Алексей Шалагинов, независимый эксперт
Несколько десятилетий развития интернет-технологий буквально все вертелось вокруг ключевого субъекта – пользователя. Однако сегодня внимание все чаще переключается на другую сферу, в которой центральное место занимает уже не сам человек, а его «орудия труда» – мы говорим об Интернете вещей (IoT) и межмашинных коммуникациях (M2M). И здесь одной из ключевых беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования (датчиков, счетчиков, сенсоров и пр.), является сеть LPWA.
К LPWAN (Low Power Wide Area Network – энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия) относятся сети беспроводной связи, предназначенные в первую очередь для Интернета вещей (IoT) и межмашинных коммуникаций (M2M), на основе следующих протоколов:
- Sigfox;
- Weightless/Neul;
- NB-IOT/LTE Cat NB1;
- LTE Cat 0, 1, 3;
- LTE-M1/ LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication);
- LoRaWAN;
- Symphony Link;
- EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT);
- RPMA.
Технологию LoRa для беспроводной передачи небольших объемов данных впервые разработала компания Cycleo из Гренобля (Франция). В 2012 г. ее купила компания Semtech, которая сегодня является держателем патента на эту технологию. LoRa работает в нелицензируемых диапазонах до 1 ГГц: 169 МГц, 433 МГц, 868 МГц – в Европе; 915 МГц – в Северной Америке.
В технологии определены физический уровень LoRa и вышележащий коммуникационный протокол, который может быть двух видов:
- LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) – открытый протокол, определенный консорциумом LoRa Alliance;
- Symphony Link – проприетарный протокол, разработанный компанией Link Labs.
Рис. 1. Архитектура LoRaWAN
Источник: Medium Corporation
LoRaWAN – это коммуникационный протокол и архитектура сети, а LoRa – физический уровень, обеспечивающий дальность и надежность связи (рис. 1). Протокол LoRaWAN может работать в разных режимах передачи, которые разделены на классы А, В и С. Они отличаются периодичностью сеансов передачи и временем активной работы и «сна» датчиков.
Стандарты и решения на базе протокола LoRaWAN разрабатывает и продвигает некоммерческая организация LoRa Alliance, куда входят более 500 компаний. Первая версия стандарта LoRaWAN была предложена в июне 2015 г., а в 2017 г. вышла ее обновленная версия 1.1[1].
Топология сети LoRaWAN типа «звезда из звезд» показана на рис. 2.
Рис. 2. Топология сети LoRaWAN
Источник: University of Vaasa, Вааса, Финляндия
Конечные узлы (End Nodes) передают данные одновременно на все шлюзы, находящиеся в зоне покрытия, по каналу LoRa. Шлюзы LoRa коммутируют сообщения от конечных устройств на IoT-сервер по протоколу IP.
Конечные узлы обычно содержат:
- сенсоры, измеряющие переменные параметры, например температуру, влажность, скорость и ускорения, сигнал GPS и пр.;
- транспондер LoRa, передающий сигналы по протоколу LoRaWAN.
Шлюзы подключаются к серверу сети IoT по стандартному протоколу IP и преобразуют радиочастотные пакеты от конечных узлов в стандартные IP-пакеты.
IoT-сервер – это облачная платформа IoT, например The Things Network (TTN) или LoRIOT. Существует множество (несколько сот) различных IoT-платформ.
Полезная нагрузка пакета LoRa обычно содержит около 100 байт данных. Пакеты LoRa посылаются с датчиков каждые несколько секунд (не рекомендуется делать интервал более одной минуты), поэтому один шлюз LoRa может одновременно обрабатывать сигналы от сотен и тысяч конечных IoT-устройств.
Преимущества
LoRa (Long Range) – технология, намного превосходящая сотовые сети и другие технологии беспроводной связи по дальности действия (до 20 км). При этом обеспечивается минимальное энергопотребление, позволяющее датчикам IoT несколько лет автономно работать на одном аккумуляторе АА. LoRa находит применение в различных сферах – от домашней автоматизации и Интернета вещей до промышленности и «умных городов»[2].
LoRaWAN – наиболее распространенный на данный момент вид LPWAN, способный обеспечить всеобщую связность для приложений IoT при относительной простоте топологии сети.
Протокол LoRaWAN используется на сетях свыше 100 операторов мира[3] более чем в 100 странах мира (включая корпоративные сети). Он имеет широкую экосистему из вендоров устройств, разработчиков ПО, партнеров, системных интеграторов, применяется во множестве IoT-платформ, телеком-операторов (рис. 3).
Первой страной, создавшей общенациональную сеть LoRa (в 2016 г.) для приложений Интернета вещей, стали Нидерланды.
Рис. 3. Карта покрытия сетей LoRa на декабрь 2018 г.
Источник: LoRa Alliance
Лидерами в развитии LoRa являются Европа и Азиатско-Тихоокеанский регион с годовым приростом в 50 и 30% соответственно.
Немаловажное преимущество LoRa – возможность автоматического апдейта программного обеспечения шлюзов через мобильную сеть, что обеспечивает постоянную интероперабельность сети и устройств.
Недостатки
Из специфики LoRa – применение только для низкоскоростных устройств с небольшими объемами передаваемых данных – вытекает и целый ряд ограничений этого решения:
- неприменимость для передачи больших объемов данных, поскольку рабочая нагрузка пакета ограничена 100 байтами;
- не подходит для постоянного мониторинга (кроме устройств класса С);
- плохо подходит для применений реального времени, требующих низких величин задержки и джиттера;
- при уплотнении сетей LoRaWAN требуется решать проблемы частотной совместимости между шлюзами;
- нелицензируемый диапазон частот подвержен воздействию помех, которые могут привести к снижению скорости передачи данных.
Перспективы
Можно выделить следующие наиболее перспективные применения сетей LoRaWAN[4]:
- «умные счетчики» для ЖКХ (вода, газ, электричество и т. д.);
- мониторинг потребления для «умных электросетей» (Smart Grid);
- мониторинг транспорта и логистика;
- мониторинг промышленного оборудования (Smart Manufacturing);
- решение «умный город», в частности:
- мониторинг парковочного пространства;
- мониторинг муниципального транспорта;
- системы «умного уличного освещения»;
- мониторинг погодных условий;
- пожарные и охранные сигнализации;
- автоматизация зданий;
- решение «умное сельское хозяйство» (Smart Agriculture):
- сбор данных с полей (температура, влажность, кислотность почвы и пр.);
- мониторинг скота (фертильность и пр.).
Применения
Одним из первых коммерческих проектов LoRaWAN стал «умный город», развернутый в 2016 г. в столице Нидерландов Амстердаме, насчитывающем более 800 тыс. жителей. Для охвата города площадью 220 км² потребовалось десять базовых станций стоимостью 1,2 тыс. долл. каждая. Сеть отслеживает наличие бесплатной парковки, наполненность мусорных баков, извещает о наличии зарядных станций для электромобилей. Датчики дыма в домах могут самостоятельно вызывать экстренные службы.
В Глазго (Великобритания) датчики LoRa отслеживают загрязнение воздуха. Мобильные системы мониторинга загрязнения окружающей среды, образующие сеть LoRaWAN, более экономически выгодны, чем станции постоянного контроля. Кроме того, они могут быть развернуты во многих точках города, а информация о показаниях датчиков отправляется в базу данных, находящуюся в центральном облаке.
В городе Алба-Юлия (Румыния) с населением около 60 тыс. человек в 2018 г. был развернут первый пилотный проект Smart City на основе государственно-частного партнерства. В проекте принял участие оператор связи Orange Romania, который обеспечил покрытие города опорной сетью LTE-A и доступом в Интернет при помощи городской сети Wi-Fi, включающей общественные здания и транспорт. Сеть LoRaWAN, являющаяся частью проекта, содержит более 150 сенсоров по всей территории города: она обеспечивает решение «умное освещение» при помощи светодиодных фонарей. Это позволило на 50% сократить расходы на освещение города при лучшем его качестве. Планируется развертывание сети датчиков потребления воды, исследуются возможности других применений сети LoRaWAN.
[1] https://www.link-labs.com/whitepaper-symphony-link-vs-lorawan
[2] http://lo-ra.ru/
[3] http://www.globenewswire.com/news-release/2019/01/22/1703167/0/en/LoRa-Alliance-Passes-100-LoRaWAN-Network-Operator-Milestone-with-Coverage-in-100-Countries.html
[4] http://orion-m2m.kz/ru/news/lorawan-shirokie-vozmozhnosti-seti-dalnego-radiusa
