LoRaWAN
Архитектура

Сферы применения LoRaWAN

  • Энергоресурсы

    Получение показаний со счетчиков газа, воды, электричества, тепла, протечек.

  • Транспорт

    Мониторинг автотранспорта и грузов на отведенной территории, определение местоположения, логистика хранения, умные парковки.

  • Производство

    Контроль состояния контейнеров, ёмкостей на производстве с нефтяным или химическим назначением, а также анализ эксплуатации оборудования, станков и техники.

  • Умный город

    Контроль и управление освещением, мусорных контейнеров, погодных условий, выбросов, контроль люков и безопасность объектов.

Технология LoRaWAN

LoRaWAN — это один из типов LPWAN сетей, расшифровывается как Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия».
LPWAN сети являются беспроводными и имеют широкий радиус охвата, основной плюс таких сетей является низкое энергопотребление, а объем передачи данных в таких сетях измеряется в байтах, но этого достаточно что бы передавать необходимую телеметрию с конечного устройства на сервер диспетчера. Время жизни таких конечных устройств несколько лет от одной батареи и зависит от расписания передачи данных.
В основном устройства с LPWAN подключением — типичные микроконтроллеры с минимальным потреблением энергии и беспроводным сетевым интерфейсом. Такие устройства как правило связываются со своим шлюзом (базовой станцией), который имеет IP адрес для выхода в интернет.
LoRaWAN это технологический стандарт разработанный и поддерживаемый Lora Альянсом, данный Альянс состоит из международных телекоммуникационных компаний и производителей, а также интеграторов. Технологическая платформа LoRaWAN может сегментироваться на два компонента:
        • LoRa: Проприетарная технология с радио модуляцией LoRaWAN, использующая беспроводную связь для подключения между конечными устройствами и шлюзами.
        • LoRaWAN: Протокол управления доступом, использующий для идентификации MAC адрес (MAC — media access control — Управление доступом к среде) для передачи и управления сообщениями между Cетевым Cервером LoRaWAN и конечным устройством.

Архитектура

Данная диаграмма показывает оконечную
архитектуру LoRaWAN сети
В диаграмме показаны четыре ключевых элемента сети:
Устройства: Конечные IoT устройства которые отправляют и получают сообщения в беспроводной сети LoRA.
Шлюзы: Шлюз работает как ретранслятор и его задача отправлять все сообщения от конечных устройств и передавать их на сервер сети и обратно.
Сетевой сервер: занимается управлением и обслуживанием сети LoRA
Сервер приложений: Все устройства отправляют сообщение с payload в конечное приложение клиента.
На диаграмме показано, что топология сети имеет тип «Звезда» (Звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры/устройства сети присоединены к центральному узлу, образуя физический сегмент сети.) с сетевым сервером соединяющим несколько шлюзов, которые в свою очередь соединяются с устройствами по беспроводной сети LoRA. Связь является двунаправленной, но преобладающий тип связи принятие данных от конечных устройств.
На схеме показано два LoRaWAN сообщения, отправленные с помощью двух беспроводных устройств, обозначенными оранжевым и зеленым.
В верхней зоне покрытия беспроводной сети LoRA, устройство отправляет сообщения LoRaWAN с помощью беспроводной сети LoRA. Это сообщение принимается шлюзом и отправляется на сетевой сервер. В нижних зонах покрытия, устройство отправляет аналогичное сообщение LoRaWAN, которое принимается двумя шлюзами, эти два сообщения пересылаются на сетевой сервер.
 
Мы показали два устройства, связанные с двумя различными серверами приложений, т.е. в LoRaWAN, приложение определяет как устройства связаны с определенным бэкенд сервером и все устройства связаны с определённым приложением.

Данные

Шлюзы отправляют LoRaWAN сообщения по беспроводному интерфейсу используя протокол сообщений шлюза (Gateway Message Protocol), определенный в соответствии со спецификацией интерфейса LoRaWAN Gateway to Server. Сообщения LoRaWAN и вложенные в него данные отправляются в JSON кодированном формате используя UDP/IP
На изображении панель управления
сетевого сервера
LoRaWAN спецификация не определяет не описывает как сетевой сервер будет взаимодействовать с сервером приложения (диспетчера). Обычно для обмена сообщениями между сетевым сервером и сервером приложения используют стандарты IoT, такие как MQTT, AMPQ, HTTP и другие.
LoRa Устройства
Конечные устройства обмениваются сообщениями LoRaWAN со шлюзами на разных частотных каналах и скоростях передачи данных, которые определены документом региональных параметров LoRa Альянса.
В настоящее время более 100 стран используют данные спецификации LoRaWAN, основные из них представлены ниже.

Региональные стандарты

Ниже представлена таблица с рекомендованными настройками для сетевого сервера, в разных регионах, для России параметр RU868
ParameterEU868US902CN779RU868
Coding Rate4/54/54/54/5
RX1 Join Delay (s)5555
RX2 Join Delay (s)6666
RX1 Delay (s)1111
RX2 Delay (s)2222
Gateway Power16261216
Max EIRP (dBm)163012.1516
Max PowerMaxMaxMaxMax
Min PowerMax — 14dBMax — 20dBMax — 10dBMax — 14dB
Max Data RateSF7 125 kHzSF8 500 kHzSF7 125 kHzSF7 125 kHz
Initial Duty Cycle100%100%100%100%
Initial RX1 DR Offset0000
Initial RX2 DRSF12 125 kHzSF12 500 kHzSF12 125 kHzSF12 125 kHz
Initial RX2 Freq (MHz)869.525923.3786869.1
Initial Channels0-20-710-20-1

Частотный план LoRaWAN для РФ

Канал

Частота

Модуляция

Мощность

0

868.9 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

1

869.1 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

2

864.1 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

3

864.3 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

4

864.5 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

5

864.7 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

6

864.9 MHz

MultiSF 125 kHz

25мВт

LoraSTD

864.6 MHz

SF7 250 kHz

25мВт

FSK

864.8 MHz

FSK 250 kHz, 50kbps

25мВт

RX2

869.1 MHz

SF12 125 kHz

25мВт

Оптимизация передачи данных

Скорость обмена данными определена уровнями модуляции и коэффициентом SF (Spreading Factors) в комбинации с шириной полосы канала. Все эти параметры влияют на физическую битовую скорость и время в эфире.
Значения: 7, 8, 9, 10, 11, 12
Больше число – большая энергия на бит и большая возможность
обработки, но большее время в эфире.
Рассмотрим значение передачи данных для частотного плана RU868.
Для максимального увеличения времени автономной работы устройств LoRA использует схему адаптивной скорости передачи данных (ADR). ADR управляет индивидуальными скоростями для каждого подключенного устройства. Конечные устройства могут передавать по любому доступному каналу в любое время используя любую доступную скорость ADR при условии соблюдения следующих правил:
 
Конечное устройство изменяет канал псевдослучайным образом для каждой передачи, тем самым обеспечивая разнесение частот. Конечное устройство должно соблюдать любые ограничения рабочего цикла передачи, определенные спецификацией диапазона.
Документ региональных параметров LoRaWAN v 1.0.3
Документ региональных параметров LoRaWAN v 1.1

Термины и определения

Activation by Personalization

aктивация путем предварительной записи в устройство персональных настроек, до включения устройства в сеть

AppEUI

(8-ми байтный, EUI64) глобально уникальный идентификатор приложения для маршрутизации полученных данных сервером сети (Network Server), на сервер приложений (AppServer)

AppKey

уникальный (16-ти байтный, AES-128) ключ шифрования, сгенерированный сервером приложений (AppServer) для данного конкретного устройства

AppServer

сервер приложений клиента

DevEUI

8-ми байтный, EUI64) глобально уникальный идентификатор устройства (End-device identifier). Может быть присвоен производителем устройства (по аналогии с MAC адресом), в ограниченном количестве может быть получен из доступного пула идентификаторов оператора, либо получен владельцем узла в составе пула в IEEE

DevAddr

32-битный (четырехбайтный) сетевой адрес для адресации пакетов на сетевом уровне, имеет уникальное значение в пределах сети оператора (можно провести аналогию c MAC адресом, который тоже обеспечивает адресацию на 2 уровне модели OSI в сетях Ethernet, но способ получения DevAddr при OTAA сходен с получением динамического IP адреса, получаемого от DHCP сервера в TCP/IP сетях). Старшие 7 бит DevAddr содержат адрес сети оператора NwkID, это значение должно быть уникальными для находящихся рядом сетей и для сетей, имеющих перекрывающиеся зоны покрытия. Чаще всего, для обозначения DevAddr, используют четырехбайтную последовательность (например: 02:D1:D2:01), в которой старший байт является адресом сети NwkID

End-node

устройство конечного пользователя в сети LoRaWANTM

LoRa®

протокол физического уровня, описывающий соединение в сетях LoRaWANTM

Long Range wide-area networks

глобальная сеть большого радиуса действия позволяет соединить устройства, с временем автономной работы до десяти лет, передавать данные на большие расстояния и т.д. В отличии от сетей мобильной связи, сети LoRaWANTM являются гибридными и могут быть как частными, так и публичными

Network ID

7-ми битный идентификатор сети, являющийся составной частью сетевого адреса (DevAddr), применяется для определения сетей, работающих на одной территории

NwkSKey

сетевой сессионный ключ [128 бит], используемый для расчета и проверки поля MIC (message integrity code) сообщений, при обмене между оконечным устройством (end-node) и сетевым сервером (Network Server), а также для шифрования сообщений MAC-уровня

AppSKey

сессионный ключ [128 бит], используемый для шифрования данных на уровне приложения (между оконечным устройством и сервером приложения)

Классы LoRaWAN

Прибор может работать согласно трем различным профилям связи, известным как класс: A, B и С. Каждый класс оптимизирован под задачи энергоэффективности и требований к латентности, профили представлены в таблице ниже.
Класс
Описание профиля
A
Устройство с батарейным питанием, где исходящая передача от каждого конечного устройства сопровождается двумя короткими входящими окнами приёма RX1 и RX2, минимизируя время, необходимое для прослушивания. (пример применения класса А — водосчетчик отправляющий раз в сутки свой тариф)
B
Конечное устройство помимо отправки исходящего сообщения, так же выходит в эфир по расписанию, для получения входящего сообщения от сетевого сервера (редко используется, устройство должно иметь встроенные часы)
C
Конечное устройство, которые постоянно прослушивают входящее сообщения (пример применения электросчётчик)

Оборудование и программное обеспечение

Шлюзы LoRa
 
Шлюзы действуют как мост между беспроводной сетью LoRA и IP сетью. Шлюзы работают как беспроводные базовые станции для различных устройств и напоминают базовые станции GSM. Базовая станция может покрывать как локальный объект/дом, так и район или квартал. Развертывание нескольких базовых станций в уличном исполнении, может обеспечить покрытие района или города.
 
Поскольку шлюз имеет беспроводной интерфейс LoRA, он должен соответствовать требованиям связи (В России нелицензируемая мощность передатчика 25 мВат с частотным планом 864-870 МГц), распределению каналов и скорости передачи данных, определенным соответствующей спецификацией диапазона.
 
Сетевой сервер LoRaWAN
Сетевой сервер со всеми конечными устройствами, который настроен как неотъемлемая часть приложения (Программного обеспечения верхнего уровня) и подключен к базовым станциям (шлюз LoRaWAN). Сетевой сервер бывает встроен в шлюз или располагается на выделенном сервере вместе с ПО Диспетчера.
 
Сетевой сервер предоставляет три ключевые функции:
        Аутенфикация и авторизация устройств
        Управление и оптимизация сети
        Взаимодействие с вышестоящими серверами приложений
 
Сетевой сервер получает сообщения от устройств, управляет их аутенфикацией, маршрутизацией данных и управлением шлюзами. Сетевой сервер самостоятельно выбирает лучший шлюз для маршрутизации данных от устройства, а так же исключает дубликаты сообщений и оптимизировать радиоэфир с помощью ADR.

Безопасность в LoRaWAN

Аутенфикация устройств:
Сетевой сервер LoRaWAN поддерживает два метода аутенфикации и активации, описанных в спецификации.
А) Активация персонализированная ABP Activation By Personalization (не требуется проходить процедуру присоединения, ключи шифрования и адрес DevAddr записываются в устройство заранее (персонализация устройства))
Устройства настраиваются с помощью ключей сеанса сети и приложения, а также предварительно выделенного 32-разрядного сетевого адреса устройства, аналогией является статическое распределение IP адресов.
Б) Активация по воздуху OTAA Over-The-Air Activation (требуется пройти процедуру присоединения (join procedure), во время которой вырабатываются сессионные ключи шифрования и адрес DevAddr).
OTAA требует, чтобы устройства отправляли запрос на соединение к сетевому серверу и при проверке подлинности сетевой сервер выделял адрес устройству и маркер для получения ключей сеанса. Ключи сеанса сети и приложения выводятся во время процедуры соединения из общего ключа приложения, предварительно подготовленного на устройстве. Активация OTAA обеспечивается высоким уровнем безопасности, а адресация аналогично выделению IP адреса через DHCP.

Управление и оптимизация сети

Если конечное устройство поддерживает, то сетевой сервер может выполнять адаптивные настройки скорости передачи данных (ADR) на основе полученной SNR (Отношение сигнал/шум англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.) каждого устройства. При использовании ADR устройство тратят меньше времени на эфир, повышая эффективность радио ресурсов, а также управляя надежностью доставки сообщений.
 
Устройства будут использовать параметр fport в сообщениях LoRaWAN для выявления управляющих сообщениях MAC от сообщений приложения. При отправки управляющего сообщения fport будет установлен на ноль.

Вывод

Целью любой реализацией сети LoRaWAN является обеспечение обмена сообщениями от приборов и устройств с сервером приложений. Программный комплекс Telemetric является таким приложением и закрывает все части эксплуатации сети LoRaWAN и обеспечению доставки данных клиенту.

Установка на собственный сервер

Версия Telemetric Local — это решение, которое позволяет развернуть программный комплекс включающий в себя сетевой сервер LoRaWAN v 1.03 и личный кабинет диспетчера Telemetric.
 
Сбор и хранение показаний с ваших объектов на полностью собственной инфраструктуре.
logo-white

Разработка IIoT систем