Бурный рост рынка Интернета вещей (IoT), который четко фиксируют все эксперты в минувшие несколько лет, привел к скоростному развитию технологии+ LPWAN (энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия). Учитывая запросы рынка ‒ доступность, энергоэффективность, скорость и стоимость развертывания, оптимизацию обслуживания ‒ на первый план немедленно вышла технология LoRaWAN.

Что такое LoRaWAN

LoRaWAN — сетевой протокол с низким энергопотреблением, который использует на физическом уровне широкополосную модуляцию LoRa. Она выдает дальность передачи данных (до 15 километров на открытой местности и до 5 километров ‒ в пределах города), поддерживает высокую проникающую способность (и ее можно использовать в подвалах глубоко под землей без дополнительных затрат), а также обеспечивает качественную защиту сигнала от помех.

Непосредственно протокол LoRaWAN — программный уровень, который определяет процесс использования оборудования LoRa (либо при передаче, либо при приеме сообщений). Он разработан для того, чтобы позволить маломощным устройствам обмениваться данными с подключенными к Интернету приложениями по беспроводной связи на больших дистанциях.

Постоянно растущая популярность технологии LoRaWAN в промышленности, "умных городах", сельском хозяйстве растет за счет того, что этот протокол обеспечивает беспроводную двухстороннюю связь. А она покрывает большой радиус при низком энергопотреблении (некоторые устройства способны работать от батареи до 10 лет).

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

  • сбор данных с большого количества устройств на громадной территории;

  • увеличенный срок службы оконечных устройств (небольшой расход энергии и 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, либо и то, и другое) подключается к беспроводной сети LoRaWAN через шлюзы, работающие по модуляции LoRa. При этом передача данных осуществляется 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, которая передается с оконечного IoT-устройства защищена сквозным шифрованием при помощи двух уровней криптографической защиты: 128-битного сетевого ключа и 128-битного ключа сессии приложения.

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

Сетевой сервер (Network Server) управляет всей сетью. Сперва он получает данные от шлюзов, затем удаляет дубликаты сообщений и пересылает полученные данные на соответствующий сервер приложений (Application server). И в конечном итоге контролирует скорость передачи данных.

Сервер приложения (Application server) обеспечивает обработку полученных данных и пересылает их на подключенные конечные устройства. Далее, все полученные данные можно интерпретировать и использовать для решения бизнес-задач.

Классы устройств LoRa

Существует три класса оконечных устройств, которые используются в сети LoRaWAN: A, B и C. Они отличаются режимами приема и передачи данных (и энергоэффективностью).

  • класс А — базовый класс, который поддерживается всеми устройствами. Такие IoT-гаджеты выходят в сеть по запланированному расписанию и имеют две дополнительных окна для прослушивания сети, сразу после отправления данных. Дольше всего работают, но для направления на них сообщений нужно дожидаться ближайшего запланированного времени выхода в сеть;

  • класс В — имеют дополнительные запланированные периоды прослушивания сети, которые открываются по расписанию. Устройство автоматически синхронизируется с базовой станцией через специальные маячки (позволяя знать точное время выхода гаджета на связь);

  • класс С — оконечные IoT-устройства такого класса прослушивают сеть все время, за исключением периода передачи данных. Используются только в тех случаях, когда нет необходимости экономить энергию, но нужно опрашивать устройство в незапланированное время.

Сильные и слабые стороны технологии

Как и у всякой иной технологии, у LoRaWAN есть свои плюсы и минусы, которые определяются возможностями использования для конкретной задачи.

Сильные стороны технологии LoRaWAN относятся:

  • высокая дальность передачи данных, в сравнении с другими беспроводными технологиями;

  • высокая проникающая способность в городской застройке;

  • простота и скорость развертывания сети. Топология "звезда" дает возможность быстро покрывать большой радиус одной базовой станцией (шлюзом) не используя дополнительного оборудования;

  • долгосрочность 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.

Есть у технологии LoRaWAN и недостатки:

  • задержка передачи информации от оконечных гаджетов до приложения ‒ от нескольких секунд до нескольких десятков секунд;

  • невысокая пропускная способность ‒ от нескольких сотен бит в секунду до нескольких десятков килобит в секунду.

Применение LoRa

Преимущества LoRaWAN позволяют ее используют во множестве сфер и отраслей ‒ услуги, промышленность, сельское хозяйство и так далее

Большие дистанции между точками коммуникации, энергоэффективность, а также высокая проникающая способность помогают решать и упрощать множество задач:

  • собирать в единую систему данные со всех приборов учета расхода ресурсов;

  • отслеживать протечки, поломки, задымленность;

  • брать под личный контроль состояние окружающей среды возле объектов;

  • мониторить точки нахождения и перемещения сотрудников;

  • до мельчайших нюансов управлять уличным освещением;

  • создавать оптимальные условия для животных и растений в теплицах, на полях, в силосных ямах;

  • организовывать контроль за механизмами и узлами.