Поскольку в последние годы технологии Интернета вещей (IoT) привлекают большое внимание, многие знакомые технологии и связанные с ними акции, такие как Narrowband Internet of Things (NB-IoT), LTE-M (Long Term Evolution, категория M1), Wi-SUN и Sigfox, имеют альянсы, конкурирующие на рынке, и LoRa Технология получила широкое распространение и внимание во всем мире.
1. Что такое LoRa?
LPWAN (low-power Wide-Area Network, маломощная глобальная сеть) предназначена для IoT-приложений с низкой пропускной способностью, низким энергопотреблением, большими расстояниями и большим количеством соединений. LoRa уже имеет более зрелую экологическую цепочку и более быстрые темпы коммерциализации, ожидается, что в ближайшие несколько лет она будет поддерживать экспоненциальные темпы роста.
Беспроводные технологии в приложениях IoT в основном делятся на два типа. Один - это беспроводные технологии малого радиуса действия, такие как Bluetooth/WiFi/ZigBee. Другой - технологии, составляющие глобальную сеть, такие как 2G/3G/4G. Преимущества и недостатки каждой технологии весьма очевидны. До появления технологии LPWAN, как правило, можно было выбрать только одно - между большим расстоянием и низким энергопотреблением. После появления технологии LPWAN проблема рыбы и медвежьей лапы, можно сказать, уравновесилась. Помимо обеспечения связи на больших расстояниях и сверхнизкого энергопотребления, она позволяет сэкономить на дополнительных расходах на ретрансляторы.
LoRa - очень представительная технология в сфере LPWAN-коммуникаций. Это решение для беспроводной передачи данных на сверхдальние расстояния, основанное на технологии распространения спектра, принятое и продвигаемое американской компанией Semtech. Это решение меняет прежние представления о компромиссе между расстоянием передачи и энергопотреблением, обеспечивая простую систему, которая может достигать большого расстояния, длительного времени автономной работы и большой емкости, тем самым расширяя сенсорную сеть. В настоящее время LoRa в основном работает в свободных частотных диапазонах по всему миру, включая 433, 868, 915 МГц и т.д.
2. Каковы преимущества и характеристики LoRa?
1. Улучшенная чувствительность приема и пониженное энергопотребление.
Бюджет связи до 157 дБ позволяет поддерживать связь на расстоянии до 15 км (в зависимости от условий окружающей среды). Ток приема составляет всего 10 мА, а ток спящего режима - 200 нА, что значительно продлевает срок службы батареи.
2. Шлюз/концентратор на основе этой технологии поддерживает параллельную обработку нескольких каналов и нескольких скоростей передачи данных, а емкость системы велика.
Шлюз является мостом между узлом и IP-сетью (через 2G/3G/4G или Ethernet). Каждый шлюз может обрабатывать 5 миллионов сообщений между узлами в день (при условии, что каждый раз отправляется 10 байт, а загруженность сети составляет 10%). Если установить шлюз в месте расположения существующей базовой станции мобильной связи с мощностью передачи 20 дБм (100 мВт), он сможет покрыть около 2 километров в условиях плотной городской застройки, а в пригородах с более низкой плотностью застройки покрытие может достигать 10 километров.
3. Системы, основанные на терминалах и концентраторах/шлюзах, могут поддерживать определение дальности и местоположения.
Измерение расстояния в LoRa основано на времени передачи сигнала по воздуху, а не на традиционном индексе RSSI (Received Signal Sterngth Ind-ication), а позиционирование - на измерении разницы времени передачи сигнала по воздуху между несколькими точками (шлюзами) и одной точкой (узлом). Точность позиционирования может достигать 5 м (при дальности действия 10 км).
3. Какова сетевая архитектура LoRa?
Сеть LoRa состоит в основном из терминалов (могут иметь встроенные Модули LoRa ), шлюзы (или базовые станции), сетевые серверы и серверы приложений. Сетевая архитектура представляет собой типичную топологию "звезда". В этой сетевой архитектуре шлюз LoRa является прозрачным ретранслятором, соединяющим оконечное устройство и внутренний центральный сервер. Конечные устройства связываются с одним или несколькими шлюзами с помощью одного хопа. Между всеми узлами и шлюзом существует двусторонняя связь.
Оконечными узлами LoRa могут быть различные устройства, такие как счетчики воды и газа, дымовые сигнализации, трекеры для домашних животных и т. д. Эти узлы сначала подключаются к шлюзу LoRa через беспроводную связь LoRa, а затем соединяются с сетевым сервером через сеть 3G или сеть Ethernet. Шлюз и сетевой сервер взаимодействуют по протоколу TCP/IP.
Терминальное оборудование LoRa
Оконечными узлами LoRa могут быть различные устройства, такие как счетчики воды и газа, дымовые сигнализации, трекеры для домашних животных и т. д. Эти узлы сначала подключаются к шлюзу LoRa через беспроводную связь LoRa, а затем соединяются с сетевым сервером через сеть 3G или сеть Ethernet. Шлюз и сетевой сервер взаимодействуют по протоколу TCP/IP.
Сеть LoRa делит терминальные устройства на три категории: A/B/C:
Класс A: терминальное оборудование с двусторонней связью. Этот тип оконечных устройств обеспечивает двустороннюю связь, и каждая передача оконечного устройства сопровождается двумя окнами приема. Временной интервал передачи терминального устройства зависит от его собственных коммуникационных потребностей, а его точная настройка осуществляется на основе протокола ALOHA.
Оборудование класса А имеет самое низкое энергопотребление, и связь по нисходящей линии базовой станции может осуществляться только после связи по восходящей линии терминала.
Класс B: Оконечное оборудование двусторонней связи с заранее установленными временными интервалами приема. Этот тип оконечного оборудования будет открывать резервные окна приема в течение заданного времени. Для достижения этой цели терминальное оборудование будет синхронно принимать маячок от шлюза и синхронизировать время базовой станции и модуля через маячок.
Терминалы класса B могут сообщать базовой станции о том, что терминал принимает данные
Класс C: Терминальное оборудование двусторонней связи с максимальным окном приема. Терминальные устройства этого типа держат окно приема открытым и закрывают его только во время передачи.
Устройства класса C имеют самое длинное окно приема и потребляют больше всего энергии.
4. Сценарии применения LoRa
Сети на основе LoRaWAN могут обеспечить безопасную двустороннюю связь на больших расстояниях и покрыть городские районы с минимальной сетевой инфраструктурой. LoRa будет широко использоваться в различных сценариях применения, таких как "умное" сельское хозяйство, "умные" здания и "умная" логистика.
1. Умное сельское хозяйство
Для сельского хозяйства крайне необходимы маломощные и недорогие датчики. Применение таких датчиков, как температура и влажность, углекислый газ и соленость, имеет большое значение для сельского хозяйства в плане увеличения производства и сокращения потребления воды. Однако эти показатели не будут существенно меняться за короткий промежуток времени, а объем данных невелик и требует производительности в реальном времени. Невысокая, поэтому LoRa, несомненно, является лучшим выбором.
2. Интеллектуальные здания
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. В то же время, портативный домашний шлюз может удовлетворить эти потребности, поэтому LoRa является более подходящим выбором в данном сценарии.
3. Автоматизированное производство
В условиях автоматизированного промышленного производства применяется большое количество интеллектуальных технологий, а в сети происходит обмен различными информационными данными. Поэтому характеристики выбранной сети напрямую связаны с качеством выполнения производственного плана. В некоторых сценариях требуются недорогие датчики с низким энергопотреблением и долговечными батареями для отслеживания оборудования и контроля состояния. В этом случае LoRa является разумным выбором.
4. Интеллектуальная логистика
Логистическая отрасль охватывает очень широкую географию, поэтому при выборе сети в первую очередь учитываются низкие инвестиции и длительный срок службы. Чтобы иметь возможность отслеживать паллеты и определять местоположение и статус грузов, грузовым компаниям необходимо, чтобы все объекты, задействованные во всем логистическом процессе, были охвачены сетью. Для этого необходимо, чтобы узлы сети были не только достаточно экономичными для масштабного развертывания, но и обладали мобильностью, позволяющей устанавливать их на транспортные средства в качестве мобильного шлюза. Таким образом, технология NB-IoT, опирающаяся на сеть базовых станций 4G, очевидно, не может удовлетворить это требование. Низкая стоимость, длительное время автономной работы, высокая мобильность и стабильность связи во время высокоскоростного движения делают технологию LoRa уникальной в области интеллектуальной логистики. Лидерство.
На новой волне развития Интернета вещей, в области маломощных широкозонных сетей, в контексте масштабного развертывания и применения на развитых рынках, отечественные участники также используют открытую мудрость для содействия масштабному развертыванию и внедрению сетей LoRa в стране. Применение, я считаю, что с ростом промышленных приложений, эта отечественная LoRa-сеть операторского уровня, сформированная на основе концепции экономики совместного использования, также станет основной областью глобального LoRa-макета.
В настоящее время в Китае активно развиваются две основные мировые сети IoT - NB-IoT и LoRa. По данным соответствующих ведомств, в различных провинциях Китая было запущено более тысячи прикладных продуктов IoT. Сообщается, что 70% компаний активно ищут зрелые, надежные и быстро внедряемые IoT-продукты. Большинство компаний приобретают у Fuzhou Xiecheng Intelligent Technology Co., Ltd. решения NB-IoT и LoRa IoT, включая шлюзы LoRa, датчики дыма, воды. У компании есть десятки продуктов IoT, таких как мониторинг, инфракрасное обнаружение, позиционирование и удлинители. Она также разрабатывает NB-IoT и LoRa IoT-продукты по заказу других компаний, чтобы быстро развивать IoT-бизнес и стать лидером в области IoT в городах по всей стране. Постепенно складывается ситуация "Взгляд на Китай для развития мирового Интернета вещей".
Подведите итоги
Глобальная сеть с низким энергопотреблением (LPWAN) является неотъемлемой частью Интернета вещей. Она обладает гибкими и масштабируемыми характеристиками и может быть как большой, так и маленькой. Это необходимо на этапе роста и освоения индустрии Интернета вещей. Считается, что это наиболее подходящая технология для Интернета вещей. LoRa является безопасной и надежной, с такими функциями, как двусторонняя аутентификация, сквозное шифрование и защита целостности. Она является комплексной и перспективной с точки зрения разработки системы безопасности. Однако безопасность IoT нельзя игнорировать, и для ее дальнейшего продвижения требуются совместные усилия отрасли.