• Home
  • LoRa
  • Архитектура LoRa сетей

Архитектура LoRa сетей

Отраслевые прогнозы говорят о том, что к 2020 году могут быть объединены 50 миллиардов устройств, что в 10 раз превышает количество всех ныне существующих интернет-хостов, включая соединенные мобильные телефоны.” — Dave Evans, Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, Cisco

Сеть LoRaWAN состоит из нескольких элементов:

  • Конечный узел (End points): Конечный узел это элемент сети, где находятся датчики или осуществляется управления. Это сенсор или “смарт-устройство”, т.е. оконечное устройство осуществляющее измерительные или управляющие функции.
  • Шлюз LoRa (gateway, concentrator): Шлюз (в другой терминологии базовая станция или концентратор) принимает по радиоканалу данные от конечных устройств и транслируют их в транзитную систему, в качестве которой может выступать Ethernet, сотовая связь или другие телекоммуникационные каналы связи. Шлюзы соединяются с сетевым сервером с использованием стандартных IP соединений. На этом пути передачи данных используются стандартные протоколы и шлюз может быть подключен к любой телекоммуникационной сети. Если проводить аналогию с сотовыми сетями, то LoRa-шлюз аналогичен по функциям с базовыми станциями сотовых сетей и даже может располагаться вместе с ними. В этом случае LoRaWAN может дополнять сотовую связь и расширять возможности сети.
    Шлюз LoRaWAN разработан для работы в сетевой топологии типа звезда и содержат многоканальные приемопередатчики, которые могут обрабатывать сигналы в нескольких каналах одновременно и даже демодулировать несколько сигналов в одном канале. Шлюзы используют другие радиочастотные компоненты нежели чем конечные узлы для обеспечения большей мощности и формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети. Шлюзы соединены с сетевым сервером через стандартное IP-соединение. В основном, все соединения с конечными узлами имеют двунаправленность, но так же поддерживается массовая рассылка (multicast) сообщений, обновление программ по воздуху и другие массово-распространяемые сообщения для уменьшения времени доставки сообщений. Предполагается возможность реализации различных версий шлюзов в зависимости от желаемой емкости и мест установки (помещения или вышки).
  • Сервер (Server): Сетевой сервер LoRa управляет сетью. Сетевой сервер реализует функции устранения дублирования пакетов, управления расписанием, подтверждения и адаптирует скорость передачи данных.
  • Удаленный компьютер (Remote computer): удаленный компьютер может контролировать действия конечных узлов или собирать данные из них – сеть LoRaWAN практически прозрачна.

Таким образом, сеть LoRaWAN имеет топологию звезда из звезд, имеет конечные узлы которые через шлюзы, образующих прозрачные мосты для ретрансляции сообщений, общаются с центральным сервером сети. В таких сетях обычно предполагается, что шлюзами и серверами владеет оператор LoRa сети, а абоненты подключают свои модемы, по аналогии с сотовой связью.

Примечателен тот факт, что LoRa модемы могут работать и в топологии точка-точка, что может быть весьма интересным для DIY и разработки «персональных WAN сетей» для передачи на большие расстояния информации на невысоких скоростях без использования аппаратных шлюзов и серверов в целях автоматизации объектов с малым количеством конечных узлов.

Связь между конечными устройствами и шлюзами осуществляется на различных частотных каналах и скоростях. Выбор скорости передачи данных это компромисс между дальностью связи и длительностью сообщения. Благодаря использованию технологии с расширением спектра, передаваемые данные от различных конечных узлов с различными скоростями не мешают друг другу и создают набор «виртуальных» каналов и увеличивают пропускную способность шлюза.

Скорости передачи данных в сетях LoRaWAN лежат в пределах от 0,3 до 50 кбод. Чтобы максимизировать срок службы источника питания для конечного устройства и общую пропускную способность сети, сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и выходной мощностью радиопередатчика для каждого оконечного устройства в отдельности, т.е. реализуется адаптивная скорость передачи данных (adaptive data rate, ADR).

Глобальные сети передачи данных должны обеспечивать конфиденциальность персональных данных и иной информации. В сетях LoRaWAN это решается с помощью нескольких слоев шифрования и используются:

  • уникальный ключ сети (Unique Network key, EUI64) — обеспечивает безопасность на сетевом уровне
  • уникальный ключ приложений (Unique Application key, EUI64) обеспечивает сквозную безопасность на уровне приложений
  • ключ устройства (Device specific key, EUI128)

В рамках сети LoRaWAN могут существовать несколько классов конечных устройств для решения различных задач и использования в широком диапазоне применений:

  • Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A). Конечные устройства класса А (End-devices of Class A) позволяют организовать двунаправленный обмен. Причем связь инициирует конечное устройство, после чего выделяет два временных окна, в течение которых ожидается ответ от сервера. Интервал передачи планируется конечным устройством на основе собственных потребностей в связи с небольшими случайными временными флуктуациями (протокол типа ALOHA). Конечные устройства класса А имеют наименьшую мощность потребления и применяются в приложениях, где требуется передача данных от сервера только после того, как конечное устройство отсылает данные на сервер. Передача данных от сервера конечному узлу возможна только после того как конечное устройство выйдет на связь.
  • Двунаправленные конечные устройства «класса Б» (Bi-directional end-devices, Class B): двунаправленные конечные устройства класса Б (end-devices Class B): в дополнение к функциям устройств класса А, устройства класса Б открывают дополнительное окно приема по расписанию. Для того, чтобы открыть окно приема, конечные устройства синхронизируются по специальному сигналу от шлюза (по маякам, Beacon). Это позволяет серверу знать время, когда конечное устройство готово принимать данные.
  • Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Конечные устройства класса С имеют почти непрерывно открытое окно приема. Приемное окно закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных.

Телекоммуникационные операторы видят множество областей применения для сетей LPWAN, например: торговые аппараты могут посылать автоматический сигнал поставщикам, когда товары распроданы или оборудование нуждается в ремонте; городские администрации могут предлагать решения для экономии электроэнергии, а также приложения, которые помогут водителям найти свободные парковочные места; любители животных могут изучать миграцию представителей фауны, а владельцы домашних животных – отслеживать местонахождение своих питомцев; логистические компании могут отслеживать движение грузовиков, кораблей и поездов, перевозящих контейнеры.

Технология LoRa предназначена для создания беспроводной недорогой системы, которая имеет значительные преимущества перед сотовыми и Wi-Fi сетями, но, с другой стороны, с успехом может их дополнить. Технология поддерживает батарейные и мобильные устройства с большой дальностью действия и большие площади могут быть покрыты относительно небольшим количеством базовых станций.

Теги: ,