«Кто же такая эта LoRa? » или краткий обзор протокола LoRaWAN.

Как-то мне стало интересно, что же это за «LoRa-технология» о которой сейчас не говорит только ленивый. Результатом изучения данного вопроса стала данная заметка с основными понятиями про эту сетевую технологию.

«В марте 2015 года исследовательский центр IBM Research и компания Semtech представили новую  технологию Энергоэффективных Сетей Дальнего Радиуса Действия — LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), которая имеет ряд преимуществ по сравнению с сотовыми сетями и Wi-Fi для обеспечения М2М-коммуникаций.
В течении многих лет огромный потенциал Интернета Вещей (IoT) сдерживался техническими проблемами, такими как малый срок службы устройств работающих от батарей, короткой дальностью связи, высокой стоимостью и отсутствием единых стандартов.
Технология, получившая название LoRaWAN (Long Range wide-area networks) позволила преодолеть все эти препятствия. На основе новой спецификации и  нового протокола для LPWAN, использующего нелицензируемый диапазон частот, технология LoRaWAN позволила подключать датчики на большие расстояния, предлагая при этом оптимальное время автономной работы датчиков и минимальные требования к инфраструктуре.
Для поддержки LPWAN технологии, компании IBM, Semtech и ряд других(ST, Cisco и т.д.), объявили о создании LoRa Alliance — новой ассоциации для поддержки, развития и стандартизации LoRaWAN…»
….а теперь отбросим немного официоза, и попробуем разобраться что же за этим стоит.
Так кто же такая  эта LoRa?
LoRa — это технология модуляции (сокращ. Long Range). Данная технология обеспечивает значительную дальность связи, по сравнению с существующими конкурентами. В LoRa модуляция основана на технологии расширения спектра SSM и вариации линейной частотной модуляции CSS с интегрированной прямой коррекцией ошибок FEC (сокращ. Forward Error Correction).
LoRa позволила демодулировать сигналы на уровне 20дБ ниже уровня шумов, в то время как большинство систем с частотной манипуляцией FSK работают только с сигналами уровня не ниже 8-10дБ уровня шумов.
Я совсем запутался — LoRa, LoRaWAN и LPWAN это одно и то же или разное? 
LoRa — это технология и метод модуляции. LoRa определяет PHY-уровень системы (физический).
LoRaWAN — это открытый протокол для сетей, в которых:
  1. Высокая емкость (до 1М устройств в одной сети. Да-да, именно до 1 000 000 устройств!)
  2. Большой радиус действия ( до 10-15км на открытой местности)
  3. Низкое энергопотребление
LPWAN — Энергоэффектиная Сеть Дальнего Радиуса Действия — беспроводная технология передачи небольших по объему данных на дальние расстояния.
И если одним предложением:
Модуляция LoRa отвечает за физический уровень, LoRaWAN является протоколом (MAC-уровень) для сетей с высокой емкостью, большим радиусом действия и низким энергопотреблением, разработанным организацией LoRa Alliance для сетей LPWAN.
Как реализуется сеть на основе LoRaWAN?
Протокол LoRaWAN обеспечивает полную двухстороннюю связь между узлами сети и обладает специальными методами шифрования, для обеспечения надежности и безопасности системы.
Типовую сеть LoRaWAN можно представить в виде оконечных устройств(точек, узлов), данные с которых передаются (в зашифрованном виде!) на шлюзы, далее на сервер сети провайдера и далее на сервер приложений провайдера, откуда всё это уже поступает к конечному пользователю. В LoRaWAN сети шлюзы также называют концентраторами, конечные устройства -точками или узлами. 
Немного подробней про узлы LoRaWAN:
Узлы сети LoRaWAN могут выполнять различные функции, такие как: измерения, управление и контроль. Обычно такие узлы располагаются удаленно друг от друга, и ко всему этом имеют питание от АКБ или батарей. При помощи протокола LoRaWAN эти узлы/точки настраиваются для связи со шлюзом/концентратором LoRa.
Данные от узлов передаются в обе стороны — от узла у серверу и обратно. Узлы работают в режиме передачи лишь краткие промежутки времени, далее открывается временное окно на прием данных. Остальное время узлы находятся либо в спящем состоянии, либо с состоянии приема, которое зависит от класса устройства:
  • Класс A.  Узел (end-node) передает данные на шлюз короткими посылками по заданному графику. Инициатором обмена выступает сам конечный узел (end-node). Точка (end-node), как правило, не требует получения подтверждения своего сообщения приложением (сообщение без квитирования), однако протокол предусматривает и сообщения, на которые сервер приложений формирует специальный ответ, “квитанцию”, а сетевой сервер выбирает лучший маршрут (шлюз) для отправки подтверждения (ACK от англ. acknowledgment — подтверждение) в момент открытия узлом окна приема (сообщение с квитированием). Узел (end-node) переходит в режим приема (открывает окно приема) сразу после отправки данных на некоторое непродолжительное время, в остальное, более продолжительное время, находится в режиме энергосбережения или сна (sleep). Сервер накапливает для точек (end-node) сообщения и пересылает их сразу, как точка (end-node) выходит на связь. Этот класс конечных (end-node) узлов наиболее экономичен в потреблении энергии и наиболее распространен на практике.
  • Класс B.  Узел (end-node) включает приемник по графику, заданному сервером. Сервер отправляет сообщения узлу (end-node) согласно расписанию. Инициатором обмена может быть и сервер LoRaWAN сети. Устройства (end-node) этого класса синхронизируют внутреннее время с временем сети с помощью маяков (от англ. beacon), которые регулярно получает от шлюза. Узлы (end-node) этого класса обладают относительно низкой временной задержкой в обмене данными и открывают более широкое временное окно приема, по сравнению с классом B. Точки (end-node) класса B также обладают всеми возможностями устройств (end-node) класса А.
  • Класс C.  У точек (end-node) этого класса окно приема открыто постоянно и закрывается только на период кратковременной передачи данных. Сервер может инициировать обмен в любое время, и передать сообщения узлу (end-node) сразу, по мере их появления. Этот класс устройств (end-node) потребляет наибольшее количество энергии (по сравнению с классами A и B), поэтому обычно не использует батарейное питание, но получает данные от сервера LoRaWAN сети с наименьшими задержками (lowest latency). Устройства класса С (end-node) обладают всеми возможностями устройств класса А и B.
Источники:

«Кто же такая эта LoRa? » или краткий обзор протокола LoRaWAN.: 12 комментариев

  1. LoRa никогда не даст 1 млн на одну базовую станцию.
    У нее в 500 КГц отечественного нелецензируемого диапазона всего два канал. Всего два!
    Использование LoRa в РФ вообще стоит под сомнением.

    Нравится

    1. А на чём основывается данное сомнение? Вроде как стремительный рынок IoT не вызывает сомнения. Так почему дешёвая и доступная технология не может развиваться в РФ? Коррупция? или сложные «погодные» условия?

      Нравится

      1. Странная ссылка на сайт компании, которая предлагает свой собственный протокол. Мог бы привести пару ссылок из других сайтов (более независимых) — но у всех обзоров есть свои «заказчики».
        Хотел услышать ваше личное мнение.

        Нравится

      2. а как понимать вот эту фразу из предлагаемой статьи «: «В полосе 125 кГц, которая требуется LoRa для кодирования одного канала, используя узкополосный метод можно получить до 1250 каналов. А значит использовать до 1250 устройств «СТРИЖ», без ухудшения характеристик, вместо одного устройства LoRa.» …)))))
        Либо у меня что-то с логикой либо Стриж тоже использует 125кГц. Мне кажется, что им нужно сменить копирайтера

        Нравится

      3. Ознакомьтесь с аналитической статьей и детальным описанием двух подходов от авторитетного зарубежного источника — ведущей компании в сфере проектирования и производства высоконадежных радиоэлектронных компонентов Texas Instruments → https://strij.tech/download/docs/ti-lpwan-narrowband-vs-lora.pdf

        Нравится

      4. Юрий, если не секрет, почему тогда Стриж использует приёмопередатчики ONS(Axem), если знает, что есть лучше?
        К TI никаких вопросов нет — они всё правильно описали.

        Нравится

    1. Скажите, Юрий, а почему вы считаете, что Стриж лучше? Более узкополосный сигнал будет обеспечивать лучшую помехозащищенность, чем более широкополосный, основанный на выделении полезного сигнала методом автокорелляции? Ведь, в Semtech обосновывают использование расширение спектра ЛЧМ импульсами именно для увеличения помехоустойчивости на фоне узкополосных станций, работающих в том же диапазоне. А узкий канал Стрижа просто заглушить, поставив генератор излучающий в той же ширине полосы сигнал с больше мощностью. Никакое кодирование не спасет в этом случае Стрижа.

      Нравится

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s