Czym jest LoRaWAN?

Technologii LoRa WAN poświęcony jest jeden z warsztatów podczas zbliżającego się Evertiq Expo Kraków 2018. Naszym partnerem jest w tym przypadku JM Elektronik, a więcej na temat samego warsztatu znajdziecie pod tym linkiem. Jeśli chciałbyś wsiąść udział w warsztatach, napisz na adres: lukasz.jaeszke@evertiq.pl © Evertiq

LoRaWAN jest to element technologii rozległych sieci dalekiego zasięgu przy małym zużyciu energii („Low Power, Wide Area Network”). To tak naprawdę protokół MAC („Media Access Protocol”), będący adaptacją technologii LoRa, stworzony z myślą o dużej wydajności, komunikacji na duże dystanse przy bardzo małym poborze mocy. Stworzono go dla aplikacji IoT. Protokół ten wykorzystuje zalety, jakie daje LoRa. LoRa to technologia komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasięgu („LOng RAnge”), będącej alternatywą dla WiFi, Bluetooth, ZigBee, LTE, itp. Wypełniać ma lukę w zapotrzebowaniu na energooszczędną komunikację na większe odległości, przy bardzo małych kosztach, nie tylko energetycznych. Zastosowaniem mają być głównie aplikacje i urządzenia zasilane z baterii lub akumulatorów, jak wspomniane IoT. Zalety tej technologii podaliśmy wyżej: duży zasięg, niski koszt i bardzo małe zużycie energii. Jednakże technologia ta nie znajdzie zastosowania, gdy trzeba przesyłać dużo danych i/lub bardzo szybko. Zapewnia dwukierunkową transmisję danych przy szybkości transmisji na poziomie od 0.3 do 50 kbps. Jednakże poza dwukierunkową formą transmisji danych, LoRaWAN daje także możliwość pracy w trybie rozgłaszania („multicast”), czyli komunikacji z wieloma urządzeniami końcowymi naraz, umożliwiając nadawanie komunikatów alarmowych lub rozbudowywanie sieci, zmianę parametrów (aktualizacje FOTA), itp. Świetnie odnajdzie się w takich aplikacjach jak np. różnego rodzaju sensory zdalne, systemy pomiarowe, ochronne, przemysł czy budynki inteligentne (także miasta). Zasięg sięgać ma od 2-5 km (w przypadku terenów zurbanizowanych) do nawet 15 km (w przypadku terenów niezurbanizowanych, np. rolniczych). LoRaWAN korzystać ma z technologii modulacji (rozproszonej) fal, oznaczonej jako CSS („Chirp Spread Spectrum”). Metoda ta była chętnie stosowana w wymagających aplikacjach wojskowych, itp. Zaletą jest nie tylko duży zasięg, ale też duża odporność na zakłócenia. Wykorzystuje się tu jednak nielicencjonowane pasma sub-GHz. LoRaWAN zapewniać ma także świetną skalowalność, w porównaniu z innymi systemami tego typu. Wykorzystuje się tu najczęściej topologię gwiazdy, a poszczególne bramki stanowić mają mosty przezroczyste (przekazujące wprost wiadomości pomiędzy urządzeniem końcowym, a punktem centralnym; np. serwerem). Architektura LoRaWAN składa się z 4 zasadniczych elementów:

• urządzeń końcowych,
• bramek,
• serwera sieciowego,
• serwera aplikacyjnego.

© LoRa Alliance Urządzenia końcowe Urządzenia końcowe, inaczej węzły („nodes”), to elementy sieci, wykonujące konkretne zadania. Przykładem mogą być tu małe urządzenia sensoryczne. Urządzenie takie składa się więc z reguły z takich zasadniczych elementów jak: czujnik/sensor właściwy oraz moduł radiowy. Często jest tu też mały układ zarządzający, choć obecnie coraz częściej się z niego rezygnuje, dzięki coraz bogatszej funkcjonalności sensorów i/lub modułów radiowych. Urządzenia takie dzieli się na klasy:

• klasa A – transmisja dwukierunkowa o najniższym poborze energii – dane odbierane mogą być jedynie po wcześniejszym ich wysłaniu. Urządzenia tej klasy tworzone są tak, by przesyłać dane co określony czas, np. co 15 min, lub w oparciu o jakieś zaistniałe sytuacji (np. wykrywając przekroczenie temperatury o podaną wartość).
• klasa B – transmisja dwukierunkowa – tutaj dane mogą być odbierane normalnie. Umożliwia to sprawniejszą komunikację w obie strony, ale wymusza zwiększone zużycie energii poprzez ciągły nasłuch. Minusem mogą być spore opóźnienia, dla zaoszczędzenia energii.
• klasa C – szybka transmisja dwukierunkowa – stanowi pewnego rodzaju rozwinięcie klasy B, poprzez znaczne skrócenie czasu opóźnienia (half-duplex). Zużywa najwięcej energii, dlatego też w przypadku urządzeń tej klasy najczęściej wymaga się, by miały stałe źródło energii. Często jednak tworzone są urządzenia w klasie mieszanej, np. A i C, mogąc się płynnie przełączać pomiędzy tymi klasami, w zależności od potrzeb.

Bramki Bramki (modem, access point) to urządzenia odbierające dane od urządzeń końcowych. Wiadomości są tłumaczone tak, by można było je przesłać dalej za pomocą standardowych technologii i sieci IP. Bramki są podłączone do serwerów. Z założenia są to urządzenia transparentne, przekazujące dane do serwerów. Z reguły nie wykonuje się tu dodatkowych operacji, stąd też często ich znikoma moc obliczeniowa. Serwery Są to urządzenia zbierające, gromadzące i przetwarzające dane z urządzeń końcowych. Posiadają dużą moc obliczeniową, mogąc wykonywać wiele operacji na dostarczanych lub zgromadzonych danych, z wykorzystaniem nawet bardziej złożonych algorytmów. Dane te następnie są kierowane do odpowiednich aplikacji, np. serwerów aplikacyjnych. Serwery aplikacyjne to urządzenia, w których wykonywane są właściwe zadania danej aplikacji/systemu IoT. Również posiada duża moc obliczeniową. Często wykorzystuje się tu chmury, zarówno publiczne, jak i prywatne, zależnie od formy zadaniowej danej aplikacji. Bezpieczeństwo Na koniec warto wspomnieć o bezpieczeństwie, czyli kwestii na którą zwraca się nie małą uwagę. Aby zapewnić bezpieczeństwo, LoRaWAN wykorzystuje dwie warstwy zabezpieczeń: na poziomie sieci, oraz na poziomie aplikacji. Pierwsze zapewniają o tym, że urządzenie końcowe jest faktycznie tym właściwym, podpiętym do danej sieci. Drugie z kolei sprawiają, że nawet operator nie ma dostępu do danych wybranego użytkownika. Wykorzystuje się tu też system kluczy oraz szyfrowanie AES (128-bitowe, w trybie ECB).