Technologia LoRaWAN

Internet Rzeczy przestał być ideą, a stał się rzeczywistością. Nikogo nie dziwi możliwość otwarcia bramy telefonem komórkowym czy sterowania temperaturą w mieszkaniu przez stronę www - to przecież jedynie Smart Home. W sposób zupełnie naturalny technologie IoT wykorzystywane są w rozwiązaniach Smart City - przesyłanie informacji o jakości powietrza, informacji drogowych, transporcie publicznym, sterowaniu oświetleniem miejskim. Także idee Industry 4.0 i Smart Factory w przemyśle wdrażane są z wykorzystaniem Industry IoT, znacznie obniżając koszty niezbędne do przeprowadzenia wizualizacji stanu maszyn w systemach SCADA. Podobnie pomiar i sterowanie mediami - energetyka zawodowa, wodociągi i kanalizacja, systemy grzewcze - korzysta coraz częściej z rozwiązań IoT Smart Metering, redukując koszty utrzymania i billingu. Wspólną cechą wszystkich rozwiązań IoT jest pozostawanie w połączeniu, możliwość komunikacji. Ze względu na potrzeby aplikacji IoT najpopularniejszą metodą komunikacji jest łączność bezprzewodowa - Wireless. LoRa LoRa to technologia opracowana we Francji, zakupiona w 2012 roku przez firmę Semtech, światowego producenta scalonych układów radiowych, współtwórcę stowarzyszenia LoRa Alliance, organizacji non-profit skupiającej ponad 500 przedsiębiorstw, zajmujących się światową popularyzacją i standaryzacją LoRa. W zaledwie kilka lat LoRa stała się jedną z najpopularniejszych technologii wspierających IoT. Technologia składa się zasadniczo z dwóch warstw: fizycznej - opartej na modulacji LoRa oraz stosu organizującego komunikację w sieci - LoRaWAN. Modulacja LoRa oparta jest na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum) i polega na ciągłej zmianie częstotliwości w czasie przy zachowaniu określonej szerokości pasma. Takie rozwiązanie modulacji zapewnia bardzo dużą odporność na zakłócenia oraz bardzo dobrą propagację, dzięki czemu zasięg mierzony jest w kilometrach (nawet do kilkunastu), także w trudnych warunkach miejskich czy przemysłowych. Sygnał LoRa jest odczytywany nawet wówczas, jeśli występuje na poziomie szumu tła. Moc wyjściowa nadajników +20 dBm/100mW (w Europie ograniczenie do +14 dBm). Wysoka czułość odbiorników do -148 dBm (0,01µV/50Ω). Przepustowość transmisji LoRa nie predestynuje tej technologii do wykorzystania w aplikacjach audio-video, a wymóg ograniczenia zajętości pasma otwartego wyklucza zastosowanie w aplikacjach do sterowania w reżimie czasu rzeczywistego Real Time. Jednak bardzo dobra propagacja powoduje, że w zastosowaniach Smart CIty, Smart Factory, Smart Metering LoRa wybija się na wiodące medium transmisji. LoRaWAN LoRaWAN nazwana została przez autorów szeregu publikacji w czasopismach technicznych jako nowe WiFi dla IoT. Od czerwca 2015 roku, gdy opublikowano specyfikację LoRaWAN v.01 lista podmiotów przystępujących do LoRa Alliance rośnie, a wraz z dostępnością rozwiązań technicznych równie dynamicznie rośnie liczba aplikacji wykorzystujących LoRaWAN. Sieć LoRaWAN pracuje w topologii gwiazdy - składa się z urządzeń końcowych (end-point) wysyłających dane do bramy sieciowej (gateway). Brama ta zamienia następne dane z postaci radiowej na pakiety IP i wysyła je do odpowiednich serwerów sieciowych. LoRaWAN udostępnia komunikację dwustronną - zależnie od klasy urządzenia końcowego, można wysłać dane kiedy to urządzenie wyjdzie z trybu uśpienia i zainicjuje komunikację (klasa A lub B) lub w dowolnym momencie (klasa C). LoRaWAN pracuje w otwartym paśmie sub-GHz 433 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz (Ameryka Północna), 905 MHz (Australia). Możliwość zasilania ze źródeł niskoprądowych: LoRaWAN w porównaniu z np. transmisją oparta na LTE jest bardzo oszczędna energetycznie, co zapewnia dłuższą żywotność urządzenia na zasilaniu bateryjnym (w praktyce nawet kilka lat). Niewielkie zapotrzebowanie na energie umożliwia zasilanie w oparciu o układ złożony z niewielkiej baterii albo akumulatora. Zmienne klasy energetyczne = jeszcze oszczędniej: LoRaWan umożliwia pracę ze zmienną klasą energetyczną urządzenia końcowego. Gdy potrzebujemy aby urządzenie częściej transmitowało dane lub jest potrzeba ściągnięcia dużej ilości danych, np. nowy kod (upgrade), nastawy lub polecenia sterujące - wystarczy zmienić klasę energetyczną. Klasa A - największa oszczędność energii. Urządzenie domyślnie pracuje w trybie uśpienia. Jeśli ma do wysłania jakieś dane - wybudza się, przeprowadza pomiary/przygotowuje dane i wysyła je drogą radiową. Po wykonaniu koniecznych zadań wchodzi ponownie w tryb uśpienia. W tym trybie wysłanie danych do urządzenia jest możliwe jedynie kiedy urządzenie końcowe jest wybudzone i zainicjowało transmisję. Klasa B - synchronizowana komunikacja w przydzielonych interwałach - tryb beacon. W tym trybie określono dokładne odstępy czasowe, w których urządzenie może wysyłać i/lub odbierać dane. Konieczna jest synchronizacja czasu pomiędzy aplikacją i urządzeniem końcowym, ale znamy dokładnie czas kiedy urządzenie będzie dostępne do wysyłania/odbierania danych. Klasa B jest rozwinięciem klasy A z dodaną funkcjonalnością komunikacji w interwałach czasowych - beacon. Klasa C - możliwości ciągłego nasłuch, poza krótkimi okresami nadawania. W tym trybie urządzenie końcowe, poza okresami nadawania, permanentnie nasłuchuje danych. Jest to najmniej energooszczędny tryb pracy, ale w każdej chwili mamy do niego dostęp. Pewność, to pewność: LoRaWAN umożliwia uzyskanie pewności, że transmisja w całości została odebrana. Z operatorem lub bez operatora: Zarówno wykorzystanie technologii LTE jak i Sigfox wiąże się z koniecznością współpracy z operatorem telekomunikacyjnym. LoRaWAN oferuje pełną swobodę w tym zakresie. Jeśli właściciel aplikacji, np. ze względów bezpieczeństwa lub ze względu na koszty abonamentu, nie chce opierać się na usługach operatorów, przy relatywnie niewielkich nakładach, może zbudować własną warstwę dostępową i serwer danych. Jeśli dla właściciela aplikacji kluczowe jest działanie na terenie szeroko pokrytym zasięgiem, wówczas może współpracować z operatorem, providerem. Dynamicznie rośnie na całym świecie liczba operatorów regionalnych czy narodowych LoRaWAN. Także w Polsce znajdziemy podmioty aspirujące do roli operatora i otwarte sieci LoRa >> Do przechowywania danych można zbudować własny serwer, ale można z powodzeniem wykorzystać także wielu dostawców usług realizowanych w chmurze, także Open Source. Dalszy rozwój: Dynamiczny wzrost LoRa Alliance zapewnia nie tylko wzrost środków na rozwój standardu, ale i pewność, że urządzenia wielu producentów będą ze sobą w pełni kompatybilne. Prace rozwojowe stosu LoRaWAN przyniosły w 2018 roku możliwość prowadzenia skutecznej lokalizacji urządzenia końcowego za pomocą matematycznych metod triangulacji, z dokładnością do zaledwie kilkudziesięciu metrów. To pierwsza taka możliwość, że bez GPS i bez operatora telekomunikacyjnego można przeprowadzić skuteczną lokalizację urządzenia końcowego, co otwiera zupełnie nowe możliwości w zakresie nadzoru wyposażenia trwałego, elementów infrastruktury, pojazdów (np. rowerów miejskich), zwierząt czy ludzi, tym bardziej, że sygnał LoRa jest trudniejszy w zakłóceniu od sygnału GPS czy LTE. Wysokie bezpieczeństwo: LoRaWAN zapewnia wysokie bezpieczeństwo obejmujące szyfrowanie transmisji (AES z wykorzystaniem identyfikatora IEEE EUI 128 do wymiany kluczy) i autoryzację w sieci urządzenia końcowego. Bezpieczeństwo warstwy aplikacji zapewnia brak dostępu operatora sieci do danych aplikacji urządzenia końcowego. Idąc dalej i zakładając pracę w oparciu o własną infrastrukturę dostępową (rezygnując ze współpracy z operatorem) i serwer aplikacji (rezygnując z usługi chmury) można uzyskać pewność, że fizycznie dane nie będą opuszczać infrastruktury technicznej ich właściciela. Schemat działania sieci Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości serwisu www.lorawan.com.pl © JM Elektronik