В течение многих лет огромный потенциал “Интернета вещей” не был полностью раскрыт ввиду влияния таких технических факторов, как ограниченный срок службы аккумуляторов оконечных устройств сети, необходимость использования дополнительных ретрансляторов для обеспечения надежной связи, особенно в условиях городской застройки, высокие материальные затраты и недостаток необходимых стандартов. Разработка протокола сети LoRaWAN и создание альянса LoRa, занимающегося его поддержкой и развитием, позволило решить ряд проблем, ограничивающих широкое распространение “Интернета вещей”. В данной статье рассматриваются особенности технологии LoRa, позволяющей добиться рекордных показателей дальности в сетях беспроводных датчиков и особое внимание уделяется аппаратной реализации, в частности, обзору ключевых характеристик трансиверов Semtech.
ВВЕДЕНИЕ
Существует множество определений термина “Интернет вещей” (Internet of Things, IoT). В наиболее общем случае под этим понятием подразумевается единая сеть физических объектов, имеющих доступ в глобальную сеть и использующих встроенную технологию для измерения собственных характеристик или параметров внешней среды, анализа собираемых данных и передачи полученной информации на другие устройства. По прогнозам многих исследовательских компаний, например Forrester Research, к 2020 году число подключённых к “Интернету вещей” устройств достигнет 22 млрд. штук, при этом 60% из них будут относиться к маломощным устройствам, работающим в сетях WAN (Wide Area Network). Возникает вопрос: как обеспечить надёжное объединение этих устройств в сети с возможностью масштабирования без сопутствующего двух или трехкратного увеличения количества базовых станций GSM сетей и/или значительного увеличения числа точек доступа. Очевидный ответ – внедрение устойчивых сетей связи на основе узлов с увеличенным радиусом действия и максимальным временем автономной работы, позволяющих полностью отказаться от использования ретрансляторов.
23 марта 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research объявили о важном достижении в области беспроводных технологий передачи данных, представив новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi b сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций. Появившаяся технология вызвала неподдельный интерес на рынке беспроводной связи. Для её поддержки, развития и стандартизации был создан альянс LoRa (LoRa Alliance), который в настоящее время стремительно развивается, о чём говорит постоянное увеличение количества зарегистрированных членов. В состав альянса входят как известные производители электроники: Cisco, IBM, Kerlink, IMST, Semtech, Microchip Technology, - так и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom).
Основная задача LoRa Alliance – объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN, чтобы обеспечить возможность операторам связи предоставлять услуги “Интернета вещей” как коммерческим организациям, так и частным лицам. Активное использование стандарта позволит значительно упростить задачу соединения миллиардов устройств - от беспроводных датчиков в приложениях промышленной автоматизации и системах безопасности до бытовой электроники.
На основе нового протокола было создано простое в использовании аппаратно-программное решение, включающее в себя программный комплект разработки Mote Runner от IBM и однокристальные трансиверы Semtech на аппаратном уровне, позволяющее создавать системы с возможностью беспроводной передачи данных на расстояния до 15 км (в зависимости от особенностей рельефа местности). Mote Runner, являющийся средством разработки инфраструктуры беспроводных сенсорных сетей, представляет собой открытую платформу для подключения датчиков и исполнительных механизмов к сети. Среда разработки IBM Mote Runner содержит все необходимые инструменты для проектирования приложений на высокоуровневых объектно-ориентированных языках, таких как Java и Си#, и предоставляет поддержку отладки и моделирования сети на уровне исходного кода. Для разработки приложений IBM также открыла исходный код протокола LoRaWAN, доступный вместе с примерами как на самом сайте компании, так и на популярном ресурсе github.com [1, 2].
Библиотека LMiC размером не более 20 кбайт написана на языке C, обеспечивает реализацию стандарта на MAC уровне и включает в себя готовый код для микроконтроллеров малопотребляющей серии STM32L (ядро Cortex-M3), работающих в связке с приёмопередатчиками компании Semtech семейства SX127x. Она адаптирована для компиляторов IAR, Keil и GCC, а использование при её написании концепции HAL драйверов облегчает процедуру портирования программ при переходе с одного микроконтроллера на другой. Также доступны электрические принципиальные схемы связки микроконтроллер-трансивер с необходимой обвязкой, позволяющие при желании использовать тестированные схемотехнические решения в своих разработках. В итоге, с учетом применения облачного сервера от IBM, можно получить доступное решение мониторинга своей сети распределенных датчиков без необходимости использования Wi-Fi, GSM, 3G и WiMAX устройств. Аппаратная реализация протокола LoRaWAN основана на применении запатентованного компанией Semtech метода модуляции LoRa, ряд конкурентных преимуществ которого будут рассмотрены далее.
КЛЮЧЕВЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ LoRa
При разработке сетей беспроводных датчиков определяющее значение имеет максимальная дальность радиосвязи, позволяющая обойтись без использования дополнительных ретрансляторов сигнала, тем самым сокращая затраты и упрощая топологию. Основным параметром, характеризующим общую производительность системы в целом, является бюджет канала связи, получаемый из суммы чувствительности приемника и выходной мощности передатчика. Мощность лимитирована регламентирующими стандартами, поэтому очевидным путем улучшения дальности связи является повышение чувствительности приемника [3]. Превосходная чувствительность (до -148 дБм) – ключевая характеристика LoRa устройств компании Semtech, достигаемая благодаря использованию одноименного метода модуляции (рис. 1). Данный способ модуляции предполагает использование технологии расширения спектра, при которой данные кодируются широкополосными ЛЧМ-импульсами с частотой, увеличивающейся или уменьшающейся на некотором временном интервале. Такое решение, в отличие от технологии прямого расширения спектра, делает приёмник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения и упрощает требования к тактовому генератору.
Учитывая максимальную разрешённую выходную мощность отдельных трансиверов, бюджет канала связи составляет 168 дБ, что позволяет организовать гарантированную линию связи на расстояниях до 15 км в сельской местности и до 5 км в условиях плотной городской застройки. Для сравнения, максимально возможная дальность передачи данных интеллектуальных приборов учёта с использованием GFSK-модуляции составляет не более 1-2 км.
Следует также отметить, что технология расширения спектра совместно с применяемой упреждающей коррекцией ошибок, восстанавливающей искаженные биты данных, позволяет повысить отношение сигнал/шум и обеспечить работу в условиях импульсных помех. Так, например, при использовании коэффициента расширения SF=12 демодулятор LoRa может работать при соотношении сигнал/шум на входе радиоприёмного тракта равным минус 20 дБ (таблица 1). Здесь отрицательные значения указывают на возможность принимать сигнал ниже уровня собственных шумов [4]. Коррекция ошибок требует внесения небольшой избыточности, связанной с дополнительным кодированием данных в передаваемом пакете.
LoRa устройства стабильно функционируют в условиях воздействия сильных интерференционных помех от субгигагерцовых сигналов оборудования стандартов 4G/LTE. Так, уровень подавления внутриполосных интерференционных помех у SX1272 на 25 дБ лучше по сравнению с компонентами с частотной манипуляцией. Еще одной отличительной чертой являются превосходные селективные возможности приёмников. Типовые значения соответствующих показателей будут рассмотрены далее применительно к конкретным устройствам.
В системах автоматизации часто вынужденно приходится применять ячеистую топологию сети для организации надёжного канала связи с удалёнными от координатора узлами. В этом случае разработчикам необходимо рассмотреть варианты питания, а также обеспечить маршрутизацию, автоматическое распознавание, самовосстановление и исключение отказа всей сети в результате выхода из строя одного узла, что является непростой задачей как на уровне протокола, так и на уровне “железа”. Приёмопередатчики LoRa со сверхдальним радиусом действия гарантируют простоту развертывания сети, так как они ориентированы на использование топологии “звезда”, простейшей архитектуры с наименьшей задержкой, не требующей транзитной передачи данных через ретрансляторы (рис. 2). В звездообразной сети легко рассчитать длительность автономной работы каждого узла от батареи, что делает ее идеальной для применения в различных интеллектуальных приборах учета.
Предлагаемые компанией Semtech микросхемы трансиверов серии SX127x для конечных узлов имеют ультранизкое собственное энергопотребление от 9,7 мА в режиме приема и 200 нА в режиме ожидания со сверхбыстрым переходом в рабочий режим, поэтому они рекомендованы для устройств с батарейным питанием [5]. Адаптивный механизм выбора скорости передачи данных позволит увеличить срок службы батарей, улучшить ёмкость, пропускную способность и масштабируемость сети.
При масштабах развёртываемой сети, исчисляемых сотнями и тысячами узлов, не менее важным фактором становится не только надёжность соединения, но и стоимость готового решения. Низкая стоимость применения сетей LoRaWAN обуславливается малой себестоимостью конечных узлов сети (микросхема серии SX127x и микроконтроллер STM32L стоят всего несколько долларов), отсутствием ретрансляторов, доступностью бесплатного протокола и использованием для радиосвязи нелицензированного ISM диапазона частот, что является дополнительным фактором распространения систем на территории Российской Федерации. Напомним, что в России на основании решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) для указанных целей в диапазоне от 100 МГц до 10 ГГц выделены следующие каналы: 433,92 МГц ±0,2%; 868,7-869,2 МГц; 2,45 ГГц ±2,0%; 5,8 ГГц ±1,3%. Эти частоты могут использоваться без оформления соответствующего разрешения ГКРЧ при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности и назначению готового изделия.
ОБЗОР LoRa ТРАНСИВЕРОВ КОМПАНИИ SEMTECH
В настоящее время семейство SX127x компании Semtech включает в себя шесть трансиверов, доступных для разработчиков беспроводных устройств широкого спектра применений. Первые приемопередатчики SX1272/3, использующие в качестве базовой модели популярный трансивер SX1232, были адаптированы под рабочие частоты 868/915 МГц, а дальнейшее расширение серии было осуществлено за счёт широкополосных микросхем SX1276/7/8/9 (таблица 2).
Характерной чертой всех устройств серии SX127x является универсальность их применения: внутренние регистры памяти позволяют динамически изменять рабочую частоту, её девиацию, битрейт, вид модуляции, выходную мощность и многие другие параметры, а также устанавливать режимы работы всех периферийных блоков, что позволяет использовать один и тот же беспроводной модуль для решения разных задач. Для конфигурирования всех основных параметров радиочастотной и цифровой части микросхемы используется интерфейс связи SPI [6]. Все микросхемы соответствуют требованиям WMBus, IEEE 802.15.4g (SUN), FCC 15.247, ARIB T96/108, EN 300-220 и другим регулирующим стандартам.
Помимо LoRa, приёмопередатчики серии SX127x поддерживают следующие виды модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. При выборе необходимого метода нужно найти компромисс между пропускной способностью канала и требуемой дальностью связи. Трансиверы, использующие модуляцию LoRa, относятся к низкоскоростным устройствам, их максимальная скорость обмена данными не превышает 37,5 кбит/с. С другой стороны, для повышения пропускной способности до 300 кбит/с возможно применение традиционных способов, но, соответственно, мы лишаемся всех вышеописанных преимуществ LoRa.
Рассмотрим взаимодействие основных узлов в режимах приема и передачи, для этого на рис. 3 представлена упрощенная внутренняя структура трансиверов SX1272/3.
Структурная схема SX1272/3 содержит типовые блоки, по функциональному назначению их можно отнести к приёмному или передающему трактам, схеме формирования частот, интерфейсу ввода/вывода с конфигурационными регистрами или подсистеме питания.
Радиоприёмный тракт реализован по схеме с однократным квадратурным преобразованием на низкую промежуточную частоту. Такая схема получила наибольшее распространение в современных однокристальных решениях, поскольку позволяет реализовать лучшие характеристики радиоприёмного устройства в части чувствительности и избирательности по соседнему каналу по сравнению со схемой прямого преобразования. Принимаемый сигнал усиливается при помощи малошумящего усилителя, для упрощения проектирования и минимизации внешних компонентов используется несимметричный входной сигнал. Далее, для устранения гармоник происходит преобразование в дифференциальную форму, затем квадратурные сигналы промежуточной частоты, полученные в смесителе, усиливаются в тракте промежуточной частоты и поступают на два сигма/дельта АЦП. Вся дальнейшая обработка (фильтрация, демодуляция и т.д.) выполняется над сигналом, представленным в цифровом виде. Подавление зеркального канала осуществляется за счет квадратурного преобразования.
Из полезных функций стоит отметить встроенный блок сверхбыстрой автоподстройки частоты (AFC), схемы индикации уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI) с широким динамическим диапазоном 127 дБ и автоматической регулировки усиления.
Энергопотребление в режиме приёма не превышает 13 мА при напряжении питания 3,3 В и ширине полосы пропускания 500 кГц, что выгодно отличает трансиверы SX1272/3 от аналогичных решений других известных производителей. Радиоприёмный тракт также характеризуется отличными селективными свойствами (численные показатели указаны для модуляции LoRa):
• Избирательность по соседнему каналу: не менее 72 дБ (при SF=12);
• Подавление зеркального канала: не менее 66 дБ;
• Динамический диапазон блокировки: 82,5 дБ (при отстройке на ±1 МГц); 89 дБ (при ±10 МГц);
• Интермодуляционные искажения 3-го порядка: -12,5 дБм.
В радиопередающем тракте сигнал гетеродина модулируется с помощью цифрового модулятора, после чего усиливается. Можно использовать один из трех усилителей мощности: первый, подключенный к выводу RFO, обеспечивает усиление до +14 дБм (20 мВт), остальные два, соединенные с PA_Boost, при использовании рекомендованной согласующей цепи выдают до +20 дБм (100 мВт). Ток потребления в режиме передачи вырастает, при выходной мощности +13 дБм он составляет 28 мА.
Блок формирования частоты с фазовой автоподстройкой и делителем генерирует рабочую частоту приёмника и передатчика, интегрированный синтезатор частот имеет разрешение 61 Гц. Основным источником тактовых импульсов для синтезатора частоты является кварцевый генератор на 32 МГц, который также обеспечивает синхронизацию цифровой части микросхемы.
Интегрированная схема управления пакетами данных, используемая совместно с 64-байтным буфером FIFO, автоматизирует процесс приёма, передачи и обработки данных (генерацию преамбулы, вставку и обнаружение синхрослова, проверку адреса, гибкий выбор длины пакета и т.д.) и значительно снижает нагрузку на внешний микроконтроллер. Также возможно функционирование в автономном режиме без внешнего управления и контроля. В этом случае применяется встроенный программируемый автомат состояний, задающий последовательность и условия перехода между режимами работы по заранее заданному алгоритму. Временные интервалы автомата состояний задаются при помощи встроенных таймеров.
Среди дополнительных полезных функций можно отметить наличие встроенного датчика температуры и индикатора пониженного напряжения питания, генерирующего сигнал прерывания при достижении заданного порога. Конструктивно трансиверы изготавливаются в малогабаритных пластиковых корпусах QFN-28 размерами всего 6x6 мм.
Все вышесказанное, за исключением значений ключевых параметров, относится и к устройствам SX1276/7/8/9 [7]. Они имеют схожую с SX1272/3 структуру и принципы функционирования, поэтому рассмотрим только их немногочисленные отличия:
- во-первых, это широкий диапазон рабочих частот, обеспечивающий гибкость применения и включающий не требующие лицензирования ISM частоты 433, 868 и 915 МГц: от 137 до 1020 МГц (у SX1276 и SX1277), 137-525 МГц (у SX1278) и 137-960 МГц (у SX1279).
- во-вторых – использование двух входных/выходных каналов для работы на разных частотах.
Отличная чувствительность приёма (до -148 дБм, кроме SX1277: -139 дБм) и выходная мощность передатчиков, программируемая до +20 дБм с шагом 1 дБ, позволяют обеспечить энергетический бюджет канала связи в 168 дБ. Малое собственное энергопотребление: до 13,8 мА в режиме приема (при максимальной полосе пропускания) и 29 мА в режиме передачи при выходной мощности +13 дБм, - значительно увеличивают срок бесперебойной службы беспроводного модуля. В спящем режиме потребляется не более 100 нА, при этом гарантируется сохранение содержимого внутренних управляющих регистров.
Трансиверы SX1276/7/8/9 обладает отличными показателями по интермодуляционным искажениям третьего порядка (IIP3). При максимальных усилении и чувствительности этот показатель составляет -11 дБм, что в сочетании с избирательностью по соседнему каналу (не менее 72 дБ) и избирательностью по зеркальному каналу (не менее 66 дБ) позволяет получить наиболее устойчивое и надежное решение для различных условий эксплуатации.
ИС SX1301
В шлюзах, выступающих в качестве моста между узлами сети и сервером и обеспечивающих межсетевое взаимодействие между LoRa и Ethernet, компанией Semtech рекомендуется для применения ИС SX1301 [8]. Она представляет собой цифровой процессор канала радиосвязи для устройств ISM-диапазона, способный в условиях интерференционных помех обслуживать до 5 тысяч оконечных узлов на каждый км2. На рис. 4 представлена упрощенная структурная схема SX1301.
Отличительные особенности SX1301:
• Чувствительность до -142,5 дБм при совместной работе с маломощными трансиверами SX125x;
• Возможность работы с отрицательным отношением сигнал/шум (до -9 дБ);
• Эмуляция 49x LORA демодуляторов и 1x (G)FSK демодулятора;
• Двойной цифровой TX&RX радиоинтерфейс;
• Динамическая адаптация канала под различные скорости передачи (DDR, Dynamic data rate);
• 10 параллельных программируемых каналов демодуляции.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ LORA
Несмотря на новизну стандарта LoRaWAN, на рынке сетевых приложений уже доступно множество примеров его практического применения, в том числе реализованных и на территории России.
Так, компания Kerlink выбрала технологию LoRa Semtech для получения большей дальности связи спроектированной станции “Интернета вещей”, что позволит интеграторам строить свои собственные сети, контролирующие оборудование или различные датчики и счётчики.
На рис. 5 станция LoRa IoT обеспечивает сбор данных с оконечных узлов (LoRaMote) и передает полученную информацию посредством Ethernet (по умолчанию) или GPRS (после конфигурирования) на сервер Iot.semtech.com [9]. Сервер содержит список доступных IoT станций (шлюзов), показывает активность и карту сети, а также хранит и отображает принятые данные от каждого узла в текстовом или графическом виде (рис. 6).
В настоящее время M2M-оператор Senet внедряет 20 тысяч LoRa-устройств от Semtech с программным обеспечением IBM LRSC, чтобы отслеживать уровни в газовых и топливных баках, находящихся на территории жилых зданий и предприятий на западном и восточном побережьях США. Каждый час сенсоры собирают и передают по защищенным каналам связи информацию об уровне топлива в баках, состоянии измерительных приборов и рекалибровке датчиков поставщикам горючего, которые впоследствии принимают решения о необходимости пополнения запасов.
В России решения на базе LoRaWAN активно продвигает оператор LACE (http://lace.org.ru/), который на данный момент запустил сервис в Москве и Санкт-Петербурге, а в ближайшее время планирует обеспечить покрытие всех городов-миллионников.
Напоследок отметим наиболее перспективные области внедрения LoRa устройств:
• Охрана здоровья. Специальные автономные многофункциональные датчики могут быть использованы для дистанционного контроля здоровья и в системах оповещения об экстренных изменениях состояния организма человека, а также в продукции для фитнесса, измеряющей шаги, вес, кровяное давление и т.д.;
• Энергетика. Построение автоматизированных умных сетей электроснабжения для повышения эффективности использования энергии в зданиях и на производственных предприятиях, а также стабильности поставок электроэнергии. Ожидается, что беспроводные датчики и исполнительные механизмы будут в скором времени интегрированы во все виды устройств, потребляющих энергию (лампы, выключатели, телевизоры и т.п.) и смогут взаимодействовать с поставщиками энергии для организации оптимального энергетического баланса;
• Умный город. Популярная некогда концепция “умного дома” сменилась идеей “умного города”, когда все устройства города соединяются между собой. Беспроводные модули осуществляют мониторинг механических, электрических и электронных систем, используемых в современных зданиях, а также контроль доступа, при этом они абсолютно не зависят ни от системы электропитания, ни от коммуникаций;
• Транспорт. Для осуществления разнообразных функций коммуникации в транспортных системах, построения систем контроля загруженности автодорог, “умных парковок”, логистических систем, а также контроля безопасности и помощи на дорогах;
• ЖКХ. Применение интеллектуальных беспроводных счетчиков помогает легко организовать автоматизированный учет расходов энергоресурсов (воды, тепла, газа, электроэнергии) в квартирах, коттеджах и в офисных зданиях, а также в режиме реального времени отслеживать состояние применяемого оборудования и в случае возникновения аварийных ситуаций оперативно на них среагировать.
На последнем пункте остановимся немного подробней. Очевидно, что применение LoRa технологии актуально прежде всего для производителей счётчиков, которые могут еще на этапе проектирования внести в схему и конструкцию необходимые изменения. Но при желании возможна и адаптация разнообразных устройств, применяемых в настоящее время в ЖКХ, под стандарт LoRaWAN, используя микроконтроллер, составляющий основу оконечного узла сети. В этом случае он осуществляет взаимодействие посредством распространенных цифровых интерфейсов (USART, SPI и т.д.) с интеллектуальными трехфазными счетчиками на основе микропроцессоров или специализированных ИС либо обеспечивает функцию измерения импульсов от простейших механических однофазных счетчиков при помощи встроенных таймеров. Для примера, на рис. 7 показано соединение модуля LoRa с популярным измерителем энергии от компании TI.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Распространение экономически эффективных технологий беспроводной связи и широкая доступность системных решений привели к резкому росту “Интернета вещей”. Новые трансиверы компании Semtech, построенные с применением технологии LoRa, обладают превосходной чувствительностью приёмника, малым собственным энергопотреблением, отличной помехозащищенностью линии связи и широкими функциональными возможностями. Наличие открытого протокола LoRaWAN с примерами кода ускоряет процесс разработки беспроводных устройств. Все это в совокупности позволяет реализовывать более простые сети передачи данных с увеличенным радиусом действия, длительным временем автономной работы и гарантированным обнаружением полезного сигнала на фоне воздействия помех.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) http://www.zurich.ibm.com/pdf/lrsc/lmic-release-v1.5.zip
2) https://github.com/Lora-net/LoRaMac-node
3) Верхулевский К. Однокристальные ISM-трансиверы Semtech: уверенная связь в сложных условиях. // Компоненты и технологии. – 2013. – №6. – с. 110-116.
4) SX1272/3/6/7/8: LoRa modem design guide. // Application note 1200.13, rev.1, July 2013. // semtech.com.
5) Wireless RF Solutions. // Selector Guide. 2014. // www.semtech.com.
6) SX1272/73 - 860 to 1020 MHz Low power long range transceiver. // Datasheet, rev.3, March 2015. // www.semtech.com.
7) SX1276/77/78/79 - 137 to 1020 MHz Low power long range transceiver. // Datasheet, March 2015. // www.semtech.com.
8) SX1301 – Base band processor for data concentrator for long range communication network. // Preliminary product brief, February 2014. // www.semtech.com.
9) Kerlink LoRa IoT station. // User guide, rev.1.1, July 2014. // www.kerlink.fr/en/products/lora-iot-station
