Технологии LoRaWAN

Технология LoRa, история появления

В  2015 года компания Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research предложили открытый сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), отличающийся энергоэффективностью и обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности  развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 15 км и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы устройств на одном аккумуляторе типа АА при 25мВт выходной мощности при вещании на нелицензируемой в России частоте 868 МГц.

Диапазон применений данной технологии огромен: от домашней автоматизации и интернета вещей (Internet of Things, IoT) до промышленности и умных городов.

Технология LoRa является плодом некоммерческой организации LoRa Alliance, основанной компаниями 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).

Аббревиатура LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN, разработанный Semtech, и открытый протокол LoRaWAN.

Архитектура 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.

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 подразумевается, 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 позаботились о 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:
 

Классы устройств в сетях LoRaWAN

  1. Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Их применяют, когда необходима минимальная потребляемая мощность при преобладании передачи данных к серверу. Инициатором сеанса связи выступает конечный узел, отправляя пакет с необходимыми данными, а затем выделяет два окна, в течении которых ждёт данных от сервера. Т.о. передача данных от сервера возможна только после выхода на связь конечного устройства.

  2. Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Отличаются от устройств «класса А»  выделением дополнительного окна приёма, которое устройство открывает по расписанию. Для составления расписания конечное устройство синхронизируетсяпо 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). Эти устройства 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.

 

Резюмируя вышесказанное, LoRaWAN позволяет строить глобальные распределённые беспроводные сети с большим числом конечных узлов, 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

Реализованные и находящиеся в работе проекты