Технологія LoRaWAN

29 вересня 2021
Зміст:
  1. Технологія LoRaWAN
  2. Як влаштована мережа LoRaWAN
  3. Архітектура мережі LoRa
  4. Переваги технології LoRaWan
  5. Особливості технології
  6. Три класи пристроїв
  7. Варіанти застосування LoRaWAN для Smart City
  8. Приклади реалізованих проєктів у світі та Україні
  9. Замовити LoRaWAN рішення

Технологія LoRaWAN на Romsat.ua

Технологія LoRaWAN

За останні роки все більш популярною у всьому світі стає так звана концепція Розумного міста (Smart City), що включає в себе спеціалізовані комунікаційні та інформаційні технології. Вони націлені на поліпшення якості роботи та підвищення ефективності як в агросекторі, так і для міських служб із різних галузей — комунальних послуг, транспорту й енергетики. Таким чином, розумні технології використовуються для підвищення якості життя громадян, а також для вирішення такого важливого завдання, як скорочення споживання ресурсів і всіх витрат, які необхідні для повноцінного функціонування всієї багатокомпонентної міської інфраструктури.

У процесі здійснення цієї концепції значно збільшується кількість датчиків, які використовуються для взаємодії між пристроями (M2M) та з'єднання цифрового світу з фізичним. Для забезпечення надійного підключення великої кількості сенсорів та їхньої тривалої роботи потрібна перспективна мережева технологія, в ролі якої виступає прогресивна технологія LoRaWAN (глобальна мережа великого радіусу дії).

Як влаштована мережа LoRaWAN

Щоб зрозуміти основний принцип дії сучасної технології LoRaWAN, спочатку необхідно розібратися в її основах. Власне, абревіатура LoRa об'єднує в собі метод модуляції LoRa у бездротових мережах LPWAN та відкритий протокол LoRaWAN. Цей протокол використовується для взаємодії між LPWAN-шлюзами, а також кінцевими пристроями.

Читайте також: LoRaWAN - універсальні логістичні технології

Особливістю цієї технології є надійність передачі даних та відстань, на яку може бути передана інформація (10-15 км). Одна базова станція може обслуговувати більше тисячі пристроїв, причому з'єднання використовується двостороннє. Технологія LoRa забезпечує швидкість передачі в бездротовому каналі від 0,3 до 50 Кбіт/с.

Коли кінцевий пристрій починає передавати дані, його слухать усі доступні шлюзи (базові станції). Далі вони передають інформацію на мережевий сервер, який за параметрами про якість сигналу, віддаленість до пристрою та іншими метаданими  вирішує, яка базова станція повинна відповісти пристрою. А далі дані відправляються на сервери додатків.

LoRaWAN мережа має топологію зірка із зірок, має кінцеві вузли, які через шлюзи, що утворюють прозорі мости, спілкуються з центральним сервером мережі. За такого підходу зазвичай передбачається, що шлюзами і центральним сервером володіє оператор мережі, а кінцевими вузлами — абоненти. Абоненти мають можливість прозорої двобічної та захищеної передачі даних до кінцевих вузлів.

Також варто зазначити, що ефективна передача інформації та контроль рухомих пристроїв забезпечується за рахунок використання кількох шлюзів одночасно та відсутності прив'язки у кінцевих вузлів. Саме завдяки цій особливості технології LoRa вільний обмін даними можливий, наприклад, між бездротовими датчиками, розміщеними на вантажних контейнерах.

Архітектура мережі LoRa | romsat.ua

Архітектура мережі LoRa

Мережева архітектура LoRa складається з декількох ключових елементів, до яких належать:

  • Кінцевий пристрій (один або декілька) — призначений для здійснення функцій керування або вимірювання Він містить набір необхідних датчиків та елементів керування;

  • Шлюз — пристрій, що приймає дані від кінцевих пристроїв за допомогою радіоканалу та передає їх у транзитну мережу. В якості такої мережі можуть виступати Ethernet, Wi-Fi, стільникові мережі та будь-які інші телекомунікаційні канали. Шлюз і кінцеві пристрої утворюють мережеву топологію типу зірка. Зазвичай цей пристрій містить багатоканальний приймач для обробки сигналів у декількох каналах одночасно або навіть декількох сигналів в одному каналі. Відповідно, декілька таких пристроїв забезпечують зону покриття мережі та прозору двосторонню передачу даних між кінцевими вузлами та сервером;

  • Мережевий сервер — призначений для управління мережею: завданням розкладу, адаптацією швидкості, зберіганням і обробкою отриманих даних;

  • Сервер додатків — може віддалено контролювати роботу кінцевих вузлів і збирати необхідні дані з них.

Як правило, в межах LoRa власником шлюзів і центрального сервера є оператор мережі, а кінцевих пристроїв — абоненти, передаючи дані двоспрямовано і забезпечуючи належний захист.

Переваги технології LoRaWan

Прогресивна технологія LoRaWAN має такі істотні переваги:

  • відсутність необхідності ліцензувати частоти (868,0 – 868,6 МГц), у діапазоні яких розгортаються мережі LoRaWAN;

  • обслуговування до декількох тисяч пристроїв за допомогою однієї базової станції;

  • великий радіус дії сигналу;

  • висока стійкість до перешкод;

  • тривалий термін служби елементів живлення, який може сягати 10 років;

  • автономна робота пристрою в разі застосування сонячних батарей до моменту закінчення його ресурсу.

Особливості технології

LoRaWAN є перспективною технологією бездротового зв'язку, яка має високу надійність та стійкість до перешкод, а також вимагає малого споживання енергії від кінцевих пристроїв.

Читайте також: Рішення для відстежування активів (Asset tracking)

Серед особливостей цієї технології виокремлюється декілька основних характеристик, які заслуговують на окрему увагу.

Термін служби батареї

У порівнянні з іншими технологіями, що функціонують у цій сфері, автономність пристроїв у технології LoRaWAN в 3-5 разів вища. Це обумовлюється меншою енергозатратністю за рахунок асинхронного обміну даними пристроїв лише у той момент, коли їм необхідно здійснити передачу. Так витрата енергії є невеликою, а автономний термін служби акумулятора збільшується.

Легкість розгортання

Для розгортання такої мережі потрібна мінімальна кількість інфраструктури, що також є її беззаперечною перевагою. Досить придбати шлюз та датчики. Сучасні шлюзи підтримують підключення до мережі 3G, 4G, Ethernet тощо.

Ємність мережі

За рахунок того, що одна базова станція може одночасно обслуговувати декілька тисяч пристроїв, а для розгортання мережі потрібна мінімальна інфраструктура (шлюз і доступ до мережі Інтернет), ми отримуємо можливість побудови мережі, що обмежується лише нашими можливостями та ресурсами.

Безпека

Сучасна мережева технологія забезпечує повну безпеку та захист переданих користувачами даних, що забезпечуються шифруванням AES на декількох рівнях:

  • на мережевому рівні з використанням унікального ключа мережі (Unique Network key, EUI64);

  • наскрізну безпеку на рівні додатків за допомогою унікального ключа додатки (Unique Application key, EUI64);

  • спеціального ключа пристрою (Device specific key, EUI128).

Алгоритми AES використовуються для забезпечення аутентифікації та цілісності пакетів на мережевому сервері та наскрізного шифрування на сервері додатків. Надаючи ці два рівня, стає можливим реалізувати «розраховані на багато користувачів» загальні мережі без того, щоб оператор мережі мав видимість даних корисного навантаження користувачів.

Три класи пристроїв

Розрізняються три основні класи кінцевих пристроїв, які обслуговують різні додатки. Кожен із них має певні відмінності й особливості, а також пред'являє різні вимоги.

Клас A

Двонаправлені кінцеві пристрої «класу А» (Bi-directional end-devices, Class A). Пристрої цього класу застосовуються, коли необхідна мінімальна споживана потужність із перевагою передачі даних до сервера. Ініціатором сеансу зв'язку виступає кінцевий вузол, відправляючи пакет із необхідними даними, а потім виділяє два вікна, у перебігу яких чекає даних від сервера. Таким чином, передача даних від сервера можлива тільки після виходу на зв'язок кінцевого пристрою.

Читайте також: Вигоди Розумних Міст з LoRaWAN

Клас B

Двонаправлені кінцеві пристрої «класу Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Основна відмінність від пристроїв «класу А» полягає у виділенні додаткового вікна прийому, яке пристрій відкриває за розкладом. Для складання розкладу кінцевий пристрій здійснює синхронізацію за спеціальним сигналом від шлюзу. Завдяки цьому вікну сервер має можливість почати передачу даних у заздалегідь певний час.

Клас C

Двонаправлені кінцеві пристрої «класу С» з максимальним вікном для прийому даних (Bi-directional end-devices, Class C). Пристрої цього класу мають майже безперервне вікно прийому даних і закривають його лише на час передачі даних. Це дозволяє їх застосовувати для вирішення завдань, що вимагають одержання великого обсягу даних.

Відео: LoRaWAN для розумного міста, ключові нюанси застосування


Варіанти застосування LoRaWAN для Smart City

Smart city LoRaWAN

Існує декілька основних сфер, в яких може застосовуватися сучасна технологія у загальній системі Розумного міста. До них належать такі варіанти її експлуатації:

  • зняття показань лічильників;
  • вуличне освітлення;
  • розумні будівлі;
  • розумна парковка;
  • відстеження вантажів;
  • виявлення витоків води;
  • моніторинг рівня води;
  • оповіщення про виникнення аварійних ситуацій;
  • управління трафіком;
  • розумна енергетика;
  • управління відходами;
  • виявлення диму тощо.
З плином часу технологія продовжує вдосконалюватися та поліпшуватися, одночасно з чим зростає й перелік тих областей, де вона може бути ефективно використана.

Варіанти LoRaWAN для Smart City

Приклади реалізованих проєктів у світі та Україні

Наразі ця технологія набуває значного поширення в усьому світі. Так, наприклад, в Амстердамі (Нідерланди) була використана мережа датчиків, що була розміщена на сміттєвих контейнерах. Для покриття площі у 219 км2 треба було всього 10 базових станцій, на що було витрачено 12 000 доларів США.

Читайте також: Розширення асортименту сенсорів LoRaWAN

Окрім того, також своє поширення має технологія LoRaWAN в Україні, що відображається в таких прикладах:

  • у Перемишлі спеціальні датчики були встановлені для того, щоб вимірювати рівень води в річці Сан;

  • 143 датчика були встановлені в районі приватної забудови силами підприємства «Кіровоградгаз» у Кропивницькому, після першого тесту яких були встановлені ще такі модулі у загальній кількості 1300 одиниць;

  • у київському ТРЦ «Артмолл» було встановлено розумне освітлення на парковці, і за рахунок такого обладнання вдалося досягти економії енергоспоживання в розмірі 80%.

Таким чином, технологія LoRaWAN є прогресивною та отримує все більшу популярність, завойовуючи довіру користувачів великим переліком безперечних переваг, якими вона володіє.