Strona główna Rozległe i rozproszone Standard LoRaWAN

Standard LoRaWAN

UDOSTĘPNIJ

Jan T. Grusznic


Dostępne na rynku kamery czy elementy kontroli dostępu działające w ramach IoT najczęściej łączą się między sobą za pomocą sieci Wi-Fi lub Bluetooth. Takie rozwiązanie sprawdza się na niewielkim obszarze (np. firma) oraz – ze względu na relatywnie duże zapotrzebowanie na prąd – tylko w przypadku urządzeń na stałe podłączonych do źródła zasilania. A co z sieciami IoT na dużych obszarach (fabryki czy miasta), z wieloma autonomicznymi czujnikami, do których doprowadzenie kabli jest trudne i kosztowne? Na potrzeby tych zastosowań (nazwanych Industrial IoT, IIoT) opracowano specjalny rodzaj sieci – LPWAN (Low Power, Wide Area Network)1).

Ogólna definicja branżowa IoT mówi o technologii łączenia wszystkiego ze wszystkim. Ponieważ wielokrotnie stanowiło to fundament różnych nieporozumień, przypomnę, że Internet Rzeczy (IoT) to zbiór połączonych bezprzewodowo obiektów – specjalizowanych układów scalonych, oprogramowania, czujników, urządzeń wykonawczych – i protokołów łączności bezprzewodowej, które umożliwiają gromadzenie i wymianę informacji z aplikacjami za pośrednictwem sieci bezprzewodowych podłączonych do Internetu. IoT zapewnia podłączonym obiektom zdalną komunikację i sterowanie z poziomu aplikacji za pomocą istniejącej infrastruktury internetowej i standardów komunikacji bezprzewodowej. Innymi słowy umożliwia bezpośrednią integrację i komunikację między światem realnym a jego cyfrowym opisem.

Na podstawie prognoz Gartnera, wiodącej globalnej firmy badawczo-doradczej na świecie, przewiduje się, że IoT wygeneruje ogromne ilości informacji, które zostaną wykorzystane do optymalizacji zużycia wszelkiego rodzaju zasobów i poprawy wydajności coraz bardziej połączonych systemów. Internet Rzeczy będzie również wzmacniać istniejące lub tworzyć nowe usługi, zapewniając trwałą wartość dla użytkowników, konsumentów i całego środowiska.

Według prognoz Machina Research2) liczba połączonych urządzeń w ramach Internetu Rzeczy do 2025 r. przekroczy 27 mld, z czego 11% połączeń będzie używało technologii LPWA. Na podstawie wykonanej analizy duża ich część będzie pochodzić z połączeń stacjonarnych i krótkiego zasięgu, takich jak Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave itp. Technologie te są dobrze dostosowane do zastosowań krótkiego zasięgu, w których zużycie energii i żywotność baterii nie stanowią poważnego problemu. Większe zasięgi są obecnie obsługiwane przez dostępne rozwiązania mobilnej transmisji danych.
Obecne generacje technologii komórkowych będą jednak musiały być uzupełnione o technologie LPWA, aby obsługiwać wiele nowych zastosowań IoT ze względu na wymagania dotyczące niskiego zużycia energii przez urządzenia wysyłające i odbierające stosunkowo niewielkie ilości danych.

Rys. 1. Liczba połączeń w ujęciu globalnym w latach 2015–2025
(źródło: machina research, maj 2015)
Rys. 2. Segmentacja technologii komunikacyjnych dla Internetu Rzeczy

LPWA – technologia radiowa (RF) o dalekim zasięgu i niskiej mocy energetycznej
LPWA to rodzaj sieci połączonych ze sobą na dużych obszarach urządzeń, które charakteryzują się niskim zapotrzebowaniem na energię elektryczną. To nowa rodzina łączy bezprzewodowych IoT, doskonale wspierająca usługi wymagające pokonania dużych odległości (dziesiątki kilometrów), by dotrzeć do urządzeń pomiarowych lub wykonawczych, charakteryzujących się niskim poborem mocy i mogących pracować przez wiele lat na jednym komplecie baterii. Kompromisem takiego rozwiązania jest niska przepustowość łącza, od 300 b/s do 5 Kb/s (w kanale 125 kHz).
Kluczowe zastosowania sieci LPWA obejmują aplikacje dla inteligentnych miast, takie jak inteligentny parking, inteligentne oświetlenie ulic, zarządzanie łańcuchem dostaw (ze śledzeniem aktywów i monitorowaniem ich stanu), inteligentne sieci dystrybucji energii elektrycznej, pomiary wody i gazu, inteligentne rolnictwo (z monitorowaniem stanu terenu lub śledzenia zwierząt) oraz geofencing3). To tylko kilka przykładów istniejących aplikacji. Rosnąca świadomość na temat możliwości LPWA i pojawiające się informacje o nowych wdrożeniach kreują nowe potrzeby rynkowe. Tak jak w każdym rodzaju technologii, tak i w przypadku LPWA niezbędny jest wspólny standard gwarantujący kompatybilność. Najczęściej wykorzystywany jest obecnie o nazwie LoRa, dlatego też bardzo często mówi się o tworzeniu sieci IoT opartych na LoRaWAN.

LoRa? LoRaWAN?
LoRa to technologia komunikacji bezprzewodowej, podobnie jak bardziej popularne standardy typu Wi-Fi, Bluetooth, LTE i ZigBee. Żaden z nich nie jest w stanie samodzielnie spełnić potrzeb wszystkich użytkowników i w wielu przypadkach wybór konkretnego standardu wymaga kompromisu. LoRa wypełnia lukę pomiędzy nimi jako tania, energooszczędna metoda przesyłania danych na duże odległości, przeznaczona do urządzeń zasilanych bateryjnie lub energią odnawialną. Została opracowana w 2010 r. przez francuski start-up Cycleo na bazie techniki modulacji fal elektromagnetycznych określanej mianem CSS (Chirp Spread Spectrum), przez dekady stosowanej w aplikacjach wojskowych i astronautyce. Jej kluczową zaletą jest możliwość uzyskania dużego zasięgu transmisji i odporność na interferencje.
LoRaWAN natomiast to protokół MAC (Medium Access Control – protokół sterowania dostępem do łącza) dodany przez firmę Semtech, która w 2012 r. kupiła Cycleo, by ustandaryzować i rozszerzyć warstwę fizyczną komunikacji LoRa do Internetu.

Protokół dostępu LoRaWAN opracowany przez Semtech pod kątem dużej wydajności, dalekiego zasięgu i małego poboru mocy dla urządzeń Internetu Rzeczy korzysta z zalet technologii LoRa oraz optymalizuje zużycie energii i obsługuje mechanizmy optymalizacji ruchu pomiędzy węzłami. Jest w pełni dwukierunkowy, co pozwala na niezawodny przesył informacji. Zawiera również kilka kluczowych funkcji sieci bezprzewodowej, takich jak szyfrowanie (kluczem 128-bitowym) i bezpieczeństwo E2E (end-to-end), adaptacyjną optymalizację szybkości przesyłania danych, jakość usług i inne zaawansowane aplikacje komunikacyjne. Ponadto definicja LoRaWAN obejmuje bezprzewodową rejestrację nowych urządzeń w sieci i nadawanie w trybie multicast (komunikacja jeden-do-wielu)4).
LoRaWAN to standard otwarty. Korzysta z niewymagającego ponoszenia opłat licencyjnych pasma radiowego ISM (Industrial, Scientific, Medical – zastosowania przemysłowe, naukowe i medyczne). W Europie LoRaWAN działa na częstotliwości 868 MHz, a w USA na 915 MHz. Użycie nielicencjonowanego pasma sprawia, że każdy może łatwo utworzyć własną tego typu sieć. Wielu operatorów telekomunikacyjnych zainteresowało się LoRaWAN i zaczęło tworzyć infrastrukturę w tym standardzie, dostarczając usługi na niej oparte w różnych krajach na całym świecie. Holenderski KPN, francuski Orange, koreański SK Telecom, amerykański Comcast i wielu innych operatorów jest aktywnie zaangażowanych we wdrażanie takich rozwiązań w dużej skali. To sprawia, że LoRaWAN staje się coraz bardziej interesującą technologią, gdyż jest kompatybilna z sieciami zbudowanymi przez różnych operatorów, zarówno małych, jak i obejmujących bardzo duży obszar.

Standardem LoRaWAN opiekuje się LoRa Alliance, organizacja złożona z ponad 500 firm członkowskich – m.in. IBM, Microchip, ST, Cisco, Softbank i ARM – które wspierają protokół oraz opracowują zgodne z nim komponenty, produkty i usługi.

Architektura LoRaWAN
Architektura sieci LoRaWAN jest oparta na topologii gwiazdy, w której bramki (stacje bazowe) przekazują dane między urządzeniami końcowymi (węzłami) a centralnym serwerem sieciowym (rys. 3). Wszystkie bramki łączą się z serwerem sieci szkieletowej za pośrednictwem standardowych połączeń IP, natomiast urządzenia końcowe wykorzystują komunikację LoRa z pojedynczym skokiem do jednej lub wielu bramek (nie obsługują protokołu IP). Cała komunikacja jest natywnie dwukierunkowa, chociaż komunikacja w górę łącza – od urządzenia końcowego do serwera sieciowego – jest dominująca.

Rys. 3. Architektura sieci LoRaWAN

Topologia gwiazdy to najlepszy kompromis między komunikacją dalekiego zasięgu, liczbą anten (stacjami bazowymi) i żywotnością baterii urządzeń. Wymiana informacji między urządzeniami końcowymi a bramkami jest rozłożona na różne kanały częstotliwości i szybkości transmisji danych. Wybór optymalnej prędkości transmisji danych jest kompromisem między zasięgiem komunikacji a czasem potrzebnym na przesłanie wiadomości.

Kluczową cechą LoRaWAN jest automatyczna optymalizacja prędkości, z jaką urządzenie przesyła dane. Funkcja ADR – adaptacyjna szybkość przesyłu danych (Adaptive Data Rate) jest kluczowa dla zwiększania sumarycznej przepustowości sieci LoRaWAN. ADR pozwala na łatwe skalowanie sieci, umożliwiając zwiększanie liczby bramek. Dzięki temu wiele urządzeń automatycznie zmienia swój współczynnik rozproszenia (SF), a zatem skraca czas potrzebny na przesłanie pakietu, w efekcie pozostawiając więcej wolnego pasma dla innych urządzeń.
ADR to prosty mechanizm, który prowadzi do zmiany prędkości transmisji, kierując się następującymi zasadami:
– jeśli moc sygnału radiowego (nazywanego budżetem łącza) jest duża, szybkość transmisji może być zwiększona,
– jeśli budżet łącza jest mały, szybkość transmisji może zostać obniżona.

Tab 1. Protokół LoRaWAN i współczynnik rozproszenia zestawiony z przepustowością łącza i czasem nadawania (Przy założeniach: współczynnik kodowania 4/5, pasmo 125 kHz, współczynnik błędów pakietów 1%)

W tabeli 1 zilustrowano szybkość transmisji danych w funkcji zasięgu i współczynnika rozproszenia. Protokół LoRaWAN optymalizuje szybkość transmisji danych w celu zminimalizowania czasu antenowego (czasu transmisji) i zużycia energii przez urządzenia. W porównaniu ze stałą prędkością transmisji danych w technologii LPWA ta optymalizacja może stukrotnie zmniejszyć średnie zużycie energii przez podłączony obiekt.

Tab 2. klasy komunikacyjne LoRaWAN

LoRaWAN używa pasma nielicencjonowanego ISM przeznaczonego do zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych. W Europie dostęp do pasma ISM (do częstotliwości 868 MHz i 433 MHz) reguluje ETSI (Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych). Ich wykorzystanie podlega ograniczeniom: moc wyjściowa (EIRP) nadajnika nie przekracza 14 dBm lub 25 mW, a cykl roboczy jest ograniczony do 1% (dla urządzeń) lub 10% (dla bramek) w zależności od użytego podpasma5). Urządzenia końcowe mogą nadawać w dowolnym dostępnym kanale, w dowolnym czasie, z każdą dostępną szybkością transmisji danych, o ile przestrzegane są poniższe zasady:
– urządzenie końcowe zmienia kanał w sposób pseudolosowy dla każdej transmisji. Wynikowa różnorodność częstotliwości sprawia, że system jest bardziej odporny na zakłócenia;
– w pasmie EU 868 ISM urządzenie końcowe musi przestrzegać maksymalnego cyklu pracy nadawania w stosunku do zastosowanego podpasma i przepisów lokalnych (1% w przypadku urządzeń końcowych).

Klasy profili komunikacyjnych
W sieciach LoRa są dostępne trzy różne klasy (A, B, C) profili komunikacyjnych. Każda klasa spełnia różne potrzeby aplikacji i ma zoptymalizowane wymagania do określonych celów. Podstawową różnicą między profilami A, B i C jest kompromis między czasem oczekiwania a zużyciem energii.
Technologia LoRaWAN została zaprojektowana do tych zastosowań, kiedy czujnik przesyła niewielkie ilości danych kilka razy dziennie, a przez większość czasu pozostaje nieaktywny. Jest dobrze przystosowana do inteligentnych liczników, urządzeń śledzących, czujników itp. Nie jest przeznaczona do obsługi aplikacji wymagających dużych szybkości transmisji danych, takich jak audio lub wideo. Protokół LoRaWAN można jednak wykorzystać do sterowania innymi funkcjami urządzeń bezprzewodowych – np. zadać parametr kamerze, aby rozpoczęła pracę wbudowanych grzałek i wentylatorów, i pozostawała w trybie niskiego poboru mocy, gdy parametry środowiskowe tego nie wymagają.

Społeczność LoRa i rozwiązania biznesowe
Wszystkie wiadomości z urządzeń końcowych przesyłane przez bramki są przekazywane do serwera sieciowego. To w nim zachodzą bardziej skomplikowane procesy, związane z przetwarzaniem danych. Jest on odpowiedzialny przede wszystkim za:

  • przekierowywanie i przekazywanie danych do odpowiednich aplikacji;
  • określanie, która z bramek jest najlepsza do skierowania wiadomości przesyłanej do wybranego węzła. Zazwyczaj operacja ta bazuje na porównaniu parametru jakości łącza, który jest obliczany na podstawie współczynników RSSI (Receive Signal Strength Indication;
  • wskaźnik siły odbieranego sygnału oraz SNR (Signal to Noise Ratio – stosunek sygnał/szum) poprzednio otrzymanych pakietów, usuwanie zduplikowanych wiadomości, jeśli zdarzyło się, że dane z węzła zostały przekazane do serwera przez więcej niż jedną bramkę, deszyfrowanie wiadomości przesyłanych z węzłów końcowych i szyfrowanie informacji przesyłanych do węzłów.

Bramki zazwyczaj łączą się z serwerem sieciowym za pomocą szyfrowanego połączenia IP. Sieć zawiera interfejs do nadzorowania pracy i instalacji nowych bramek, pozwalając kontrolerowi sieci na zarządzanie nimi, rozwiązywanie problemów, wykrywanie usterek, monitorowanie pojawiających się alarmów itp.
Sieci LoRaWAN działają już w wielu miejscach na świecie. We Francji firma Orange tworzy w 17 największych miastach publiczną sieć opartą na tym protokole, która będzie się składać ze 1200 bramek LoRa, firma Leroy Merlin natomiast ogłosiła, że będzie korzystać z technologii LoRa w swoich produktach automatyki domowej w celu poprawy ich funkcjonalności.
Innym przykładem zastosowania technologii LoRa jest produkt firmy Enevo – niezwykle skuteczny system usprawnienia gospodarki odpadami, monitorujący ilości śmieci w koszach i wykorzystujący te informacje do optymalizacji trasy przejazdu śmieciarki i planu odbioru odpadów.

W Polsce także działają sieci oparte na tym standardzie. We Wrocławiu utworzyła ją firma Espotel, należąca do LoRa Alliance. Antena wraz z odpowiednim urządzeniem firmy Multitech, pełniącym rolę koordynatora sieci i bramki internetowej, została umieszczona na jednym z budynków Wrocławskiego Parku Technologicznego, w którym Espotel ma swoje biura. Dane transmitowane z urządzeń zalogowanych do sieci trafiają do chmury, gdzie mogą być dowolnie przechowywane, przetwarzane bądź przekierowywane na odpowiednie serwery. Sieć jest w fazie testów, udało się przeprowadzić transmisję na dystansie 4–5 km.
W Gdyni również działa podobna sieć zarządzana przez firmy MpicoSys i WiRan z Pomorskiego Parku Naukowo-Technologicznego. Pokrywa ona obszar 30 km2 w terenie zabudowanym oraz 450 km2 w terenie otwartym. Planowane jest powiększenie zasięgu na całe Trójmiasto.

Interesującym pomysłem jest też inicjatywa The Things Network, która pojawiła się w Amsterdamie. W krótkim czasie kilka firm stworzyło tam wspólnie sieć LoRa, którą stale rozbudowują – początkowo było 10 bramek, w grudniu 2016 r. natomiast działało już 26. Dzięki zbiórce pieniędzy w Internecie do akcji przyłączyli się mieszkańcy 170 miast i regionów z 60 krajów, które u siebie rozpoczęły budowę sieci LoRa. W Polsce, oprócz Wrocławia i Gdyni, są to Poznań i Warszawa.

Podsumowanie
Wielu dostawców rozwiązań z zakresu systemów zabezpieczeń technicznych upatruje w technologii LPWA możliwości świadczenia nowych usług. Na rynku dostępnych jest kilka protokołów LPWA, z których dwa przyczyniają się do szybkiego rozwoju rynków technologii LPWA IoT – są to LoRaWAN i Ultra-Narrowband (UNB), ze wskazaniem protokołu LoRaWAN jako przyszłościowego. Ma on kilka zalet w porównaniu z innymi technologiami LPWA:

  • szybkość przesyłania danych wynosi od 300 b/s i aż do 5 Kb/s (przy przepustowości 125 kHz) i 11 Kb/s (z przepustowością 250 kHz), co pozwala na lepszy czas antenowy i wydłuża czas pracy baterii;
  • komunikacja jest natywnie dwukierunkowa i nieograniczona (w aspekcie lokalnych przepisów dotyczących pasma ISM);
  • natywne szyfrowanie komunikacji;
  • lokalizacja bez GPS z TDoA;
  • bogata oferta bramek: bramki makro, bramki wewnętrzne, bramki pico do użytku domowego;
  • możliwość tworzenia sieci publicznych i/lub prywatnych;
  • ADR (Adaptive Data Rate) ułatwia tworzenie sieci skalowalnej, ponieważ dodanie stacji bazowej obniża średnią ADR i czas antenowy, a to pozwala na komunikację większej liczby węzłów końcowych.

Protokół LoRa w sensie technologicznym nie jest niczym odkrywczym, ale dzięki swoim zaletom oraz prężnie działającym popularyzatorom ma szansę stać jednym z najlepszych rozwiązań komunikacyjnych do realizacji niskoprzepustowej transmisji danych dla aplikacji Internetu Rzeczy6).

Rozległe sieci o niskim poborze mocy (LPWA)
– Słowniczek –
ADR Adaptive Data Rate
Adaptacyjna szybkość transmisji danych
AS
Serwer aplikacji
Application Server
Informacje o routingu określające sposób kierowania danych z czujników do aplikacji połączonej z platformą rdzenia sieci
EUI ID Extended Unique Identifier
Unikalny 64-bitowy identyfikator przypisany zgodnie z wytycznymi IEEE EUI-64
ISM Industrial, Scientific and Medical Nielicencjonowane spektrum częstotliwości dedykowane do zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych
LoRa Long Range
Technologia radiowa RF o dalekim zasięgu i niskiej energii opracowana przez firmę Semtech. LoRa® jest zarejestrowanym znakiem handlowym firmy Semtech Corporation
LPWA Low Power Wide Area
Rozległe sieci o niskim poborze mocy
LRC
Kontroler dalekiego zasięgu
Long Range Controller
Komponent rdzenia sieci LPWA implementujący warstwę MAC opartą na chmurze i działający jako funkcja mediacji między podłączonymi urządzeniami a serwerami aplikacji
LRR
Odbiornik dalekiego zasięgu;
Stacja bazowa
Long Range Router Sprzęt implementujący jedno lub więcej nadajników radiowych zgodnych ze specyfikacją warstwy MAC sieci LoRaWAN. LRR działa pod kontrolą LRC.
MAC Media Access Control
Kontrola dostępu do medium lub warstwa kontroli dostępu do nośnika (MAC) stanowi dolną podwarstwę warstwy łącza danych (warstwa 2) siedmiowarstwowego modelu OSI
MQTT Message Queue Telemetry
Transport Standard ISO (ISO / IEC PRF 20922) subskrypcji oparty na „lekkim” protokole przesyłania komunikatów przez protokół TCP/IP
NwkSKey Network Session Key
128-bitowy klucz używany przez sieć LPWA do weryfikacji autentyczności i integralności każdej wiadomości przesyłanej przez system
Plan łączności Plan łączności określa funkcje sieciowe (np. potwierdzone komunikaty, ruch w dół łącza), parametry polityki ruchu (regulatory tokena dla ruchu w górę i dół łącza) i powiązaną z nimi aktywację i opłatą cykliczną związana z danym urządzeniem
RSSI Receive Signal Strength Indication – wskaźnik siły odbieranego sygnału
SNR Signal to Noise Ratio – stosunek sygnał/szum
TDoA Time Difference on Arrival (różnica w czasie przybycia)
Technologia lokalizacji bezprzewodowej, opierająca się na wrażliwych odbiornikach, które zwykle znajdują się w stacjach bazowych, w celu ustalenia lokalizacji urządzenia
Urządzenie Urządzenie zidentyfikowane przez unikatowy na świecie identyfikator IEEE EUI-64, który jest w stanie zainicjować ruch w górę łącza lub pobierać informacje z jednego lub więcej serwerów aplikacji za pośrednictwem infrastruktury sieciowej LPWA
1) http://ccnews.pl/2018/04/11/rodzimy-operator-uczyni-polskie-miasta-bardziej-smart/
2) IoT Global Forecast & Analysis 2015-2025, Machina Research, 2016
3) Geofencing to termin, który na razie nie doczekał się polskiego odpowiednika. Próbując go przetłumaczyć, otrzymalibyśmy „geograficzną siatkę” – miejsce o ściśle wyznaczonych granicach. Obecnie termin geofencing jest używany dla wielu aplikacji. Rodzice lub szkoły mogą dzięki tej technologii być informowane o tym, że ich dziecko wyszło poza teren placówki edukacyjnej. Firmy świadczące usługi ochrony korzystają z tej technologii do zarządzania powierzonymi pojazdami. Auta wyposażone w odpowiednie urządzenie mogą zostać unieruchomione w przypadku kradzieży lub wyjazdu poza pewien obszar. Dzięki geofencingowi można także wyznaczać obszary, w których użytkownik lub urządzenie mobilne mają dostęp do wybranej sieci lokalnej czy zasobów znajdujących się na serwerze.
4) https://pl.farnell.com/podstawy-lorawan
5) Gdy jedno urządzenie transmituje w jednym kanale w okresie 2 jednostek co 10 jednostek czasu, to urządzenie ma cykl roboczy wynoszący 20%. Jeśli weźmiemy pod uwagę więcej niż 1 kanał, sprawa się nieco komplikuje. Kiedy mamy urządzenie, które transmituje na 3 kanałach zamiast na jednym, każdy kanał jest nadal zajęty przez 2 jednostki co 10 jednostek czasu (czyli 20%). Jednak urządzenie przesyła 6 jednostek czasu co 10 jednostek czasu, co daje 60% czasu pracy.
6) www.magazynprzemyslowy.pl/produkcja/LoRa-energooszczedna-dlugodystansowa-siec-w-natarciu

 

Jan T. Grusznic
z-ca red. naczelnego „a&s Polska”. Z branżą wizyjnych systemów zabezpieczeń związany od 2004 r. Ma bogate doświadczenie w zakresie projektowania i wdrażania rozwiązań dozoru wizyjnego w aplikacjach o rozproszonej strukturze i skomplikowanej dystrybucji sygnałów. Ceniony diagnosta zintegrowanych systemów wspomagających bezpieczeństwo.