Введение в LoRa
Технология связи LoRa - это одна из технологий связи на коротких расстояниях в Интернете вещей. К таким же технологиям связи на короткие расстояния относятся Bluetooth, WIFI, Zigbee и др.
LoRa - это английская аббревиатура Long Range. Это один из видов технологии связи Low PowerWide Area Network (LPWAN). Это технология передачи данных на сверхдальние расстояния с низким энергопотреблением, выпущенная компанией Semtech в 2013 году. В прошлом, до появления LPWAN, казалось, что единственный выбор - между большим расстоянием и низким энергопотреблением. Появление беспроводной технологии LoRa изменило компромисс между расстоянием передачи и энергопотреблением. Она позволяет не только передавать данные на большие расстояния, но и обладает такими преимуществами, как низкое энергопотребление и низкая стоимость. Сеть LoRa формируется, как показано на рисунке ниже. Удаленные узлы могут подключаться к внутреннему серверу сети через несколько шлюзов, загружать данные и отправлять их в облако или на сервер. В сети LoRa каждый узел не соединен друг с другом. Прежде чем подключиться к центральному узлу, он должен быть подключен к шлюзу или передать данные другому узлу через центральный узел. Сообщения от оконечных узлов могут передаваться на несколько шлюзов одновременно, а также могут быть расширены с помощью мостов между шлюзами.
Состав сети LoRa
Сеть LoRa состоит в основном из четырех частей: терминала (может иметь встроенный модуль LoRa), шлюза (или базовой станции), сервера и облака. Данные приложения могут передаваться в обоих направлениях.
LoRa Alliance LoRa Alliance - это открытая некоммерческая организация, возглавляемая компанией Semtech в марте 2015 года. В число ее основателей входят французская Actility, китайская AUGTEK и голландская Royal Dutch Telecom kpn. Менее чем за год в альянсе появилось более 150 компаний-участников, в том числе многие производители-тяжеловесы, такие как IBM, Cisco и Orange of France. В каждом звене промышленной цепочки (производители терминального оборудования, производители микросхем, производители модульных шлюзов, производители программного обеспечения, системные интеграторы, сетевые операторы) присутствует большое количество компаний. Открытость этой технологии затрудняет конкуренцию и сотрудничество. Адекватность способствовала быстрому развитию и экологическому процветанию LoRa.
Технические особенности LoRa
(1) Чувствительность -148 дБм, расстояние связи >15 км;
(2) Минимальные затраты на инфраструктуру, использование шлюзов/концентраторов для расширения емкости системы
(3) Срок службы батареи >5 лет, ток приема 10 мА, ток сна <200nA
(4) Безлицензионный частотный диапазон, низкая стоимость узлов/терминалов
Преимущества технологии LoRa
(1) Большое расстояние, расстояние передачи может достигать 8 км, широкая область
(2) Легко построить и развернуть, его можно установить и использовать в большинстве мест.
(3) Низкое энергопотребление и длительный срок службы батареи
(4) Низкое энергопотребление и длительное время автономной работы. Стоимость LoRa-терминала составляет около 100-200.
Технические недостатки LoRa
(1) Интерференция спектра: С увеличением количества устройств и сетей LoRa между ними возникают помехи в спектре.
(2) Сеть должна быть построена заново
(3) Технология слишком сконцентрирована: Технология LoRa слишком сконцентрирована в Semtech, что не способствует развитию отрасли
[Расширенный] Протокол LoRaWAN
LoRaWAN - это стандарт глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWAN), основанный на протоколе MAC-уровня с открытым исходным кодом, созданный LoRa Alliance. Эта технология может обеспечить локальные, национальные или глобальные сети для беспроводных устройств с питанием от батарей. LoRaWAN нацелена на удовлетворение некоторых основных потребностей Интернета вещей, таких как безопасная двусторонняя связь, мобильная связь и услуги статической идентификации местоположения. Эта технология обеспечивает беспрепятственное взаимодействие между интеллектуальными устройствами без необходимости сложной локальной настройки, предоставляя пользователям, разработчикам и предприятиям в сфере IoT свободные права на эксплуатацию.
Архитектура сети LoRaWAN представляет собой типичную топологию "звезда". В этой сетевой архитектуре шлюз LoRa является прозрачным ретранслятором, соединяющим терминальное устройство и внутренний центральный сервер. Шлюз и сервер соединены через стандартный IP, и терминальное устройство использует один хоп для связи с одним или несколькими шлюзами. Между всеми узлами и шлюзами поддерживается двусторонняя связь, а такие операции, как обновление облака, позволяют сократить время связи с облаком.
Связь между терминалом и шлюзом осуществляется на основе различных частот и скоростей передачи данных. Выбор скорости передачи данных требует компромисса между расстоянием передачи и задержкой сообщения. Благодаря использованию технологии распределенного спектра, коммуникации с разными скоростями передачи данных не будут мешать друг другу, а для увеличения пропускной способности шлюза будет создан набор "виртуализированных" частотных диапазонов. Скорость передачи данных LoRaWAN варьируется от 0,3 кбит/с до 37,5 кбит/с. Для того чтобы максимально продлить срок службы аккумулятора терминального устройства и увеличить пропускную способность всей сети, сервер сети LoRaWAN контролирует скорость передачи данных и каждое время с помощью схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR). Выходная мощность радиочастоты оконечного устройства. Широкополосная сеть с общенациональным покрытием ориентирована на такие приложения IoT, как строительство критически важных объектов инфраструктуры, передача конфиденциальных персональных данных или предоставление социальных услуг населению. Для обеспечения безопасности связи в сети LoRaWAN обычно используется многоуровневое шифрование: 1. уникальный сетевой ключ (EU164) для обеспечения безопасности сетевого уровня; 2. уникальный ключ приложения (EU164) для обеспечения безопасности связи между терминалами на прикладном уровне; 3. специальный ключ (EUI128), принадлежащий устройству. В сети LoRaWAN оконечное оборудование делится на три категории: A/B/C в соответствии с различными фактическими применениями: Класс A: терминальное оборудование для двусторонней связи. Этот тип оконечных устройств позволяет осуществлять двустороннюю связь, и каждая передача оконечного устройства сопровождается двумя окнами приема. Слот передачи конечного устройства основывается на его собственных коммуникационных потребностях, а его точная настройка осуществляется на основе случайной временной базы (протокол ALOHA). Терминальное оборудование, относящееся к классу A, имеет самое низкое энергопотребление во время работы. После того как терминал отправляет сигнал передачи по восходящему каналу, сервер может быстро выполнить передачу по нисходящему каналу. В любой момент времени нисходящая связь сервера может следовать только за восходящей связью.
Типичные области применения Lora
Умное нефтяное месторождение
Умные нефтяные месторождения используют различные онлайновые измерительные сенсорные устройства, работающие в режиме реального времени, такие как различные приборы и другие информационные сенсорные устройства, установленные на нефтяных и газовых скважинах, трубопроводах, оборудовании для переработки, обработки, хранения и транспортировки нефти и газа, для подключения к сети предприятия или Интернету, сети для обмена информацией и связи для достижения интеллектуальной идентификации, позиционирования, отслеживания, мониторинга и управления
Отслеживание логистики
Важным требованием для отслеживания или позиционирования рынка является время автономной работы терминала. Практическим примером гибридного развертывания может служить логистическое отслеживание. Логистические компании могут развернуть сети в необходимых местах в соответствии с потребностями позиционирования, которые могут быть на складах или в транспортных средствах. В это время на помощь приходят портативные базовые станции. LoRa может обеспечить такое решение для развертывания. В то же время LoRa отличается тем, что связь относительно более стабильна при движении на высоких скоростях. LoRa больше подходит для отслеживания логистики.
Умная вода
Интеллектуальная система водоснабжения отслеживает рабочее состояние городских систем водоснабжения и водоотведения в режиме реального времени с помощью оборудования онлайн-мониторинга, такого как цифровые регистраторы, беспроводные сети, датчики качества воды и давления, и использует визуальный метод для органичной интеграции отделов управления водными ресурсами и объектов водоснабжения и водоотведения в "Интернет вещей", а также может проводить своевременный анализ и обработку массивной информации о водоснабжении и делать соответствующие результаты обработки для принятия решений и предложений, управлять всем процессом производства, управления и обслуживания системы водоснабжения более тонким и динамичным способом, тем самым достигая "умного" состояния.
Умное сельское хозяйство
Для сельского хозяйства срочно требуются маломощные и недорогие датчики. Применение таких датчиков, как датчики температуры и влажности, углекислого газа и солености, имеет большое значение для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и снижения потребления воды. Эти датчики нуждаются в регулярной загрузке данных. LoRa очень хорошо подходит для таких сценариев.
Интеллектуальное здание
При реконструкции зданий добавляются датчики температуры и влажности, безопасности, вредных газов и контроля расхода воды, а информация о мониторинге регулярно загружается, что облегчает контроль со стороны менеджеров и делает его более удобным для пользователей. В целом, связь между этими датчиками не должна быть особенно частой или обеспечивать особенно высокое качество обслуживания, и портативный домашний шлюз может удовлетворить эти потребности. Поэтому LoRa является более подходящим выбором в данном сценарии.