Серверные платформы Wanesy компании Kerlink для сетей LoRaWAN

Беспроводные сети LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) относятся к категории энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (LPWAN). Основные преимущества технологии LoRaWAN базируются на использовании одноименного открытого сетевого протокола, разработанного исследовательским центром IBM Research в партнерстве с Semtech Corporation, и запатентованного метода модуляции LoRa, являющегося разновидностью технологии расширения спектра [1]. Ключевые характеристики LoRa-устройств – превосходная чувствительность (до –148 дБм), общий бюджет канала связи до 168 дБ и возможность уверенной демодуляции сигналов от абонентских устройств с уровнем мощности на 20 дБ ниже уровня шума. Также к отличительным особенностям стандарта LoRaWAN можно отнести работу в субгигагерцовых диапазонах частот, не требующих лицензирования и доступных по всему миру. Например, 868 МГц обычно используется для организации LoRaWAN-связи в Европе, а 915 МГц – в Северной Америке (табл. 1). Для России подготовлен отдельный проект регионального частотного диапазона 864–869 МГц, представляющего собой усеченный вариант европейского диапазона 863–870 МГц.

Таблица 1. Нелицензируемые диапазоны частот для организации связи в сетях LoRaWAN

В настоящее время программные и аппаратные средства LoRaWAN широко применяются при построении систем автоматизации и сбора данных со счетчиков потребления энергоресурсов, систем обеспечения безопасности домов и коммерческой недвижимости, инженерных систем управления зданиями, в промышленном производстве, транспортной логистике и т. д.

Вопросами сертификации LoRa­WAN занимается организация LoRa Alliance, объединяющая более 130 участников, среди которых присутствуют как известные производители электроники (IBM, Semtech, Cisco, Kerlink, ST Microelectronics, IMST, Intel, Microchip Technology), так и крупные операторы связи (Inmarsat, Swisscom, ER-Telecom).

 

Типовая структура сети LoRaWAN

Типовая архитектура сети LoRa­WAN включает в себя абонентские устройства (оконечные узлы) различного функционального назначения (как правило, с батарейным питанием), базовые станции, сетевой сервер и сервер приложений (рис. 1).

Рис. 1. Типовая структура сети LoRaWAN

Абонентские устройства являются элементами LoRaWAN-сети, которые выполняют функции дистанционного измерения, управления и (или) контроля и устанавливаются на стороне пользователя. Они могут находиться в зоне покрытия как одной базовой станции, так и нескольких. В основном представляют собой связку LoRa-трансивера и микроконтроллера общего назначения с минимальным потреблением энергии. Оконечные устройства обмениваются сообщениями с базовыми станциями на разных частотных каналах и скоростях передачи данных, определенных документом региональных параметров. Данные передаются не постоянно, а лишь в течение некоторого промежутка времени по заданному графику, определяемому классом устройств (A, B или С). Остальное время их трансиверы находятся либо в неактивном состоянии (режиме сна), либо в состоянии приема для получения ответа от сервера. Также они поддерживают функционирование в режиме группового обновления программного обеспечения по радиоканалу.

Совокупность базовых станций (БС) обеспечивает радиопокрытие сети и формирует прозрачный мост ретрансляции сообщений между оконечными устройствами и центральным сервером сети. Так как БС выполняют функции сопряжения с группой абонентских устройств и концентрации нагрузки, в документации LoRa Alliance они часто именуются шлюзами или концентраторами. Взаимодействие с отдельными абонентами осуществляется путем использования модуляции LoRa и стандартной топологии «звезда», связь с сервером выполнена путем организации стандартного IP-соединения с помощью Ethernet, Wi-Fi, 4G/LTE или других телекоммуникационных протоколов. В сетях с высокой плотностью абонентских устройств в качестве шлюзов выступают специальные многоканальные концентраторы, принимающие данные от множества узлов одновременно. Благодаря использованию технологии с расширением спектра передаваемые данные от различных конечных узлов с различными скоростями не мешают друг другу и создают набор «виртуальных» каналов, тем самым увеличивая пропускную способность шлюза. Если емкости сегмента сети недостаточно, то LoRaWAN-сеть масштабируется путем установки дополнительных шлюзов. Монтаж шлюзов выполняется как внутри помещений, так и на вышках или зданиях. При появлении новой базовой станции центральный сервер перераспределяет нагрузку, отправляя конечным узлам «новый график» включения режима передачи.

Центральный сервер LoRaWAN-сети поддерживает соединение с одним или несколькими шлюзами и выполняет три ключевые функции: активации и аутентификации устройств, управления и оптимизации сети, а также взаимодействия с вышестоящими серверами приложений. Управление сетью заключается в принятии решения о необходимости изменения выходной мощности передатчика, рабочего канала, порядка и периодичности связи, осуществления кодирования данных, контроля заряда батарей всех абонентских устройств и т. д. Кроме того, для увеличения срока службы источников питания, улучшения масштабируемости и пропускной способности, а также компенсации различных потерь на трассе передачи сигнала используется алгоритм адаптивного изменения фактической скорости передачи данных (ADR, Adaptive Data Rate) каждого оконечного устройства в зависимости от его расстояния до шлюза. Так, например, более близкие к шлюзу узлы будут использовать более высокую скорость передачи данных (следовательно, более короткое время активной передачи по радиоканалу) и меньшую выходную мощность. Наоборот, самые удаленные устройства будут иметь низкую скорость передачи данных и высокую выходную мощность передатчика. Каждый пакет данных, отправляемый абонентским устройством, имеет в своем составе уникальный идентификатор DevAddr, а на сетевом сервере хранится запись о соответствии DevAddr и URL сервера приложений, которому предназначена информация от удаленного устройства. На основании этого соответствия сетевой сервер выполняет маршрутизацию пакета до сервера приложений, где происходит его дальнейшая обработка.

Следующее звено сети LoRa­WAN – сервер приложений, необходимый для расшифровки полезной информации, полученной из принятых пакетов. Помимо обработки данных, сервер приложений может управлять абонентами с уровня приложения (например, переводить их в режим работы другого класса, управлять опцией адаптивной передачи данных и т. п.).

 

Серверные LoRaWAN-платформы компании Kerlink

Компания Kerlink, являющаяся одним из первых участников LoRa Alliance, имеет богатый опыт в производстве телекоммуникационного оборудования различных стандартов [2]. Предлагаемое Kerlink комплексное решение для организации сети LoRa­WAN объединяет оконечные устройства, базовые станции уличной установки Wirnet iStation, шлюзы Wirnet iFemtoCell, разработанные для применения внутри помещений, и масштабируемые базовые станции Wirnet iBTS [3]. Серверная часть сети имеет два возможных варианта реализации: для создания небольших частных сетей стандарта LoRaWAN рекомендована платформа Wanesy Small Private Network (Wanesy SPN), а для использования в корпоративных сетях с высокой нагрузкой – центр управления Wanesy, обладающий расширенной функциональностью операторского класса.

 

Wanesy Small Private Network

Платформа Wanesy SPN, применяемая для быстрого развертывания LoRaWAN-сетей, реализуется на базе серийно выпускаемых шлюзов Wirnet iStation и Wirnet iFemtocell путем модификации внутренней прошивки. Данный шаг позволяет получить полностью автономное решение.

Платформа Wanesy SPN в зависимости от типа лицензии помогает развернуть сеть как для одного шлюза, так и для нескольких одновременно (до 20 шт.), когда одного шлюза недостаточно для покрытия сети. Подобное решение позволяет объединить под управлением одного Master-шлюза несколько Slave-шлюзов, данные с которых поступают на шлюз Master и далее транслируются на сервер LoRaWAN. В качестве Slave-шлюзов могут выступать как станции производства компании Kerlink (Wirnet iStation, Wirnet iFemtocell, Wirnet iBTS), так и станции сторонних производителей, работающие с ПО Packet Forwarder от Semtech.

Начиная с 2020 года платформа Wanesy SPN поддерживает работу с шлюзами Wirnet iFemtocell и Wirnet iStation. Внешний вид станций показан на рис. 2. ПО SPN можно скачать на сервере WikiKerlink после покупки шлюза и оплаты лицензии на ПО.

Рис. 2. Станции, доступные для установки ПО Wanesy SPN

Wanesy SPN является управленческим решением начального уровня, которое служит для простой и экономичной конфигурации и настройки сети и основывается на интуитивно понятном интерфейсе пользователя. В приложениях, охватывающих разнообразные применения, решение Wanesy SPN легко собирает данные и управляет ими в режиме реального времени. По мере возрастания числа подключенных абонентских устройств заказчик может переключиться на сеть более высокого операторского класса.

Для первоначальной установки Wanesy SPN необходимо скачать и разархивировать требуемую версию программного обеспечения. Полученные файлы нужно переместить на флешку USB либо в специальную директорию шлюза. Вставленная в шлюз флешка запустит процесс установки автоматически. В случае, если установочные файлы находятся в самом шлюзе, процесс установки ПО запускается посредством специальных команд. Процесс инсталляции занимает примерно 10 минут.

Для настройки и организации работы сети, а также отладки и поис­ка неисправностей можно воспользоваться двумя способами. Более удобным является веб-интерфейс, к которому необходимо обращаться по IP-адресу шлюза из любого браузера (открыт доступ для пользователя admin с паролем spnpwd). Статический IP-адрес по умолчанию – 192.168.0.2, для использования динамического нужно подключить опцию DHCP. Альтернативой является использование встроенного в базовую станцию FTP-сервера, HTTP-сервера, USB, СМС. Также предоставляется возможность работы с SPN посредством HTTP-запросов REST API (табл. 2).

Таблица. 2. Интерфейсы для работы с Wanesy SPN (увеличить изображение)

Сервер Wanesy SPN поддерживает два описанных в спецификации метода добавления и активации абонентских узлов: «по воздуху» (OTAA, Over-The-Air Activation) и путем персонализации (ABP, Activation by Personalization). После успешной активации (независимо от способа) каждое оконечное устройство должно иметь следующие прописанные в памяти параметры: DevAddr, NwkSKey, AppSKey (табл. 3).

Таблица 3. Параметры сети, участвующие в процессе активации LoRaWAN-устройств (увеличить изображение)

При OTAA-активации абонентское устройство должно проходить процедуру присоединения к сети каждый раз, когда сессионная информация (локальный адрес DevAddr, ключи шифрования NwkSKey и AppSKey) в устройстве отсутствует или неактуальна. OTAA всегда инициируется оконечным устройством, которое отправляет на сервер сообщение join request, содержащее AppEUI, DevEUI и случайное число DevNonce (2 байта). Для каждого удаленного модуля сетевой сервер запоминает значения DevNonce, которые использовались раньше, и игнорирует запросы, содержащие повторяющиеся значения DevNonce. Сессионные ключи шифрования формируются на основании идентификаторов сети (NetID) и корневого ключа безопасности AppKey, а также сгенерированных уникальных для каждой сессии случайных чисел DevNonce, AppNonce (рис. 3).

Рис. 3. Процесс OTAA-активации абонентского устройства

Ответное сообщение join accept содержит случайное число AppNonce, сгенерированное сервером, идентификатор сети NetID, сформированный адрес устройства в сети DevAddr и настройки беспроводного канала связи. Так, в DLSettings задана разница между скоростями приема и передачи, используемая для первого окна приема RX1, а также скорость, используемая для второго окна приема RX2. RxDelay отвечает за задержку между окончанием передачи оконечного устройства и началом окна приема RX1, CFList представляет собой список дополнительных частотных каналов, которые могут использоваться абонентом. В результате обмена пакетами данных DevAddr, NwkSKey и AppSKey сохраняются в памяти абонентского устройства, DevAddr, NwkSKey – на сетевом сервере, а AppSKey – на сервере приложений.

При втором способе активации значения DevAddr, NwkSKey и AppSKey предварительно записываются в каждый узел (происходит персонализация устройства). Адрес и ключ сетевой сессии берется у сетевого оператора, а ключ сессии приложения (AppSKey) для маршрутизации пакетов – у сервис-провайдера. При таком подходе не требуется процедура присоединения к сети, сразу после включения устройство готово к передаче данных, но оно будет работать только в сети того оператора, который выдал данные для регистрации устройства.

Помимо аналогичных идентификаторов и ключей шифрования для нормальной работы пары «сервер – абонент» нужно задать частотные каналы их передатчиков и приемников, класс LoRa-устройств, выходную мощность, скорость передачи данных, задержку при приеме и присоединении к сети. Эти значения берутся из документа региональных параметров LoRa Alliance. Изначально для передатчика абонентского устройства задаются как минимум три рабочие частоты. После отправки запроса открывается два приемных окна (RX1 и RX2). Первое настроено на ту же частоту, на которой было отправлено сообщение. Второе использует предустановленный частотный канал (табл. 4).

Таблица 4. Основные настройки сетевого сервера, рекомендованные для разных регионов

Базовые станции Wirnet SPN поддерживают одновременную работу до 10 независимых каналов. Из-за особенностей радиотракта станций, выполненного на двух трансиверах SX1257 производства Semtech, они не могут располагаться произвольно, а должны помещаться в две полосы пропускания шириной 1,2 МГц [4]. Корректный выбор частотных каналов в пределах данных полос осуществляется с помощью регионального частотного плана стандарта LoRaWAN. Для примера на рис. 4 показан один из вариантов размещения каналов для частотного диапазона 863–870 МГц. При настройке задаются две центральные частоты – 868,4 и 869,1 МГц, относительно которых выполняется сдвиг для получения частот каналов. Канал CH9 является вспомогательным и при необходимости выполняет демодуляцию входной FSK-последовательности.

Рис. 4. Вариант размещения частотных каналов базовой станции Wirnet

Скорость обмена данными зависит от коэффициента расширения спектра (Spreading Factor, SF) и ширины полосы канала, принимающей значения 125, 250 или 500 кГц. Оптимальный набор этих параметров выбирается, исходя из условий линии связи. SF представляет собой целое число от 7 до 12, чем оно выше, тем лучше помехозащищенность линии, но тем ниже скорость и тем больше времени в эфире занимает передача (табл. 5). Например, для пакета размером 51 байт при использовании максимального и минимального SF время передачи отличается примерно в 20 раз (2,8 / 0,12 с). Соответственно во столько же раз отличается и нагрузка на батарею. Поэтому для снижения энергопотребления при хороших радиоусловиях SF выбирается минимально возможным. Кроме того, как было отмечено выше, для максимального увеличения времени автономной работы абонентских устройств можно воспользоваться схемой ADR, выбирающей подходящий SF именно для конкретных условий эксплуатации.

Таблица 5. Зависимость скорости и времени передачи от параметров модуляции LoRa

 

Центр управления Wanesy

Это мощный комплекс для развертывания, эксплуатации и управления сетевым оборудованием в составе LoRaWAN. Обеспечивает соединение элементов сети с клиентской ERP, осуществляет дистанционное конфигурирование, обновление, обслуживание и контроль удаленных устройств (получение сигналов статуса, формирования журнала действий и т. д.). Поддерживает широкий перечень оконечных устройств, совместим со всеми типами базовых станций Kerlink и со шлюзами сторонних производителей (требуется тестирование). Доступные варианты применения: SaaS (программное обеспечение как услуга) или on-Premise (использование собственного сервера для размещения ПО).

Центр управления Wanesy включает в себя следующие основные компоненты (рис. 5):
- контроллер базовых станций (BSC, Base Station Controller) для конфигурирования, контроля и управления рабочими характеристиками базовых станций;
- контроллер радиосети (RNC, Radio Network Controller), отвечающий за настройку параметров LoRa-модуляции;
- сервер сети LoRaWAN (LNS, LoRa Network Server) для организации процесса передачи данных, обеспечения их безопасности и мониторинга производительности сети;
- опциональную службу для определения местоположения без GPS (LBS, Location Based Services).

Рис. 5. Упрощенная структура центра управления Wanesy

Взаимодействие платформы с пользователями выполняется с помощью инструментальной панели с графическим интерфейсом пользователя (ГИП), интегрирование с серверами приложений сторонних разработчиков возможно с помощью REST API.

Блок BSC позволяет объединять в группы собственный набор элементов сети. Он проводит поиск базовых станций на основе нескольких критериев: идентификатора EUI, статуса (наличие или отсутствие соединения) и т. д. Для выбранной группы отображаются последние операции, количество станций с аварийной сигнализацией (потеря соединения, несанкционированный доступ) и их процентное соотношение. Кроме того, BSC имеет возможность менять название компонентов сети, принадлежность к определенной группе, IP-адрес, порт, координаты расположения, пороговые значения и гистерезис аварийных сигналов. Также он контролирует количество подключенных абонентов, их статус, размер полученных и отправленных пакетов данных, время в эфире, процент использования ЦПУ, ОЗУ и ПЗУ, величину RSSI, температуру, напряжение источника питания (рис. 6). Эти характеристики представлены как в числовом, так и в графическом виде. При необходимости обеспечивается удаленный доступ к файловой системе выбранной базовой станции для выполнения операций с файлами и папками.

Рис. 6. Отображение параметров отдельной базовой станции в ГИП (увеличить изображение)

Модуль RNC обеспечивает выбор LoRa-каналов и установку для них рассмотренных ранее параметров: рабочих частот, полос пропускания, коэффициента SF и т. д. Также анализируется активность выбранных абонентов в радиоканале, их спектр отображается в 3D-виде в режиме реального времени и при необходимости сохраняется в отдельный лог-файл. Дополнительно отслеживаются ключевые индикаторы эффективности (KPI), например количество uplink/downlink-сообщений за период, загруженность частотных каналов, соотношение «сигнал/шум», количество сообщений с ошибками и многие другие показатели.

Блок LNS, являющийся основой платформы Wanesy, служит для маршрутизации данных и работает с группами абонентов и базовых станций (рис. 7). Интерфейс пользователя отображает список элементов с детальными характеристиками, используя различные варианты сортировки (статус, регион, класс, ключи шифрования и идентификаторы сети). Обеспечивает доступ к принятым сообщениям и отправку новых. При подключении опции LBS местоположение всех объектов отмечается на карте.

Рис. 7. Отображение списка доступных абонентских устройств в ГИП

Работа блока LBS основана на методе TDoA (time difference of arrival), оценивающем разность во времени прихода сигнала от оконечного устройства до трех базовых станций. Зная местоположение каждого приемника, с помощью математической обработки можно вычислить местоположение источника излучения при условии, что все приемники синхронизированы по времени. Данный способ не обладает высокой точностью, но по сравнению с GPS обеспечивает примерно в 10 раз меньшее энергопотребление (из-за отсутствия соответствующего модуля).

 

Заключение

Серверные решения Wanesy от компании Kerlink позволяют просто и в максимально короткие сроки организовать функционирование сети стандарта LoRaWAN. В сочетании с абонентскими узлами и базовыми станциями от того же производителя на выходе получается полностью работоспособная, надежная система, обеспечивающая беспроводной сбор данных в различных промышленных применениях.

 

Источники

1. LoRa Alliance: [сайт]. URL: https://lora-alliance.org (дата обращения: 26.02.2020).
2. Kerlink: [сайт]. URL: https://www.kerlink.com (дата обращения: 26.02.2020).
3. Верхулевский К. Базовые станции Kerlink для LoRaWAN // Беспроводные технологии. 2016. № 2.
4. Company Semtech Corporation. Kerlink gateway channel selection. Application note. May 2015, rev. 0.2.