Компания Kerlink, многолетний лидер в разработке и производстве средств связи M2M типа («machine-to-machine»), в 2015 году анонсировала выпуск станций «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) большого радиуса действия. Новые базовые станции, являющиеся важным звеном в архитектуре сетей LoRaWAN, для получения большей дальности связи построены на основе технологии LoRa компании Semtech. Данное решение, совместимое с существующими протоколами WMBUS и 6lowPan, позволяет интеграторам создавать свои собственные сети, обеспечивающие двусторонний обмен информацией с тысячами датчиков, счётчиков и другими устройствами на расстояниях до десятков километров.
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие сетей с пакетной коммутацией в начале 2000-х годов привело к тому, что мировое телекоммуникационное сообщество сначала выработало, а затем и приступило к реализации новой парадигмы развития коммуникаций - сетей следующего поколения. При этом предполагалось, что основными пользователями таких сетей будут люди и, следовательно, максимальное число абонентов всегда будет ограничено численностью населения планеты Земля. Однако значительное развитие метода радиочастотной идентификации (RFID), распространение беспроводных сенсорных сетей (WSN),а также взрывной рост применения смартфонов и планшетных компьютеров способствовали появлению огромного числа интегрированных с Интернет технических устройств («вещей»), взаимосвязанных между собой.
Согласно данным консалтингового подразделения Cisco IBSG (Internet Business Solutions Group) число устройств, подключенных к Интернету, в 2015 году составило 25 млрд. штук, а к 2020 году прогнозируемое количество достигнет 50 млрд. штук. По их мнению «Интернет вещей» - всего лишь момент времени, когда количество материальных объектов, имеющих выход в Интернет, превысило число людей, пользующихся "всемирной паутиной".Таким образом, по расчетам эволюционный переход от “Интернета людей” к “Интернету вещей” произошел в промежутке между 2008 и 2009 годами (рис. 1).
В общем случае под “Интернетом вещей” понимается совокупность разнообразных приборов, автономных датчиков и исполнительных устройств, объединенных в сеть посредством любых доступных каналов связи (проводных или беспроводных), использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети. В роли глобальной сети в настоящий момент используется сеть Интернет, а общим протоколом является IP. Наиболее важные отличия «Интернета вещей» - существенно большее число подключенных объектов, их меньшие размеры, как правило, невысокие скорости передачи данных, а также необходимость создания новой инфраструктуры и альтернативных стандартов.
Для оконечных устройств сети, обычно выполняющих функции сбора и анализа данных, не так важны скорость и объем передачи информации, определяющими характеристиками являются длительность работы устройств без дополнительного обслуживания и зарядки (измеряемая месяцами и годами), габаритные размеры и стоимость канала связи. Для соответствия вышеизложенным требованиям активно внедряются новые типы сетей с низким энергопотреблением LPWAN (Low Power Wide Area Networks), которые в отличие от существующих сетей передачи данных (3G или LTE) эффективно решают поставленные задачи. В настоящее время существует несколько распространенных работающих LPWAN технологий для IoT [1].Так, компанией Sigfox (Франция) разработана одноименная технология сверхузкополосной беспроводной связи для передачи данных в субгигагерцовом нелицензируемом диапазоне 868,8 МГц. Сеть компании развернута во Франции, Италии, Великобритании, Испании, Бельгии и других странах Европы.
Технологии LTE-M и NB LTE-M, продвигаемые соответственно компаниями Nokia и Huawei, называют CIoT (Cellular Internet of Things – «Интернет вещей» в сетях сотовой связи), подразумевая, что они разрабатываются специально для охвата рынка IoT существующими сотовыми операторами связи.
Технология NB-IoT, использующая DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - метод прямой последовательности для расширения спектра), поддерживается компаниями Ericsson, Qualcomm и Vodafone. Разворачивание данных сетей, работающих в субгигагерцовом диапазоне, требует установки дополнительных трансиверов и модернизации программного обеспечения на существующем оборудовании.
Также WiFi Alliance в январе 2016 объявил о начале проектирования нового стандарта HaLow. Данный вид связи будет функционировать в диапазоне до 1 ГГц на основании пока еще неутвержденной спецификации IEEE 802.11ah. И наконец, набирает популярность, наиболее перспективная, по мнению многих разработчиков, технология LoRa и сеть LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) на ее основе.
ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ LoRaWAN СЕТЕЙ
Когда говорят о технологии LoRa, то чаще всего имеют ввиду запатентованный метод модуляции LoRa компании Semtech, обеспечивающий рекордные показатели бюджета канала связи (до 168 дБ),а также открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN. Если модуляция LoRa является физическим уровнем (1 уровень сетевой модели OSI), то LoRaWAN – это MAC протокол канального уровня (2 уровень OSI) для сетей большого радиуса действия с множеством узлов. LoRa – способ модуляции на основе технологии расширения спектра, при которой данные кодируются широкополосными ЛЧМ-импульсами с частотой, увеличивающейся или уменьшающейся на некотором временном интервале [2]. Такое решение, в отличие от технологии прямого расширения спектра делает приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения и упрощает требования к тактовому генератору.
Другие преимущества LoRa:
• Превосходная чувствительность (до -148 дБм) и возможность демодуляции сигналов с уровнем на 20 дБ ниже уровня шума обеспечивают дальность 15 км в сельской местности и 5 км в условиях плотной городской застройки, отличающихся наличием активных импульсных помех;
• Низкое собственное энергопотребление узлов сети, по оценкам специалистов гарантирует до 10 лет работы от обычных батарей типоразмера АА;
• Использование нелицензируемых ISM частот (109, 433, 868, 915 МГц);
• Комплексная информационная безопасность (обязательное двухуровневое AES-128 шифрование), встроенные ключи идентификации и аутентификации.
Сеть LoRaWAN имеет простую архитектуру типа «звезда» без ретрансляторов и mesh-связей. Также LoRa модемы могут работать и в топологии «точка-точка», что может быть весьма полезным при разработке персональных WAN сетей для передачи на большие расстояния информации без использования аппаратных шлюзов и серверов в целях автоматизации объектов с малым количеством конечных узлов. Протокол LoRaWAN включает в себя различные классы оконечных устройств, обеспечивая компромисс между скоростью передачи информации и временем работы устройств при использовании питания от батарей (аккумуляторов).В настоящий момент существуют две открытые программные реализации стека протокола LoRaWAN: LoRaMAC, предложенная компанией Semtech, и LMiC (LoRa WAN in C) от IBM. Обе библиотеки используют концепцию HAL драйверов, облегчающую процедуру портирования программ при изменении аппаратной части оборудования.
С целью стандартизации, поддержки и продвижения протокола LoRaWAN в LPWAN сетях в январе 2015 года создана некоммерческая организация LoRaAlliance [3]. Основная задача LoRa Alliance – объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN для операторов связи, чтобы обеспечить их возможностью предоставлять услуги “Интернета вещей” как коммерческим организациям, так и частным лицам. Помимо основателей альянса, компаний IBM и Semtech, в него входят известные производители электроники, такие как Cisco, Kerlink, IMST, Microchip Technology, а также лидирующие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, Inmarsat, SingTel, Proximus, Swisscom), при этом количество зарегистрированных членов постоянно увеличивается.
В типичной сети LoRaWAN базовые станции (шлюзы) передают зашифрованные данные, полученные от оконечных устройств, на центральный сервер сети провайдера и далее на сервер приложений сервис-провайдера, с которого информация поступают конечному пользователю (рис. 2).
Оконечные устройства (конечные узлы, end-node) являются элементами LoRaWAN сети, выполняющими функции измерения, управления и/или контроля. Они располагаются удаленно и имеют, как правило, батарейное питание. Используя сетевой протокол LoRaWAN, эти конечные узлы могут быть настроены для связи со шлюзом LoRa (концентратором или базовой станцией), обмен данными двухсторонний, как от конечных точек к серверу, так и обратно [4]. Также все конечные точки поддерживают функционирование в режиме, обеспечивающем возможность осуществления группового обновление программного обеспечения по радиоканалу или передачу иных массовых сообщений, что позволяет сократить время на их передачу. Узлы сети передают данные не постоянно, а включают передачу лишь на некоторый промежуток времени по заданному графику(как правило на 1-5 секунд). Остальное время трансиверы конечных узлов находятся либо в неактивном состоянии (режиме сна), либо в состоянии приема для получения ответа от сервера, в зависимости от класса устройства (A, B или С).
В двунаправленных оконечных устройствах класса А инициатором обмена выступает сам узел. Конечный узел, как правило, не требует получения подтверждения своего сообщения приложением (сообщения без квитирования), однако протокол предусматривает и сообщения, на которые сервер приложений формирует специальный ответ (квитанцию), при этом сетевой сервер выбирает лучший маршрут (шлюз) для отправки подтверждения в момент открытия узлом окна приема. Передача данных от сервера конечному узлу возможна только после того, как конечное устройство выходит на связь, до этого момента сервер только накапливает сообщения для определенных конечных точек. Устройства класса А имеют наименьшую мощность потребления энергии и поэтому наиболее распространены на практике.
У двунаправленных конечных устройств класса B в дополнение к функциям устройств класса А, существует возможность включения приемника по графику, заданному сервером LoRaWAN сети. Для этого конечные устройства синхронизируют свое внутреннее время с временем сети при помощи специальных сигналов, которые они регулярно получают от базовой станции. В установленный момент открытия приемного окна сервер начинает передачу сообщения.
Двунаправленные конечные устройства класса С отличаются максимальным приемным окном, почти непрерывным, закрывающимся только на период кратковременной передачи данных. Сервер может инициировать обмен в любое время, и передать сообщения узлу с наименьшими задержками, по мере их появления. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных, потребляет наибольшее количество энергии (по сравнению с классами A и B), поэтому обычно не использует батарейное питание.
В настоящее время, по крайней мере, десять производителей предлагают свои варианты оконечных узлов, все они построены на базе чипов SX1272 или SX1276 компании Semtech, работающих совместно с отдельным микроконтроллером [5]. Микроконтроллер, необходимый для реализации функций стека протокола LoRaWAN, располагается либо непосредственно на плате модуля, либо соединяется с ним при помощи распространенных интерфейсов. Из наиболее популярных версий промышленно выпускаемых узлов можно отметить модули iM880a компании IMST и XRange от Netblocks, содержащие SX1272 и малопотребляющий контроллер STM32L151 (ядро CortexM3), RFM95W (только трансивер SX1276) компании HopeRF, имеющие примеры применения совместно с платформой Arduino и mdot компании Mutlitech (SX1272 + STM32F411),полностью совместимые по выводам с XBee модулями.
Базовые станции (шлюзы, концентраторы) сети LoRaWAN, предназначенные для использования в сетевой топологии типа “звезда” большого радиуса действия, формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети с помощью Ethernet, WiFi, GSM или других телекоммуникационных каналов связи путем организации стандартного IP-соединения. Если проводить аналогии, то LoRa шлюз функционально соответствует базовым станциям сотовых сетей и даже может располагаться вместе с ними. В этом случае LoRaWAN может дополнять сотовую связь и расширять ее возможности. В зависимости от желаемой канальной емкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут монтироваться как внутри помещений, так и на вышках или зданиях. Из-за свойств технологии LoRa шлюзы могут представлять собой многоканальные мультимодемные трансиверы, способные выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляцию множества сигналов на одном и том же канале. Узлы LoRaWAN сети могут находиться в зоне покрытия как одного шлюза, так и нескольких.
В сетях с высокой плотностью абонентских устройств в качестве шлюзов выступают специальные многоканальные концентраторы, принимающие данные от множества узлов одновременно. Связь между конечными устройствами и шлюзами осуществляется на различных частотных каналах и скоростях. 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. При появлении нового шлюза, центральный сервер перераспределяет нагрузку, отправляя конечным узлам “новый график” включения режима передачи.
Центральный LoRaWAN сервер осуществляет общее управление сетью, в частности принимает решение о необходимости адаптации скорости передачи данных, изменения мощности передатчика, выборе канала передачи, ее начале и продолжительности по времени, измеряет заряд батарей конечных узлов, т.е. полностью контролирует каждое абонентское устройство в отдельности. Проблема возможных коллизий при одновременной передаче данных несколькими узлами решается адресной отправкой узлам сети управляющих команд. Адресация происходит по 32-битному идентификатору, уникальному для каждого узла. Каждый LoRaWAN пакет данных, отправляемых конечным узлом, имеет в своем составе уникальный идентификатор приложения, принадлежащий определенному приложению на сервере провайдера и используемый для его дальнейшей маршрутизации. Сервер приложений, сервер сети и единственный шлюз сети (в виде одноканального LoRa трансивера) могут быть объединены для построения упрощенной модели сети в лабораторных условиях.
LoRaWAN протокол регламентирует скорость радиообмена в диапазоне от 300 бит/с до 50 кбит/с. Чтобы продлить срок службы источника питания в конечном узле, улучшить масштабируемость и пропускную способность сети, сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и выходной мощностью радиопередатчика каждого оконечного устройства в зависимости от его расстояния до шлюза. Управление осуществляется с помощью алгоритма адаптивной скорости передачи данных (ADR, adaptive data rate), представляющего собой метод, при котором фактическая скорость передачи регулируется таким образом, чтобы обеспечить надежную доставку пакетов, оптимальную производительность сети и ее необходимую загрузку (рис. 3).
Так, например, более близкие к шлюзу узлы будут использовать и 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. Использование данной технологии помогает внести необходимые изменения в сетевую инфраструктуру и, таким образом, компенсировать различные потери на трассе передачи сигнала. Если развернуто много шлюзов, то технология ADR будет смещать скорость передачи данных в сторону повышения, что обеспечит масштабирование емкости сети в пределах от 6 до 8 раз.
БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ LoRaWAN
Постоянное увеличение числа производителей базовых станций LoRaWAN сети усложняет задачу выбора подходящего решения, в настоящее время доступно несколько популярных вариантов, каждый из которых в обязательном порядке содержит коммуникационную и вычислительную части. Коммуникационная часть выполняется на основе высокоинтегрированных микросхем компании Semtech: трансиверов SX1272/SX1276, обеспечивающих единовременную обработку одного канала, или связки ИСSX1301 + SX1257, способной обслуживать до 8 соединений в любой момент времени и до 10-20 тысяч узлов суммарно. Все выпускаемые базовые станции LoRaWAN сети, за исключением некоторых самых простых вариантов конструкторов из серии «сделай сам», используют второй вариант, в таблице 1 приведены их отличительные особенности, а на рис. 4 внешний вид отдельных моделей.
У крупномасштабных сетевых IoT операторов ключевыми требованиями к шлюзам являются: эффективность радиоканала (чувствительность приема, мощность передачи), наличие SX1301“на борту” для увеличения зоны покрытия и использование Plug and Play – технологии, предназначенной для быстрого распознавания устройств [6]. Среди устройств, удовлетворяющих заданных условиям, можно отметить:
• Не имеющие законченного корпусного исполнения базовые станции, получающиеся в результате объединения открытых платформ Raspberry Pi и OpenWrtв различных комбинациях с приемопередающими модулями iC880A, SX1301 и mCard компаний IMST, Semtech и Multitech соответственно. Как правило, имеют открытый код для встроенных микроконтроллеров и используются преимущественно в персональных сетях:
• Конфигурируемый шлюз Multi Connect Conduit компании Multitech, представляющий собой гибкое и масштабируемое решение, в котором путем установки дополнительных модулей из серии mCard организуется мост между 4G-LTE, 3G, 2G, Ethernet с одной стороны и WiFi, GNSS, Bluetooth, RS-232, LoRaWAN с другой;
• Базовую станцию LL-BST-8компании Link Labs, изготавливаемую на основе одноплатного компьютера со следующими параметрами: процессорAMDx64 с тактовой частотой 800 МГц, RAM размером 2 Гб, гигабитный Ethernet, встроенный SSD диск и модуль с ИС SX1301, подсоединенный к материнской плате через разъем mini-PCIe;
• Шлюз Toti-LoRa-pico от CalaoSystems, выполненный в анодированном металлическом корпусе, предназначенном для крепления наDIN рейку. Диапазон рабочих температур – от -20 до +70°С, в основе управляющей части лежит RaspberryPi;
• Базовые станции компании Kerlink, выгодно отличающиеся возможностью эксплуатации вне помещений. Производимые в водонепроницаемых корпусах с классом защиты IP67 они в основном устанавливаются на крышах высотных зданий и антенных вышках [7]. Рассмотрим основные характеристики данных станций.
Пионер в проектировании базовых станций для сети LoRaWAN, соучредитель LoRa альянса, компания Kerlink в настоящее время предлагает четыре варианта шлюзов, адаптированных под основные субгигагерцовые частоты ISM диапазона: 433, 868, 915 и 923 МГц [8]. Протестированные в сетях крупных провайдеров Loriot, Orbiwise, Stream Technologies, The Things Network и сертифицированные на соответствие требованиям CE/FCC/IC/KC базовые станции, относящиеся к серии WirNet, обладают архитектурой, разработанной для удовлетворения потребностей общедоступных операторов (рис. 5).
За обработку данных отвечает 32-битный RISC микроконтроллер ARM926EJS с быстродействием до 230 MIPS и оптимизированным энергопотреблением, использующий интегрированную память:128 Мбайт энергонезависимой NAND flash, из которой 40 Мбайт занято системным ПО и алгоритмом автовосстановления, 128 Мбайт оперативной DDRAM и eMMC чип объемом 8 Гбайт. Взаимодействие с WAN сетью осуществляется посредством протоколов GPRS/EDGE/3G или Ethernet, максимальная скорость обмена данными зависит от применяемой технологии. Например, у HSDPA (900 МГц) она составляет 384 кбит/с (скорость отдачи) и 3,6 Мбит/с (загрузки), у UMTS (2100 МГц) – 384 кбит/с (загрузки/отдачи), а у GPRS/EDGE (850/900/1800/1900 МГц) не превышает 236,8 кбит/с. Для получения координат установки в базовую станцию встроен высокочувствительный GPS приемник с протоколом NMEA 2.0 (антенна интегрированная).
В основе LoRa части станций Kerlink лежит применение связки микросхемSX1301 + SX1257. Многоканальная ИС SX1301, представляющая собой цифровой процессор каналов радиосвязи для устройств ISM-диапазона может параллельно демодулировать несколько сообщений, полученных на различных рабочих частотах.
Отличительные особенности SX1301:
• Чувствительность приема до -142,5 дБм (при использовании с SX1257);
• Динамическая адаптация канала под различные скорости передачи (DDR, Dynamic data rate);
• 10 параллельных программируемых каналов демодуляции.
Пользовательский интерфейс включает в себя светодиоды, осуществляющие индикацию рабочего состояния: мощности передатчика, уровня GSM сигнала, наличие WAN соединения и т.д., а также кнопки ручного сброса, тестирования и запуска процедуры инсталляции.
Из дополнительных особенностей можно отметить наличие внутреннего датчика температуры и детектора открытия крышки корпуса. Для питания шлюзов Kerlink используется технология PoE (класс 0), позволяющая по стандартному Ethernet кабелю доставить к устройству необходимые 48 В, встроенная резервная батарея позволяет в аварийных ситуациях провести корректное отключение станции. Конструктивно устройства выпускаются в герметичных, ударопрочных (степень защиты IK08), прямоугольных корпусах из поликарбоната с внешними размерами 31,5*17,0*21,5 см (включая крепежный комплект), общая масса составляет приблизительно 2 кг. Шлюзы Kerlink предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур от -20 до +60°С при влажности 95%, производителем гарантируется средняя наработка на отказ не менее 20 лет. Монтаж возможен тремя способами: на стену при помощи винтовых соединений, креплением скобами на опорах и установкой на трубах с использованием специальных металлических лент.
Что касается программной части, то в качестве операционной системы применяется Linux (версия 3.10), также присутствуют установленные пакеты программ: Python, SQLite, виртуальная машина Java (опционально), клиентские и серверные приложения для работы с сетью, из доступных средств разработки можно отметить кроссплатформенный C/C++ компилятор (GCC 4.5.2). Для облегчения проектирования доступны руководства пользователя, описаниеKerlinkM2M сервисов и примеры программной реализации взаимодействия элементов сети LoRaWAN, написанные на языке C.
Модификация LoRa IoT Station SPN, имеющая аналогичное аппаратное построение, отличается тем, что одновременно со своими может выполнять функции LoRaWAN сервера для устройств класса А, то есть быть полностью автономной.
Выпуск второго поколения LoRa/4G базовых станций Wirnet iBTS компании Kerlink анонсирован на первое полугодие 2016 года. Масштабируемая базовая станция Wirnet iBTS предназначена для реализации ключевых запросов операторов в возможности апгрейда и построения модульной структуры сетевого оборудования.
Модульная запатентованная архитектура с раздельными радиочастотными и цифровыми частями позволяет легко сконфигурировать станции установкой необходимого количества LoRa модемов (до 6 отдельных плат, монтируемых в слоты расширения) с учетом разрешенных в разных странах диапазонов частот. Максимально число LoRa каналов – 64, разъемы внешних антенн (ненаправленных или секторных) располагаются в нижней части шлюза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Преимущества технологии LoRa, активно продвигаемой образованным в прошлом году LoRa альянсом, способствуют развитию и широкому распространению IoT. Программные и аппаратные решения от различных производителей, реализующие функции оконечных узлов и базовых станций LoRaWAN сети, помогают в максимально короткие сроки организовать системы безопасности, промышленной автоматизации, удаленного мониторинга и управления объектами, связанные с глобальной сетью. Высокоинтегрированные базовые станции Kerlink, предназначенные для жестких условий эксплуатации и обладающие широкими функциональными возможностями, обеспечивают сбор и передачу данных от десятков датчиков, удаленных на расстояния до 15 км.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сайт сообщества LoRaWAN
2. Комплект справочной документации по LoRa технологии
3. Официальный сайт LoRa альянса
4. Сайт сообщества разработчиков LoRa
5. Сайт сети The Things Network
6. Сайт сети Loriot
7. Официальный сайт компании Kerlink
8. LoRa IoT station. Datasheet. April, 2015
