LoRa и LoRaWAN
В мире Интернета вещей (IoT) связь — это все. Хотя еще никогда не было так просто добавить возможность подключения к продукту, устройству или машине, выбор правильного варианта подключения для решения по-прежнему сопряжен с трудностями. В некоторых случаях может быть очевидно, что Ethernet или Wi-Fi – правильный выбор, например, дома или на производстве. В других случаях связь ближнего радиуса действия (NFC) или Bluetooth может быть предпочтительным вариантом, поскольку ваше решение требует связи между устройствами, расположенными рядом. Однако, если ваш продукт является мобильным или используется в городских, сельскохозяйственных или других условиях, где сложность настройки Wi-Fi просто не подходит, вам остается искать другие варианты. В частности, решением может быть сотовая связь или LoRa (сеть дальнего радиуса действия) и LoRaWAN (сеть дальнего действия с охватом широких территорий).
Глобальный охват сотовой связи за счет гармонизации частотных диапазонов и соглашений о роуминге между операторами, а также наличие соединений с высокой пропускной способностью делают этот подход привлекательным для многих вариантов использования. Несмотря на привлекательность, некоторые отдают предпочтение LoRa, где сигналы устойчивы к помехам, а наличие бесплатных нелицензируемых частотных диапазонов значительно снижает удельные затраты на отдельные устройства. Учитывая, что разные потребности заставят вас выбрать либо сотовую связь, либо LoRa, и что эти подходы скорее дополняют друг друга, чем конкурируют, но давайте углубимся в LoRa.
Что такое LoRa
LoRa представляет собой протокол связи с низким энергопотреблением, предназначенный для работы на больших расстояниях с использованием нелицензируемого спектра, в частности радиодиапазонов, зарезервированных для промышленных, научных и медицинских (ISM) целей. Устройства LoRa обмениваются данными на субгигагерцовых частотах, что позволяет передавать данные на большие расстояния, хотя доступные полосы частот узки, и некоторые правительства имеют строгие правила в отношении того, как часто устройство может передавать данные в этих диапазонах. С точки зрения взаимосвязи открытых систем (OSI), как видно из эталонной модели на следующем рисунке, чип LoRa – это физический уровень, который поддерживает все, что находится над ним, и позволяет аппаратным устройствам использовать нелицензированный спектр для маломощных глобальных сетей (LPWAN).
Хотя LoRa работает в субгигагерцовом диапазоне, конкретные диапазоны, которые использует чип LoRa, различаются от одного региона к другому. Радиостанции LoRa в Европе работают на частотах 863–870/873 МГц, в то время как устройства в Азии и Южной Америке работают на частотах 915–928 МГц, а устройства в Северной Америке работают на частотах 902–928 МГц. При покупке чипов LoRa для приложения многие из них будут предварительно запрограммированы на спектр для региона в зависимости от конкретных требований к диапазону. Обзор спектра с частотным диапазоном LoRa можно увидеть на следующем рисунке.
Помимо используемого спектра, LoRa также определяет протокол, используемый для радиосвязи, или LoRa PHY.
Модуляция LoRa: спектр распространения чирпа
LoRa использует запатентованную технику беспроводной модуляции, которая является производной от расширенного спектра чирпа, который использует импульсы как способ кодирования информации. Чирп – это синусоидальный сигнал, как показано на следующем рисунке, с частотой сигнала, которая увеличивается или уменьшается со временем.
Радио LoRa выполняет свою модуляцию, представляя каждый бит информации в полезной нагрузке с помощью нескольких чирпов информации. В этом случае «расширенный спектр» в названии означает, что все устройства, использующие этот метод, включая производную LoRa, используют выделенную полосу пропускания для вещания, что делает эти сигналы устойчивыми к шуму канала, обычному в диапазонах ISM. Устройства LoRa позволяют инженерам настраивать свои приложения и выбирать между высокой скоростью передачи данных или высокой чувствительностью, используя так называемый коэффициент расширения (SF). Используя настраиваемый радиопараметр, инженеры могут выбрать количество сигналов, посылаемых в секунду. Низкий SF будет посылать больше чирпов в секунду, а это означает, что вы можете кодировать больше данных в секунду, но сигнал не очень чувствителен с точки зрения приемника.
Низкая чувствительность означает более высокую вероятность того, что данные, которые вы собираетесь отправить, будут потеряны по пути. С другой стороны, высокий SF будет посылать меньше чирпов в секунду, но производит сигнал, который более чувствителен к приемнику, а значит, более надежен. Однако чирпы с высоким значением SF требуют большего «эфирного времени» (времени передачи по сети) и требуют большей мощности, поскольку модем работает в течение более длительного периода, чем при подходе с низким значением SF. Установив SF для радио, а также изменив мощность передачи модема (от 2 дБм до 20 дБм в зависимости от региона), LoRa предоставляет инженерам эффективные инструменты для настройки приложения для энергопотребления и дальности связи в зависимости от их потребностей. Как физический уровень, LoRa охватывает все необходимое для обеспечения дальней связи между устройствами в общем спектре, которые могут использовать один и тот же протокол. Однако в нем не рассматривается, как устройства идентифицируют друг друга, как они взаимодействуют друг с другом таким образом, чтобы свести к минимуму перекрестные помехи в сети, или как данные с локальных сетевых устройств могут безопасно передаваться в облако или удаленные места. Вот где LoRaWAN (и другие) приходят на помощь.
Что такое LoRaWAN
LoRaWAN, с другой стороны, представляет собой сетевой протокол, построенный на основе модуляции на основе LoRa. Хотя сама LoRa по своей сути является одноранговой, LoRaWAN превращает сеть в звездообразную, определяя две основные роли устройств: узел, который обычно является датчиком, и концентратор, который действует как шлюз между узлами и облаком. В терминах OSI (на следующем рисунке) LoRaWAN диктует как уровень канала передачи данных, который обрабатывает связь между узлами, так и сетевой уровень для обработки того, как узлы могут отправлять данные и получать данные через границу локальной сети.
На уровне канала передачи данных (канальном уровне) LoRaWAN определяет протокол управления доступом к среде (MAC), который определяет, как узлы в сети идентифицируют себя (также известный как MAC-адрес), а также требования к мощности, частоты и скорости передачи данных, используемые для связи между устройствами LoRa. На сетевом уровне LoRaWAN охватывает как физическое оборудование, которое находится на границе сети для связи с узлами LoRaWAN, так и службы, которые находятся в облаке. Это включает в себя получение, обработку и маршрутизацию данных в локальную сеть LoRa (на следующем рисунке).
Концентратор действует как шлюз, который управляет подключениями от узлов LoRaWAN, а также подключениями к серверам глобальной сети через Интернет. Многие доступные на рынке концентраторы, как правило, включают восемь каналов для одновременного получения пакетов запросов от узлов LoRaWAN и один канал для отправки пакетов ответов обратно на эти узлы. Шлюз взаимодействует с сетевыми серверами для управления устройствами, когда они присоединяются к сети LoRaWAN, а также для управления обменом данными с облачными серверами приложений и обратно. Хотя это не единственный протокол доступа к среде для LoRa, протокол LoRaWAN пользуется широкой поддержкой в отрасли и имеет здоровую экосистему. Он был запущен и поддерживается LoRa Alliance, ассоциацией, созданной в 2015 году для поддержки совместной разработки протокола LoRaWAN и обеспечения совместимости продуктов и услуг LoRaWAN. В некоторых частях мира (прежде всего в Европе) операторы сотовой связи увидели потенциальный доход в предложении собственных сетей LoRaWAN, многие из которых ориентированы на приложения для умных городов и сельского хозяйства. В других местах сети LoRaWAN чаще воспринимаются как «создание собственных» глобальных частных сетей, которые клиент должен будет финансировать и развертывать самостоятельно.
Сравнение LoRa и LoRaWAN
LoRa и LoRaWAN часто используются взаимозаменяемо, поэтому неудивительно, что большинство инженеров ожидают, что эти технологии должны использоваться вместе в решении. Хотя верно то, что LoRaWAN требует использования устройств LoRa в пограничной сети для функционирования, разве это не тот случай, когда для развертывания устройств LoRa требуется концентратор LoRaWAN, сеть или серверы приложений.
Реальность такова, что, хотя LoRaWAN является самым популярным и широко используемым протоколом для глобальных сетей LoRa, а также совместимым стандартом, поддерживающим множество устройств, он может быть не лучшим вариантом для каждого приложения LPWAN. Помимо затрат на 8-канальные концентраторы, протокол LoRaWAN диктует требования к каналу, эфирному времени и мощности, которые могут не подходить для каждого варианта использования, особенно для тех, у которых малое количество узлов, которые передают не очень часто. Более того, может случиться так, что облачный сервис, который вы хотите использовать, не соответствует требованиям к сети и серверу приложений решения LoRaWAN.
Использование LoRa без LoRaWAN
Первый шаг в использовании LoRa без LoRaWAN заключается в том, что вы должны внедрить свой собственный протокол доступа к среде, чтобы узлы могли договориться между собой о том, как идентифицировать друг друга, как скрыть связь и как и когда общаться в эфире, не мешая друг на другу. Для подключения развертывания LoRa к облаку без LoRaWAN также требуется реализация собственного механизма для обработки обратной связи с облачными сервисами.
Это может показаться слишком сложным, однако это может быть довольно просто в зависимости от ваших потребностей: одноранговое соединение с двумя узлами может просто чередовать роли отправки и получения, а небольшая сеть из нескольких десятков узлов может использовать довольно простой протокол временного интервала множественного доступа с временным разделением (TDMA). LoRaWAN был разработан для крупномасштабных сетей, и узлам LoRa не нужно повторно реализовывать каждую часть протокола LoRaWAN, если целью является гибкое и недорогое точечное решение. Такой подход не редкость на рынке. Amazon Sidewalk, который используется в Echo, Ring и других интеллектуальных устройствах Amazon, использует LoRa и реализует MAC-уровень ячеистой сети. А в коммерческом пространстве IoT Blues Wireless предлагает продукт под названием Sparrow, показанный на следующем рисунке, который использует LoRa для узлов, которые взаимодействуют с сотовым или Wi-Fi-шлюзом для облачной транзитной связи.
LoRa MAC, включенный в Sparrow, является открытым исходным кодом, реализующим простой механизм безопасного сопряжения шлюза/узла в одно касание, а также адаптивную подсистему мощности передачи, которая оптимизирует срок службы узлов с батарейным питанием.
© digitrode.ru