Технология LoRaWAN

1. Технология LoRaWAN
2. Как устроена сеть LoRaWAN
3. Архитектура сети LoRa
4. Преимущества технологии LoRaWan
5. Особенности технологии
6. Три класса устройств
7. Варианты применения LoRaWAN для Smart City
8. Примеры реализованных проектов в мире и Украине
9. Заказать решения LoRaWAN

В последние годы все более популярной во всем мире становится так называемая концепция умного города (Smart City), включающая в себя специализированные коммуникационные и информационные технологии. Они нацелены на улучшение качества работы и повышения эффективности как в агросекторе, так и для городских служб из разных отраслей — коммунальных услуг, транспорта и энергетики. Таким образом, умные технологии используются для повышения качества жизни граждан, а также для решения такой важной задачи, как сокращение потребления ресурсов и всех расходов, необходимых для полноценного функционирования всей многокомпонентной городской инфраструктуры.

Читайте также: LoRaWAN - универсальные логистические технологии

В процессе осуществления этой концепции значительно увеличивается количество датчиков, используемых для взаимодействия между устройствами (M2M) и соединения цифрового мира с физическим. Для обеспечения надежного подключения большого количества сенсоров и их длительной работы требуется перспективная сетевая технология, в роли которой выступает прогрессивная технология LoRaWAN (глобальная сеть большого радиуса действия). 

Как устроена сеть LoRaWAN

Чтобы понять основной принцип действия современной технологии LoRaWAN, сначала необходимо разобраться в ее основах. Собственно, аббревиатура LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN и открытый протокол LoRaWAN. Этот протокол используется для взаимодействия между LPWAN-шлюзами, а также конечными устройствами.

Особенностью этой технологии является надежность передачи данных и расстояние, на которое может быть передана информация (10-15 км). Одна базовая станция может обслуживать более тысячи устройств, причем соединение используется двустороннее. Технология LoRa обеспечивает скорость передачи в беспроводном канале от 0,3 до 50 Кбит/с.

Читайте также: Решения для отслеживания активов (Asset tracking)

Когда конечное устройство начинает передавать данные, его слушают все доступные шлюзы (базовые станции). Далее они передают информацию на сетевой сервер, который по параметрам о качестве сигнала, удаленности устройство и другим метаданным решает, какая базовая станция должна ответить устройству. А далее данные отправляются на серверы приложений.

LoRaWAN сеть имеет топологию звезда из звезд, имеет конечные узлы, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером сети. При таком подходе обычно предполагается, что шлюзами и центральным сервером обладает оператор сети, а конечными узлами — абоненты. Абоненты имеют возможность прозрачной двухсторонней и защищенной передачи данных до конечных узлов.

Также стоит отметить, что эффективная передача информации и контроль подвижных устройств обеспечивается за счет использования нескольких шлюзов одновременно и отсутствия привязки в конечных узлах. Именно благодаря этой особенности технологии LoRa свободный обмен данными возможен, например, между беспроводными датчиками, размещенными на грузовых контейнерах.

Видео: LoRaWAN для умного города, ключевые нюансы применения

Архитектура сети LoRa

Сетевая архитектура LoRa состоит из нескольких ключевых элементов, к которым относятся:

• Конечное устройство (одно или несколько) — предназначено для осуществления функций управления или измерения. Оно содержит набор необходимых датчиков и элементов управления;

• Шлюз — устройство, которое принимает данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передает их в транзитную сеть. В качестве такой сети могут выступать Ethernet, Wi-Fi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно это устройство содержит многоканальный приемник для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивают зону покрытия сети и прозрачную двустороннюю передачу данных между конечными узлами и сервером;

• Сетевой сервер — предназначен для управления сетью: задачей расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой полученных данных;

• Сервер приложений — может удаленно контролировать работу конечных узлов и собирать необходимые данные из них.

Как правило, в рамках LoRa владельцем шлюзов и центрального сервера является оператор сети, а конечных устройств — абоненты, передавая данные двухнаправленно и обеспечивая надлежащую защиту.  

Преимущества технологии LoRaWan

Прогрессивная технология LoRaWAN обладает следующими существенными преимуществами:

• Отсутствие необходимости лицензировать частоты (868,0 - 868,6 МГц), в диапазоне которых разворачиваются сети LoRaWAN;

• Обслуживание до нескольких тысяч устройств с помощью одной базовой станции;

• Большой радиус действия сигнала;

• Высокая устойчивость к помехам;

• Длительный срок службы элементов питания, который может достигать 10 лет;

• Автономная работа устройства в случае применения солнечных батарей до момента окончания его ресурса.

Особенности технологии

LoRaWAN является перспективной технологией беспроводной связи, которая имеет высокую надежность и устойчивость к помехам, а также требует малого потребления энергии от конечных устройств.

Читайте также: Выгоды Умных Городов с LoRaWAN

Среди особенностей этой технологии выделяется несколько основных характеристик, которые заслуживают отдельного внимания.

Срок службы батареи

В сравнении с другими технологиями, функционирующими в этой области, автономность устройств в технологии LoRaWAN в 3-5 раз выше. Это объясняется меньшей энергозатратностью за счет асинхронного обмена данными устройств только в тот момент, когда им необходимо осуществить передачу. Так, расход энергии является небольшим, а автономный срок службы аккумулятора увеличивается.

Емкость сети

За счет того, что одна базовая станция может одновременно обслуживать несколько тысяч устройств, а для развертывания сети требуется минимальная инфраструктура (шлюз и доступ к сети Интернет), мы получаем возможность построения сети, которая ограничивается только нашими возможностями и ресурсами.

Легкость развертывания

Для развертывания такой сети требуется минимальное количество инфраструктуры, что также является ее бесспорным преимуществом. Достаточно приобрести шлюз и датчики. Современные шлюзы поддерживают подключение к сети 3G, 4G, Ethernet и так далее.

Безопасность

Современная сетевая технология обеспечивает полную безопасность и защиту переданных пользователями данных, обеспечиваемых шифрованием AES на нескольких уровнях:

• на сетевом уровне с использованием уникального ключа сети (Unique Network key, EUI 64);

• сквозную безопасность на уровне приложений с помощью уникального ключа приложения (Unique Application key, EUI 64);

• специального ключа устройства (Device specific key, EUI 128).

Алгоритмы AES используются для обеспечения аутентификации и целостности пакетов на сетевом сервере и сквозного шифрования на сервере приложений. Предоставляя эти два уровня, становится возможным реализовать «многопользовательские» общие сети без того, чтобы оператор сети имел видимость данных полезной нагрузки пользователей.

Три класса устройств

Различается три основных класса конечных устройств, которые обслуживают разные приложения. Каждый из них имеет определенные отличия и особенности, а также предъявляет различные требования.

Класс А

Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Устройства этого класса применяются, когда необходимо минимальная потребляемая мощность с преимуществом передачи данных к серверу. Инициатором сеанса связи выступает конечный узел, который отправляет пакет с необходимыми данными, а затем выделяет два окна, в ходе которых ждет данных от сервера. Таким образом, передача данных от сервера возможна только после выхода на связь конечного устройства.

Класс B

Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B). Основное отличие от устройств «класса А» состоит в выделении дополнительного окна приема, которое устройство открывает по расписанию. Для составления расписания оконечное устройство осуществляет синхронизацию по специальному сигналу от шлюза. Благодаря этому окну сервер имеет возможность начать передачу данных в заранее определенное время.

Класс C

Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным окном для приема данных (Bi-directional end-devices, Class C). Устройства этого класса имеют почти непрерывное окно приема данных и закрывают его только на время передачи данных. Это позволяет их применять для решения задач, требующих получения большого объема данных.

Варианты применения LoRaWAN для Smart City

Существует несколько основных сфер, в которых может применяться современная технология в общей системе умного города. К ним относятся следующие варианты ее эксплуатации:

• снятие показаний счетчиков;
• уличное освещение;
• умные здания;
• умная парковка;
• отслеживание грузов;
• обнаружения утечек воды;
• мониторинг уровня воды;
• оповещения о возникновении аварийных ситуаций;
• управление трафиком;
• умная энергетика;
• управление отходами;
• обнаружение дыма и прочее.

С течением времени технология продолжает совершенствоваться и улучшаться, одновременно с чем возрастает и перечень тех сфер, где она может быть эффективно использована.

Примеры реализованных проектов в мире и Украине

В настоящее время эта технология имеет существенное распространение во всем мире. Так, например, в Амстердаме (Нидерланды) была использована сеть датчиков, размещенная на мусорных контейнерах. Для покрытия площади в 219 кв. км потребовалось всего 10 базовых станций, на что было потрачено 12 000 долларов США.

Читайте также: Расширение ассортимента сенсоров LoRaWAN

• В Перемышле специальные датчики были установлены для того, чтобы измерять уровень воды в реке Сан.

• 143 датчика были установлены в районе частной застройки силами предприятия «Кировоградгаз» в Кропивницком, после первого теста которых были установлены еще такие модули в общем количестве 1300 единиц.

• В киевском ТРЦ «Артмолл» было установлено умное освещение на парковке, и за счет такого оборудования удалось достичь экономии энергопотребления в размере 80%.

заказать LoRaWAN решение