Что такое LoRaWAN? [Техническая разбивка]

Думаете об использовании LoRaWAN для развертывания вашего IoT-решения? В последнее время набирает обороты этот протокол (например, machineQ), который хорошо работает для простых приложений, развернутых в общедоступных сетях. Однако если вы разрабатываете решение для частной сети для промышленного или корпоративного использования, вам необходимо знать некоторые ограничения этой технологии (и альтернативные протоколы, которые во многих случаях будут лучше служить вам).

См. Пример шлюза LoRaWAN для разработчиков.

В этой статье мы подробно рассмотрим:

• Разница между LoRa и LoRaWAN
• Как работает LoRaWAN
• LoRaWAN классов A, B и C
• Скорость ЛЧМ-сигнала, усиление обработки и ортогональность.
• Барьеры на пути построения частных сетей с помощью LoRaWAN
• Альтернативное решение:Symphony Link
  
  

Разница между LoRa и LoRaWAN

Иногда люди думают, что термины LoRa и LoRaWAN означают одно и то же, но они разные.

LoRa - это метод передачи радиосигналов, в котором для кодирования информации используется многосимвольный чирпированный формат. Это запатентованная система, созданная производителем микросхем Semtech; его LoRa IP также лицензирован для других производителей чипов. По сути, эти чипы представляют собой стандартные радиочипы диапазона ISM, которые могут использовать LoRa (или другие типы модуляции, такие как FSK) для преобразования радиочастоты в биты без необходимости писать код для реализации радиосистемы. LoRa - это технология физического уровня нижнего уровня, которую можно использовать во всех видах приложений за пределами большой территории.

LoRaWAN представляет собой сетевой протокол многоточечной связи, в котором используется схема модуляции LoRa компании Semtech. Дело не только в радиоволнах; речь идет о том, как радиоволны связываются со шлюзами LoRaWAN, чтобы делать такие вещи, как шифрование и идентификация. Он также включает облачный компонент, к которому подключаются несколько шлюзов. LoRaWAN редко используется для промышленных приложений (частных сетей) из-за своих ограничений.

Есть еще один протокол с открытым исходным кодом для LoRa, который может лучше подойти для вашего случая использования; скачайте этот технический документ, чтобы четко объяснить, как он соотносится с LoRaWAN.

Как работает LoRaWAN

На самом фундаментальном уровне радиопротоколы, такие как LoRaWAN, довольно просты. Общение звездных сетей похоже на лекцию профессора и студентов. Шлюз (профессор) обращается к конечным узлам (классу) и наоборот. Это асимметричные отношения с точки зрения общения. Все в классе могут пытаться общаться с профессором одновременно, но профессор не сможет услышать или понять их всех сразу. Хотя многие элементы звездообразных топологий являются чрезвычайно упрощенными, они возвращаются к этой аналогии.

См. Пример шлюза LoRaWAN для разработчиков.

Вот как это выглядит на практике:допустим, у вас четыре шлюза и один узел. Узел передает в радиочастотный спектр вслепую, и любой шлюз, которому посчастливилось услышать передачу, может принять ее и отправить в облако. Возможно, все четыре шлюза услышат это сообщение и отправят его. (Единственное преимущество этого:сообщения все еще могут передаваться, несмотря на очень слабые ссылки. Если узел передает пять сообщений и только одно делает это, ваше сообщение все равно прошло.)

После того, как сообщение было доставлено, нет подтверждения получения. Однако узлы в LoRaWAN могут запросить подтверждения. Если запрашивается подтверждение и все четыре шлюза принимают одно и то же сообщение, облако выбирает один шлюз для ответа в определенное время, обычно через пару секунд. Проблема заключается в следующем: Когда этот шлюз передает обратно на узел, он перестает слушать все остальное. Поэтому, если вашему приложению требуется много подтверждений, оно, скорее всего, потратит больше времени на передачу подтверждений, чем на прослушивание, что в конечном итоге приведет к коллапсу сети.

На приведенной выше диаграмме показано, как работает LoRaWAN. Верхняя полоса указывает, передает шлюз или нет. (Если оранжевый - передает; синий - нет.) Полоса внизу показывает каналы приемника. Почти все системы LPWAN, включая LoRaWAN, имеют несколько каналов приема, и большинство систем LoRaWAN могут одновременно принимать восемь сообщений по любому количеству частотных каналов.

LoRaWAN классов A, B и C

LoRaWAN имеет три класса, которые работают одновременно. Класс A является чисто асинхронным, это то, что мы называем чистой системой ALOHA. Это означает, что конечные узлы не ждут определенного времени, чтобы поговорить со шлюзом - они просто передают данные, когда им нужно, и до тех пор остаются в бездействии. Если у вас есть идеально скоординированная система по восьми каналам, вы можете заполнить каждый временной интервал сообщением. Как только один узел завершает передачу, немедленно запускается другой. Без каких-либо перерывов в коммуникации теоретическая максимальная емкость чистой сети алоха составляет около 18,4% от этого максимума. В основном это происходит из-за коллизий, потому что, если один узел передает, а другой просыпается и решает передавать на том же частотном канале с теми же настройками радиосвязи, они столкнутся.

Класс B позволяет отправлять сообщения на узлы с батарейным питанием. Каждые 128 секунд шлюз передает маяк. (См. Временные интервалы в верхней части диаграммы.) Все базовые станции LoRaWAN передают сообщения радиомаяка в одно и то же время, поскольку они подчиняются одному импульсу в секунду (1PPS). Это означает, что каждый спутник GPS на орбите передает сообщение в начале каждой секунды, что позволяет синхронизировать время по всему миру. Всем узлам класса B назначается временной интервал в пределах 128-секундного цикла, и им сообщается, когда следует слушать. Вы можете, например, указать узлу, чтобы он прослушивал каждый десятый временной интервал, и когда он появляется, он позволяет передавать сообщение по нисходящей линии связи (см. Диаграмму выше).

Класс C позволяет узлам постоянно прослушивать, и сообщение по нисходящей линии связи может быть отправлено в любое время. Это используется в основном для приложений с питанием от переменного тока, потому что требуется много энергии, чтобы постоянно активировать узел, работающий с приемником.

Скорость чирпа, усиление обработки и ортогональность

Примечание. В LoRaWAN коэффициент распространения (SF) означает частоту щебетания. Этот график показывает модуляцию Chirp LoRa с течением времени. В одном и том же частотном канале можно одновременно декодировать разные SF.

LoRa работает, перемещая радиочастотный тон во времени очень линейным образом. Этот график показывает чириканье в виде обратного водопада - самые свежие данные находятся вверху, что называется «восходящим чириканьем». Вы можете видеть, как эта частота тона увеличивается с течением времени. Передачи LoRa работают по щебетанию, разбивая чипы в разных местах с точки зрения времени и частоты, чтобы закодировать символ. Тот факт, что передачи LoRa перескакивают с одного места на другое в определенное время, может означать, что одна битовая строка отличается от другой. Он не просто двоичный - он содержит много информации, которую вы можете передать (большая глубина символа).

Подумайте на мгновение о чистой частотной манипуляции (FSK). Если тон был неподвижен в течение некоторого времени, а затем перескочил на какое-то время в другое место, вы бы увидели другие линии или тона. Это называется 2-арной ЧМн, которая обозначает два частотных символа. M-арная FSK имеет несколько частотных тонов, которые могут представлять еще больше символов. LoRa взяла эту концепцию, но все делает на чириканье. Итак, он получает выигрыш в обработке. Поскольку он имеет очень четкий рисунок, приемник LoRa может обнаруживать более тихие щебетание, то есть ниже минимального уровня шума. Если у вас есть другая передача, происходящая в том же канале с другой частотой щебета, она ортогональна, то есть может быть обнаружена в то же время. При этом на принимающей стороне много возможностей.

Барьеры на пути построения частных сетей с помощью LoRaWAN

LoRaWAN хорошо работает для некоторых приложений, но не лучшим образом подходит для развертываемых клиентами решений (также известных как частные сети). Основными причинами этого являются:

• Сосуществование нескольких шлюзов допускает помехи. С LoRaWAN все шлюзы - независимо от того, кто ими владеет или управляет - настроены на одни и те же частоты. Это означает, что ваша сеть LoRaWAN видит весь мой трафик и наоборот. Лучше иметь только одну сеть, работающую в одной области, чтобы избежать проблем с коллизиями.

  Однако можно работать через LoRa Alliance, чтобы выделить определенные каналы для определенных целей. Сетевые операторы также могут ограничивать количество нисходящих каналов в своих сетях со стороны сервера, чтобы конечные точки с низким приоритетом не «забивали» сеть нисходящим трафиком.

• Это не гарантирует получение сообщения. LoRaWAN - это асинхронный протокол на основе ALOHA, в котором часто встречаются ошибки пакетов (PER), превышающие 50 процентов. Это нормально для некоторых приложений для считывания показаний счетчиков, но для промышленных или корпоративных сенсорных сетей или систем управления требуется 0 процентов PER. Метод доставки сообщений «спрей и молись» не подходит для большинства случаев промышленного использования, поэтому LoRaWAN лучше всего подходит для сетей, ориентированных на восходящие каналы.
• Это требует значительного объема разработки. Еще одна проблема, с которой столкнулись наши клиенты, заключается в том, что LoRaWAN - это в первую очередь уровень канала передачи данных (MAC) (OSI Layer 2), содержащий только некоторые элементы сетевого уровня (OSI Layer 3). На сегодняшний день ни один поставщик не предоставляет сквозного решения LoRaWAN. Вместо этого вам нужно работать с несколькими поставщиками для приобретения узлов, шлюзов, внутреннего сервера и каждой другой части экосистемы по отдельности. Хотя это обеспечивает большую гибкость приложений, разработчикам приложений остается много работы для создания полного предложения продукта. Это включает в себя пакетирование, управление нисходящим каналом, многоадресную рассылку и т. Д.
• Существуют ограничения рабочего цикла. Есть некоторые ограничения, присущие диапазонам 868 МГц в общедоступных сетях. В Европе основным ограничением является рабочий цикл в один процент (в большинстве случаев). Это означает, что если вы измеряете среднюю продолжительность передачи данных шлюзом с течением времени, она не может превышать одного процента. Из-за этого шлюз довольно ограничен в объемах передачи. В США правила FCC для диапазона ISM не имеют таких ограничений.

• Он имеет переменный максимальный размер полезной нагрузки блока передачи (MTU). Еще одно большое ограничение LoRaWAN заключается в том, что размер полезной нагрузки MTU является переменным в зависимости от коэффициента расширения, который сеть назначает узлу. Другими словами, если вы находитесь далеко от шлюза, количество байтов, которые вы можете передать, невелико, но если вы находитесь близко, оно намного больше; вы просто не можете знать это заранее. Следовательно, микропрограммное обеспечение узла или приложение должны уметь приспосабливаться к изменениям на стороне полезной нагрузки на уровне приложения, что очень сложно при разработке микропрограмм.

  Большинство разработчиков решают эту проблему, выбирая наименьший доступный MTU при наивысшем коэффициенте расширения, который может назначить сеть, который в большинстве случаев очень мал, часто менее 12 байт. Таким образом, узлы LoRaWAN, которым необходимо отправлять большие объемы данных, например 300 байт, должны будут отправлять их в 30 10-байтовых сообщениях, потому что они могут столкнуться с ситуацией, когда им назначается небольшой MTU. В результате эти узлы передают намного больше, чем необходимо, из-за сложных изменений программного обеспечения, которые потребуются для обработки этих изменяющихся значений MTU.

LoRaWAN подходит, если вы хотите строить сети общего пользования, принадлежащие оператору связи и управляемые им. В этой сфере конкурируют многие поставщики оборудования и сетевых серверов, поэтому есть большой выбор. А для простых приложений, где у вас не так много узлов и не нужно много подтверждений, LoRaWAN работает. Но если ваши потребности более сложные, вы неизбежно столкнетесь с серьезными препятствиями. Многие пользователи LoRaWAN еще не столкнулись с этими препятствиями просто потому, что их сети все еще довольно малы. Попробуйте использовать LoRaWAN для управления общедоступной сетью, в которой тысячи пользователей занимаются разными делами, и трудности, безусловно, резко возрастут.

Кроме того, разработка и развертывание системы вокруг LoRaWAN - сложный процесс. Одна из причин, по которой мы написали эту статью, заключается в том, что к нам обращаются клиенты, которые думают, что LoRaWAN «работает из коробки», как некоторые WiFi или сотовые модемы. Вы должны быть уверены, что понимаете всю архитектуру и хорошо разбираетесь в том, как работает система, прежде чем решите, что это лучший путь для вас.

Альтернативное решение:ссылка на Symphony

Symphony Link - это альтернативный стек протоколов LoRa, разработанный Link Labs. Чтобы устранить ограничения LoRaWAN и предоставить расширенные функции, необходимые большинству организаций для успешного развертывания решений Интернета вещей, мы создали собственное программное обеспечение на базе микросхем Semtech. Некоторые из его расширенных функций включают:

• двунаправленная ссылка . на 100% гарантированное получение сообщения. Узлы и шлюзы могут надежно обмениваться данными как вверх, так и вниз.
• Он использует динамическую маску канала, управляемую шлюзом, разрешая сосуществование нескольких шлюзов . с минимальным количеством столкновений. До 48 шлюзов могут сосуществовать без снижения производительности.
• Нет ограничения рабочего цикла , потому что в Европе Symphony Link использует диапазон 900 МГц.
• Symphony Link имеет большую емкость, чем LoRaWAN . , с фиксированным MTU в 256 байт. Он обрабатывает все подпакеты и повторяет отправку сообщений, когда это необходимо, для обеспечения доставки.
• Symphony Link - это полное сквозное решение IoT это работает прямо из коробки. Вы можете запустить свое приложение быстрее, чем с LoRaWAN.

Есть много других причин, по которым компании выбирают Symphony Link; вы можете прочитать об этом на нашем сайте. Или, если вы хотите увидеть, как Symphony Link может работать в вашем конкретном случае, запланируйте бесплатную демонстрацию технологии сегодня. Мы покажем вам, как это будет работать для вашего LPWA; как настроить шлюз и комплект разработчика в Symphony Conductor; и просмотрите этапы интеграции, бюджеты мощности и диапазон. Или, если у вас есть какие-либо вопросы о технологии, просто свяжитесь с нами.