1. Что такое LoRa?
LPWAN (low-power Wide-Area Network, сеть широкого покрытия с низким энергопотреблением) предназначена для приложений Интернета вещей (IoT), характеризующихся низкой пропускной способностью, низким энергопотреблением, большим радиусом действия и большим количеством подключений. LoRa уже обладает более зрелой экосистемой и демонстрирует более быстрые темпы коммерциализации; ожидается, что в ближайшие несколько лет она сохранит экспоненциальные темпы роста.
Беспроводные технологии, используемые в приложениях Интернета вещей (IoT), в основном подразделяются на два типа. Один из них — это технологии беспроводной связи ближнего действия, такие как Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee. Другой — это технологии, составляющие основу глобальная сеть, такие как 2G/3G/4G. Преимущества и недостатки каждой из этих технологий весьма очевидны. До появления технологии LPWAN, как правило, приходилось выбирать между большим радиусом действия и низким энергопотреблением. С появлением технологии LPWAN проблема «выбора между лошадью и ослом» может считаться решенной. Помимо обеспечения связи на больших расстояниях и сверхнизкого энергопотребления, она также позволяет сэкономить на дополнительных затратах на ретрансляторы.
LoRa - очень представительная технология в сфере LPWAN-коммуникаций. Это решение для беспроводной передачи данных на сверхдальние расстояния, основанное на технологии распространения спектра, принятое и продвигаемое американской компанией Semtech. Это решение меняет прежние представления о компромиссе между расстоянием передачи и энергопотреблением, обеспечивая простую систему, которая может достигать большого расстояния, длительного времени автономной работы и большой емкости, тем самым расширяя сенсорную сеть. В настоящее время LoRa в основном работает в свободных частотных диапазонах по всему миру, включая 433, 868, 915 МГц и т.д.
2. Каковы преимущества и характеристики LoRa?
1. Улучшенная чувствительность приема и пониженное энергопотребление.
Бюджет связи до 157 дБ позволяет поддерживать связь на расстоянии до 15 км (в зависимости от условий окружающей среды). Ток приема составляет всего 10 мА, а ток спящего режима - 200 нА, что значительно продлевает срок службы батареи.
2. Шлюз/концентратор на основе этой технологии поддерживает параллельную обработку нескольких каналов и нескольких скоростей передачи данных, а емкость системы велика.
Шлюз является мостом между узлом и IP-сетью (через 2G/3G/4G или Ethernet). Каждый шлюз может обрабатывать 5 миллионов сообщений между узлами в день (при условии, что каждый раз отправляется 10 байт, а загруженность сети составляет 10%). Если установить шлюз в месте расположения существующей базовой станции мобильной связи с мощностью передачи 20 дБм (100 мВт), он сможет покрыть около 2 километров в условиях плотной городской застройки, а в пригородах с более низкой плотностью застройки покрытие может достигать 10 километров.
3. Системы, основанные на терминалах и концентраторах/шлюзах, могут поддерживать определение дальности и местоположения.
Измерение расстояния в LoRa основано на времени передачи сигнала по воздуху, а не на традиционном индексе RSSI (Received Signal Sterngth Ind-ication), а позиционирование - на измерении разницы времени передачи сигнала по воздуху между несколькими точками (шлюзами) и одной точкой (узлом). Точность позиционирования может достигать 5 м (при дальности действия 10 км).
3. Какова сетевая архитектура LoRa?
Сеть LoRa в основном состоит из терминалов (которые могут иметь встроенные модули LoRa), шлюзов (или базовых станций), сетевых серверов и серверов приложений. Ее сетевая архитектура представляет собой типичную звездообразную топологию. В данной сетевой архитектуре шлюз LoRa представляет собой прозрачное ретрансляционное устройство, соединяющее конечные устройства и центральный сервер. Конечные устройства взаимодействуют с одним или несколькими шлюзами посредством одного прыжка. Между всеми узлами и шлюзом осуществляется двунаправленная связь.
Оконечными узлами LoRa могут быть различные устройства, такие как счетчики воды и газа, дымовые сигнализации, трекеры для домашних животных и т. д. Эти узлы сначала подключаются к шлюзу LoRa через беспроводную связь LoRa, а затем соединяются с сетевым сервером через сеть 3G или сеть Ethernet. Шлюз и сетевой сервер взаимодействуют по протоколу TCP/IP.
Терминальное оборудование LoRa
Оконечными узлами LoRa могут быть различные устройства, такие как счетчики воды и газа, дымовые сигнализации, трекеры для домашних животных и т. д. Эти узлы сначала подключаются к шлюзу LoRa через беспроводную связь LoRa, а затем соединяются с сетевым сервером через сеть 3G или сеть Ethernet. Шлюз и сетевой сервер взаимодействуют по протоколу TCP/IP.
Сеть LoRa делит терминальные устройства на три категории: A/B/C:
Класс A: Терминальное оборудование для двунаправленной связи. Терминальные устройства этого типа обеспечивают двунаправленную связь, причем каждому интервалу передачи данных в восходящем направлении соответствуют два интервала приёма данных в нисходящем направлении. Временной интервал передачи данных терминального устройства определяется его собственными потребностями в связи, а его точная настройка осуществляется в соответствии с протоколом ALOHA.
Оборудование класса А имеет самое низкое энергопотребление, и связь по нисходящей линии базовой станции может осуществляться только после связи по восходящей линии терминала.
Класс B: Терминальное оборудование двунаправленной связи с заранее заданными временными интервалами приема. Терминальное оборудование данного типа открывает резервные окна приема в течение заранее заданного периода времени. Для этого терминальное оборудование синхронно принимает сигнал «Beacon» от шлюза и синхронизирует время базовой станции и модуля с помощью этого сигнала.
Терминалы класса B могут сообщать базовой станции о том, что терминал принимает данные
Класс C: Терминальное оборудование с двунаправленной связью и максимальным окном приёма. Терминальные устройства этого типа держат окно приёма открытым и закрывают его только во время передачи.
Устройства класса C имеют самое длинное окно приема и потребляют больше всего энергии.
4. Сценарии применения LoRa
Сети на основе LoRaWAN могут обеспечить безопасную двустороннюю связь на больших расстояниях и покрыть городские районы с минимальной сетевой инфраструктурой. LoRa будет широко использоваться в различных сценариях применения, таких как "умное" сельское хозяйство, "умные" здания и "умная" логистика.
1. Умное сельское хозяйство
Для сельского хозяйства крайне необходимы маломощные и недорогие датчики. Применение таких датчиков, как температура и влажность, углекислый газ и соленость, имеет большое значение для сельского хозяйства в плане увеличения производства и сокращения потребления воды. Однако эти показатели не будут существенно меняться за короткий промежуток времени, а объем данных невелик и требует производительности в реальном времени. Невысокая, поэтому LoRa, несомненно, является лучшим выбором.
2. Интеллектуальные здания
При реконструкции зданий добавляются датчики температуры и влажности, безопасности, вредных газов и контроля расхода воды, а информация о мониторинге регулярно загружается, что облегчает контроль со стороны менеджеров и делает его более удобным для пользователей. В целом, связь между этими датчиками не должна быть особенно частой или обеспечивать особенно высокое качество обслуживания. В то же время, портативный домашний шлюз может удовлетворить эти потребности, поэтому LoRa является более подходящим выбором в данном сценарии.
3. Автоматизированное производство
В условиях автоматизированного промышленного производства применяется большое количество интеллектуальных технологий, а в сети происходит обмен различными информационными данными. Поэтому характеристики выбранной сети напрямую связаны с качеством выполнения производственного плана. В некоторых сценариях требуются недорогие датчики с низким энергопотреблением и долговечными батареями для отслеживания оборудования и контроля состояния. В этом случае LoRa является разумным выбором.
4. Интеллектуальная логистика
Сайт логистическая отрасль охватывает очень обширную географическую территорию, поэтому при выборе сети в первую очередь учитываются такие факторы, как низкие инвестиционные затраты и длительный срок службы. Чтобы иметь возможность отслеживать поддоны и определять местонахождение и состояние грузов, транспортным компаниям необходимо, чтобы сеть охватывала все объекты, задействованные во всем логистическом процессе.
Для этого необходимо не только, чтобы сетевые узлы были достаточно экономичными для обеспечения крупномасштабного развертывания, но и обладали мобильностью, позволяющей устанавливать их на транспортных средствах в качестве мобильных шлюзов. Таким образом, технология NB-IoT, опирающаяся на сеть базовых станций 4G, явно не может удовлетворить это требование. Низкая стоимость, длительное время автономной работы, высокая мобильность и стабильность связи при движении на высоких скоростях делают LoRa уникальной технологией в сфере интеллектуальной логистики. Она лидирует в этой области.
На новой волне развития Интернета вещей, в области маломощных широкозонных сетей, в контексте масштабного развертывания и применения на развитых рынках, отечественные участники также используют открытую мудрость для содействия масштабному развертыванию и внедрению сетей LoRa в стране. Применение, я считаю, что с ростом промышленных приложений, эта отечественная LoRa-сеть операторского уровня, сформированная на основе концепции экономики совместного использования, также станет основной областью глобального LoRa-макета.
В настоящее время две ведущие мировые сети Интернета вещей — NB-IoT и LoRa — стремительно развиваются в Китае. По данным соответствующих ведомств, в различных провинциях Китая было запущено более тысячи продуктов для применения в сфере Интернета вещей. Сообщается, что компании из сегмента 70% активно ищут зрелые, надежные и быстро внедряемые продукты для Интернета вещей. Большинство компаний приобретают решения LoRa IoT у компании IOTRouter Technology Co., Ltd. Она занимается разработкой продуктов LoRa IoT по заказу других компаний, чтобы быстро развивать бизнес в сфере IoT и стать лидером в этой области в городах по всей стране. Постепенно складывается ситуация, когда “развитие мирового Интернета вещей зависит от Китая”.
Подведите итоги
Сеть с низким энергопотреблением и широким радиусом действия (LPWAN) является неотъемлемой частью Интернета вещей. Она отличается гибкостью и масштабируемостью и может быть как крупной, так и небольшой. Это необходимо на этапе роста и развития отрасли Интернета вещей. Можно сказать, что это наиболее подходящая технология для Интернета вещей. LoRa является безопасной и надёжной технологией, обладающей такими функциями, как двусторонняя аутентификация, сквозное шифрование и защита целостности данных. С точки зрения проектирования безопасности она является комплексной и перспективной. Однако нельзя игнорировать вопросы безопасности Интернета вещей, и для их дальнейшего укрепления требуются совместные усилия всей отрасли.
