для связи от каждого устройства с управляющим процессором – просто не реально. Тут нужна прямая видимость и отсутствие препятствий.
• Проводные сети LAN, USB, RS-232, RS-485. А в этом случае как раз все упирается в расстояния для некоторых из них (LAN-Ethernet и USB). Опять же, физические каналы для подобного оборудования – кабель, а его возможность проложить существует далеко не всегда. Да и для высокоскоростных вариантов канала, для достаточной их длины, части линии должны быть соединены через высокотехнологичные повторители или коммутаторы.

            Итак, рассмотрев все минусы существующих коммуникаций, подведем итог – идеальная связь для управляющих и сигнальных систем с малым объемом передаваемой информации должна:

• не быть привязанной к проводам, а использовать радиосигнал;
• иметь большую дальность передачи, при низком энергопотреблении;
• быть защищена от помех внешних факторов, наподобие препятствий среды – стен, переборок, мачт, потоков воды и подобных;
• для радиосигнала не выходить за пределы мощности, широты и частоты разрешенных диапазонов.

Для приближения к такому идеалу есть много решений. Одним из них служат коммуникационные сети LoRa, или, как их еще называют по протоколам, использующимся в канальном уровне – LoRaWAN. Относятся такие сети к типу LPWAN, то есть Low Power Wide Area Network — «глобальная сеть малой мощности», а само название расшифровывается как Long Range – «большая дальность», которое хорошо характеризует суть использования и возможности, предоставляемые сетью.

Архитектура сети

Датчики

Сигнализирующие и управляющие приборы для этой системы трансляции информации делятся на три класса – A, B, C. Размежевание между ними зависит от того, насколько часто и каким образом прибор ведет двунаправленный обмен данных с базовой станцией LoRaWAN:

Шлюз

Основная структура LoRaWAN – сеть типа «звезда». Если просто объяснить эту систему, то выглядит она так: несколько приборов контроля или сигнализации подключаются беспроводным сигналом к шлюзу, который работает в режиме коммутатораповторителя. Сам он не производит обработку информации, а просто служит ретранслятором, объединяющим несколько клиентских устройств. Уровнем выше находится сетевой сервер, к которому присоединяются шлюзы LoRa. Причем соединение между повторителем и узлом выше может быть достигнуто с помощью сетей другого, как физического, так и программного типа. В этом случае обычно уже используют как чистый Ethernet, так и другие беспроводные технологии WIFI, LTE, 3G, WAN. Причина – сумма собранных на шлюз информационных пакетов уже имеет намного больший размер, чем передаваемая от одного датчика, ведь она ретранслируется со многих из них. То же самое касается и управляющих последовательностей – пришедший от сервера общий пакет шлюз уже делит и распределяет по контролирующим устройствам.

Сервер

Что касается самого сервера, – он служит для общего управления топологией и устройствами сети, хранения и обработки данных, контроля скорости передачи.

Сервер приложений

Уровнем выше уже идут так называемые «сервера приложений», а конкретно – цифровые станции в виде персональных компьютеров, тонких клиентов сети, планшетов, смартфонов, КПК, на которых работают программы, контролирующие пришедшую информацию и отдающие команды программному обеспечению центра ниже уровнем. Другими словами, предоставляют конечный интерфейс между сервером LoRaWAN и оператором системы. Графически вся структура выглядит следующим образом:

Преимущества и недостатки технологии

LoRaWAN, в качестве канала передачи цифровых данных, имеет свою положительные моменты, так же, как и недостатки. Итак, плюсы этой сети сравнительно с коммуникациями других видов:

• Позволяет подключать очень большое количество внешних как датчиков, так и контроллеров оборудования. Кроме специализированных – никакая другая сеть не выдержит сотни сигнализирующих устройств на один финальный сервер и сотни контроллеров оборудования дополнительно. Причем все это – без потери функциональности последних.
• Низкое энергопотребление для передачи данных, доходящее до того, что одной батарейки на датчике, периодически отправляющем свою информацию на базу LoRa, хватает на несколько лет.
• Расстояние передачи. При отсутствии внешних помех, была зарегистрирована дальность в 25 километров, а это практически уровень горизонта. И все это – не превышая мощности передатчика сигнала по стандарту в 25 мВт. Причем не просто осуществилось соединение, но и были без потерь переданы пакеты данных.

• Малая чувствительность сигнала к помехам, характерным для урбанистической среды – сторонних передатчиков, кирпичных и шиферных перекрытий. Слабое воздействие погодных условий на условия приемапередачи.
• Масштабируемость для больших расстояний и количества контролируемого оборудования. Вытекает из всех, уже названых – дальности работы и множества подключаемых устройств. Другими словами – для распределения LoRaWAN на большой территории не нужно увеличивать расходы. То есть, денежная цена оборудования площади большого масштаба будет практически равна затратам на такую же сеть маленького размера.
• Не нужно получать лицензию в Радионадзоре для использования LoRa. Параметры частоты, мощности и ширины канала физического беспроводного оборудования полностью находятся в пределах разрешенных диапазонов Российской Федерации. Есть даже неофициальное название таких, не требующих лицензии характеристик сети, – ISM band, то есть Industrial Scientific Medical band, или «группа частот для индустрии, науки, медицины».

• Безопасность сети. Обеспечивается тремя факторами – каждое конечное устройство прошивается внутренним идентификатором и кодом сети подключения. Связь возможна только при совпадении этих данных с базовой станцией (со стороны устройства – код сети, со стороны базы – принадлежность этого ИД текущему приемнику). Кроме того, используется шифрование передаваемых данных по алгоритму AES, с обменом ключами между узлом и подчиненной единицей. Информация на уровне приложения пользователя также кодируется.

Собственно, чтобы получить полную характеристику преимуществ и общее понимание про сеть LoRa, стоит свести все данные о ней в таблицу:

* Данные указаны только для промежутков, разрешенных в РФ

Кроме достоинств, есть у LoRaWAN определенные недостатки. Некоторые из них вытекают из достоинств физических или программных уровней коммуникации:

• Низкая скорость передачи пакетов данных. Максимальная скорость – не более 5,5 кбитсекунду. Тут как раз взаимосвязь между расстояниями и отсутствием потерь пакетов информации. Ведь чем ниже скорость обмена, тем меньше сторонних помех (радио, искровые, искажения сигналов при проходе через препятствия) воздействуют на нее в физическом плане. Это в свою очередь дает большую четкость передаваемых сигналов, а значит – меньшее количество запросов повторной пересылки данных, в случае искажения содержания уже отправленных бинарных пакетов. Собственно, для датчиков и контролирующих устройств этого вполне достаточно, а вот аудио данные или видео информацию (с камер, предположим) передать уже не получится.
• Стандарт закрыт патентами Semetech на уровне чипов. Соответственно, никаких сторонних производителей, кроме купивших лицензию на производство подобного оборудования, вернее его компонентов, – попросту не существует. Большой минус подобного подхода – практически одинаковая, завышенная цена на конечные датчики, контроллеры, базовые и приемные станции LoRaWAN.

• Мощность сигнала. Увеличить дальность работы сети LoRa простым повышением мощности передатчиков невозможно, даже если получить лицензию контролирующих органов на эту процедуру. Стандарт не подразумевает повышения свыше 25 мВт. Приходится для увеличения дальности «пробоя» связи LoRaWAN размещать ретранслирующее оборудование на возвышенностях рельефа или высоких объектах инфраструктуры, что не всегда удобно или безопасно.
• Задержка. Подобная топология, которая используется в сетях типа «звезда», приводит к замедлению отклика от конечных устройств, присоединенных к каждому из узлов, между сервером и ими. Она не критична, но довольно существенна. Это не позволяет развернуть подобную инфраструктуру на предприятиях или в организациях, в которых требуется высокое время отклика, для систем контроля в реальном времени (таких, к примеру, как АЭС).

Применение

Ограниченная скорость передачи информации не дает развернуть такие сети для многих сфер деятельности. Тем не менее, повышенная дальность работы, при низких затратах энергии – большой плюс. Итак, для чего наиболее подходят сети стандарта LoRaWAN:

1. Слежение за датчиками, показания которых не критичны. Контакторы пересеченияразрушения ограждений, информаторы состояния туннелей, мостов, датчики исправности или состояния оборудования. Различные счетчики, применяемые в приборах учета производств или ЖКХ (включая возможность управления ими – вклвыкл проверяемой линии).
2. Управление относительно простыми устройствами, задание программ их работы (сюда относятся станки предприятий, светофоры, лампы наружного или внутреннего освещения, системы вентиляции, вытяжки).
3. Контроль положения транспорта. Сеть имеет хорошую дальность прохождения, а значит, она во многом идеальна для определения координат той или иной техники в текущий момент (при использовании в связке с GPS или Глонасс).

LoRaWAN в России

Многие проектно-монтажные организации в РФ предлагают услуги для установки оборудования сетей LoRa, для того или иного использования. Вот только, в отличие от информации в большинстве рекламных буклетов – не видно особо крупных проектов, построенных по этой технологии. Практическое применение пригодилось бы службам ЖКХ, но низкая скорость обмена данными ставит под большой вопрос эту необходимость. Взять хотя бы информацию с 1000-100000 счетчиков электроэнергии – тут уже сложно все полученные данные запихнуть в ширину канала связи LoRaWAN. Вернее, уложить можно, вот только идти они будут долго, причем блокируя своей передачей управляющие команды центра, например, на отключение должников.

Есть исключение: в одном достаточно крупном населенном пункте на основе LoRa используется контроль за уличным освещением – получение информации об исправныхнеисправных лампах, попытках кражи энергии. Также через возможности этой сети также происходит управление включением или выключением света.Блог компании RealTrac TechnologiesВ 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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.Используемые источники:

• https://vladikoms.livejournal.com/114226.html
• https://future2day.ru/set-lorawan/
• https://m.habr.com/ru/post/304312