Интенсивный рост рынка Интернета вещей (IoT), который отмечается последние несколько лет, привел к бурному развитию LPWAN (энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия). Учитывая запросы рынка: доступность, энергоэффективность, скорость и стоимость развертывания, оптимизацию обслуживания, на первые роли вышла технология LoRaWAN.

Что такое LoRaWAN

LoRaWAN — сетевой протокол, характеризующийся низким энергопотреблением, использующий на физическом уровне широкополосную модуляцию LoRa. Непосредственно модуляция LoRa обеспечивает дальность передачи данных (до 15 км на открытой местности, до 5 км. в городской застройке), высокую проникающую способность в городской застройке (возможно использование в глубоких подвалах без дополнительных затрат), обеспечивает защиту сигнала от помех.

Протокол LoRaWAN — это программный уровень, определяющий процесс использования оборудования LoRa при передаче или приеме сообщений. Он разработан, чтобы позволить маломощным устройствам обмениваться данными с подключенными к Интернету приложениями по беспроводной связи на большом расстоянии.

Популярность технологии LoRaWAN в промышленности, “умных городах”, сельском хозяйстве растет за счет того, что это доступный протокол беспроводной двухсторонней связи, покрывающий большой радиус при низком энергопотреблении (некоторые устройства работают от батареи до 10 лет).

Таким образом LoRaWAN решает наиболее острые проблемы Интернета вещей для бизнеса:

  • сбор данных с большого количества устройств на большой территории;
  • увеличенный срок службы оконечных устройств (за счет низкого энергопотребления возможна работа до 10 лет);
  • экономия средств и времени (сеть разворачивается быстро, легко масштабируется, возможно дистанционное обслуживание).

Архитектура сетей LoRa

Оконечное IoT-устройство в сети LoRaWAN (датчик, исполнительный механизм или и то, и другое) подключается к беспроводной сети LoRaWAN через шлюзы, работающие по модуляции LoRa. При этом передача данных идет сразу на все доступные в локации базовые станции, а не на одну. Отсутствие привязки к конкретному шлюзу позволяет гарантировать передачу информации и, при необходимости, контролировать датчик находящийся в движении. Все информация, передающаяся с оконечного IoT-устройства защищена сквозным шифрованием при помощи 2 уровней криптографической защиты: 128-битного сетевого ключа и 128-битного ключа сессии приложения.

Каждый шлюз (базовая станция) зарегистрирован в сети LoRaWAN и напрямую пересылает полученные пакеты данных на сетевой сервер (Network Server), используя наиболее подходящий вариант подключения к сети (3G, 4G, Wi-Fi, Ethernet, по оптоволокну или радио-линейной связи).

Сетевой сервер (Network Server) управляет всей сетью. Он получает данные от шлюзов, удаляет дубликаты сообщений, пересылает полученные данные на соответствующий сервер приложений (Application server), контролирует скорость передачи данных.

Сервер приложения (Application server) производит обработку полученных данных и направляет их на подключенные конечные устройства. Полученные данные можно интерпретировать и использовать для решения бизнес-задач.

Классы устройств LoRa

Существует 3 класса оконечных устройств, использующихся в сети LoRaWAN: A, B и C. Они отличаются друг от друга режимами приема и передачи данных, энергоэффективностью.

  • класс А — базовый класс, который должен поддерживаться всеми устройствами. IoT-устройства этого класса выходят в сеть по запланированному расписанию и имеют 2 дополнительных окна для прослушивания сети, сразу после отправления данных. Имеют самый длительный срок службы, но для направления на устройство сообщения нужно дождаться ближайшего запланированного времени выхода в сеть;
  • класс В — в отличие от класса A имеют дополнительные запланированные периоды прослушивания сети, которые открываются по расписанию. Устройство синхронизируется с базовой станцией через специальные маячки, позволяя знать точное время выхода устройства на связь;
  • класс С — оконечные IoT-устройства этого класса прослушивают сеть все время, за исключением периода передачи данных. Применяются в случаях, когда нет необходимости экономить энергию, но нужно опрашивать устройство в незапланированное время.

 Сильные и слабые стороны технологии

Как и любая другая технология, LoRaWAN обладает своими плюсами и минусами, определяющими возможность использования для конкретной задачи.

К сильным сторонам технологии LoRaWAN относятся:

  • высокая дальность передачи данных, в сравнении с другими беспроводными технологиями;
  • высокая проникающая способность в городской застройке;
  • скорость и простота развертывания сети. Топология “звезда” позволяет быстро покрывать большой радиус одной базовой станцией (шлюзом) не используя дополнительного оборудования;
  • длительный срок службы батареи. В зависимости от используемого класса устройства и заданных параметров выхода в сеть, срок службы элемента питания может достигать 10 лет;
  • простота масштабирования;
  • невысокая стоимость базовых станций и конечных устройств, в сравнении со слаботочными системами.

Как у любой другой системы, у LoRaWAN есть и недостатки:

  • задержка передачи данных от оконечных устройств до приложения: от нескольких секунд до нескольких десятков секунд;
  • невысокая пропускная способность: от нескольких сотен бит/с до нескольких десятков кбит/с.

Применение LoRa

Преимущества LoRaWAN позволяют применять технологию в самых разных сферах: услуги, промышленность, сельское хозяйство и т.д.

Большая дальность связи, энергоэффективность, высокая проникающая способность дают возможность решать и упрощать самые разные задачи:

  • собрать в единую систему данные со всех приборов учета расхода ресурсов;
  • мониторить протечки, поломки, задымленность;
  • контролировать состояние окружающей среды;
  • отслеживать нахождение и перемещение сотрудников;
  • управлять уличным освещением;
  • создавать оптимальные условия для животных и растений в теплицах, на полях, в силосных ямах;
  • организовывать контроль за механизмами и узлами и т.д.

На сегодняшний день компанией Atiko уже реализован ряд решений на основе технологии LoRaWAN. Подробнее узнать о них можно в разделе “Решения”.