Інтенсивне зростання ринку Інтернету речей (IoT), який відзначається останні кілька років, привів до бурхливого розвитку LPWAN (енергоефективних мереж дальнього радіусу дії). З огляду на запити ринку: доступність, енергоефективність, швидкість і вартість розгортання, оптимізацію обслуговування, на перші ролі вийшла технологія LoRaWAN.

Що таке LoRaWAN

LoRaWAN – мережевий протокол, який характеризується низьким енергоспоживанням, використовуючи на фізичному рівні широкосмугову модуляцію LoRa. Безпосередньо модуляція LoRa забезпечує дальність передачі даних (до 15 км на відкритій місцевості, до 5 км у міській забудові), високу проникаючу здібність у міській забудові (можливе використання в глибоких підвалах без додаткових витрат), забезпечує захист сигналу від перешкод.

Протокол LoRaWAN – це програмний рівень, який визначає процес використання обладнання LoRa при передачі чи прийомі повідомлень. Він розроблений для того, щоб дозволити малопотужним пристроям обмінюватись даними з тими додатками, які підключені до Інтернету бездротовою мережею на великій відстані.

Популярність технології LoRaWAN в промисловості, «розумних містах», сільському господарстві зростає завдяки доступності протоколу бездротового двостороннього зв’язку, який покриває великий радіус при низькому енергоспоживанні (деякі пристрої працюють від батареї до 10 років).

       Таким чином LoRaWAN вирішує найбільш гострі проблеми Інтернету речей для бізнесу:

  • збір даних з чималої кількості пристроїв на великій території ;
  • збільшений строк служби кінцевих пристроїв (за рахунок низького енергоспоживання можлива робота до 10 років);
  • економія засобів та часу (мережа розгортається швидко, легко масштабується, можливе дистанційне обслуговування).

Архітектура мереж LoRa

Кінцевий IoT-пристрій в мережі LoRaWAN (датчик, який виконує механізм або і те, і інше) підключається до бездротової мережі LoRaWAN через шлюзи, які працюють по модуляції LoRa. При цьому передача даних йде одразу на усі доступні в локації базові станції, а не на одну. Відсутність прив’язки до конкретного шлюзу дозволяє гарантувати передачу інформації й, при необхідності, контролювати датчик, який знаходиться у русі. Уся інформація, яка передається з кінцевого IoT-пристрою, захищена наскрізним шифруванням за допомогою 2 рівнів криптографічного захисту: 128-бітного мережевого ключа та 128-бітного ключа сесії додатку.

Кожний шлюз (базова станція) зареєстрований у мережі LoRaWAN і напряму пересилає отримані пакети даних на мережевий сервер (Network Server), використовуючи найбільш відповідний варіант підключення до мережі (3G, 4G, Wi-Fi, Ethernet, по оптоволокну або радіолінійному зв’язку).

Мережевий сервер (Network Server) керує всією мережею. Він отримує дані від шлюзів, видаляє дублікати повідомлень, пересилає отримані дані на відповідний сервер додатків (Application server), контролює швидкість передачі даних.

Сервер додатків (Application server) робить обробку отриманих даних і спрямовує їх на підключені кінцеві пристрої. Отримані дані можна інтерпретувати та використовувати для вирішення бізнес-завдань.

Класси пристроїв LoRa

Існує 3 класи кінцевих пристроїв, які використовуються в мережі LoRaWAN: А, В та С. Вони відрізняються один від одного режимами прийому і передачі даних, енергоефективністю.

  • клас А – базовий клас, який повинен підтримуватись всіма пристроями. IoT-пристрої цього класу виходять у мережу по запланованому розкладу та мають 2 додаткових вікна для прослуховування мережі, одразу після відправлення даних. Мають найтриваліший термін служби, але задля направлення на пристрій повідомлення треба дочекатись найближчого запланованого часу виходу в мережу;
  • клас В – на відміну від класу А мають додаткові заплановані періоди прослуховування мережі, які відкриваються за розкладом. Пристрій синхронізується з базовою станцією через спеціальні маячки, дозволяючи знати точний час виходу пристрою на зв’язок;
  • клас С – кінцеві IoT-прилади цього класу прослуховують мережу увесь час, за винятком періоду передачі даних. Застосовуються у випадках, коли немає потреби економити енергію, але потрібно опитувати пристрій у незапланований час.

Сильні та слабкі сторони технології

Як і будь-яка інша технологія, LoRaWAN володіє своїми плюсами та мінусами, які визначають можливість використання для конкретного завдання.

До сильних сторін технології LoRaWAN відносяться:

  • висока дальність передачі даних, у порівнянні з іншими бездротовими технологіями;
  • висока проникаюча спроможність у міській забудові;
  • швидкість і простота розгортання мережі. Топологія «зірка» дозволяє швидко покривати великий радіус однією базовою станцією (шлюзом), не використовуючи додаткового обладнання;
  • тривалий строк служби батареї. В залежності від використовуваного класу пристрою та заданих параметрів виходу у мережу, строк служби елемента живлення може досягати 10 років;
  • простота масштабування;
  • невисока вартість базових станцій і кінцевих пристроїв, у порівнянні зі слабкострумовими системами.

Як у будь-якій іншій системі, у LoRaWAN є і недоліки:

  • затримка передачі даних від кінцевих пристроїв до додатка: від декількох секунд до декілька десятків секунд;
  • невисока пропускна спроможність: від декількох сотень біт/с до декількох десятків кбіт/с.

Застосування LoRa

Переваги LoRaWAN дозволяють застосовувати технологію в самих різних сферах: послуги, промисловість, сільське господарство і т.п. Більша дальність зв’язку, енергоефективність, висока проникаюча здібність дають можливість вирішувати і спрощувати найрізноманітніші завдання:

  • зібрати в єдину систему дані з усіх приладів обліку витрати ресурсів;
  • моніторити протікання, поломки, задимленість;
  • контролювати стан навколишнього середовища;
  • відстежувати знаходження і переміщення співробітників;
  • управляти вуличним освітленням;
  • створювати оптимальні умови для тварин і рослин у теплицях, на полях, в силосних ямах;
  • організовувати контроль за механізмами та вузлами і т. ін.

На сьогодні компанією Atiko вже реалізовано низку рішень на основі технології LoRaWAN. Детальніше дізнатись про них можна у розділі «Рішення».