Глобальная сеть с низким энергопотреблением (LPWA)

Технология глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWA; также называемая LPWAN ) позволяет подключенным устройствам обмениваться данными на больших географических территориях с низкой скоростью передачи данных. Это широкий термин, обозначающий различные технологии, используемые для подключения датчиков и контроллеров к Интернету без использования традиционного Wi-Fi или сотовой связи.

LPWA официально начала свою деятельность через французскую компанию под названием Sigfox . . (Хотя у этой разработки были предшественники, о которых вы можете прочитать здесь.) Sigfox разработала альтернативную телекоммуникационную систему после того, как осознала, что потребности в маломощных устройствах Интернета вещей (IoT) с низкой скоростью передачи данных плохо удовлетворяются сотовой связью. сети. Традиционные сотовые технологии, используемые для таких вещей, как смартфоны, охватывают большую территорию и потребляют чрезмерное количество энергии; Устройствам IoT требуется меньше энергии для меньших пакетов передачи. Чтобы лучше соответствовать требованиям устройств M2M и IoT, Sigfox создал новый тип сетевой технологии со следующими характеристиками:

• Недорогие чипсеты и сети.
• Продолжительное время автономной работы.
• Ограниченная передача данных.

Технология Sigfox отправляет очень небольшие объемы данных (12 байтов) очень медленно (300 бод), используя стандартные методы радиопередачи (фазовая манипуляция, DBPSK, повышающая и частотная манипуляции, GFSK, понижающая). Большой диапазон достигается в результате очень длинных и очень медленных сообщений. Sigfox коммерциализировала свое собственное решение IoT и теперь владеет и управляет сетью, в основном в Европе, в которой используется эта технология.

Сегодня Sigfox - не единственная организация, создающая технологию LPWA. Альянс LoRa разработал LoRa , еще одна радиочастотная технология, которая использует нелицензированный радиочастотный спектр для обеспечения маломощной связи между устройствами на большом расстоянии. LoRa поддерживается исключительно микросхемами производства Semtech; он отличается от Sigfox тем, что использует расширенный спектр щебетания, тогда как Sigfox использует узкополосную (или сверхузкополосную) технологию. Сам LoRa не является решением LPWA, но LoRaWAN - спецификация протокола, построенная на основе технологии LoRa - является.

Многие компании, в том числе Link Labs, извлекли выгоду из быстрого роста рынка LPWA, создав более крупные технологии на базе чипа LoRa, найдя альтернативные способы подключения устройств IoT. Все находят свою нишу в пространстве LPWA. LoRaWAN и Symphony Link - две основные технологии, которые находятся в стадии активной разработки и внедрения.

• LoRaWAN - это открытый протокол, созданный с использованием схемы модуляции LoRa, которая была разработана для использования операторами беспроводной связи, которые хотят использовать нелицензированный спектр для связи с устройствами IOT в своей сети. Он предназначен для крупномасштабных сетей общего пользования с одним оператором.

• Ссылка на симфонию также основан на технологии физического уровня LoRa с расширенным спектром; это альтернативная спецификация LoRaWAN, разработанная Link Labs. Link Labs обслуживает клиентов, которые пытаются продавать сторонние подключенные устройства на предприятии или в промышленности.

Ниже мы рассмотрим технические различия между беспроводной технологией Link Labs и LoRaWAN и рассмотрим расширенные функции Symphony Link.

Посмотрите наш веб-семинар, чтобы узнать больше о том, какой тип технологии LPWAN подходит для вашего варианта использования.

Symphony Link против LoRaWAN

Ссылка на симфонию ® - это беспроводная система, разработанная Link Labs. Он в основном используется промышленными и корпоративными клиентами, которым нравится диапазон LoRa, но которым нужна высокая надежность и расширенные функции в своей системе LPWA.

LoRaWAN - это протокол уровня управления доступом к среде (MAC), разработанный для мобильных сетей, в первую очередь в Европе.

Кодировка символов LoRa

И Symphony Link, и LoRaWAN используют схему модуляции LoRa Semtech. По сути, LoRa - это форма волны. Он использует технологию расширенного спектра с ЛЧМ, которая кодирует несколько битов на символ, имеет интегрированную пакетизацию и коррекцию ошибок и работает с отличным интегрированным процессором цифровых сигналов основной полосы частот, называемым SX1301. LoRa® является товарным знаком Semtech. Роль LoRa как в LoRaWAN®, так и в Symphony Link® находится на уровне 1 или физическом уровне. Это аналог частотной манипуляции или другой технологии PHY в другой системе.

модель данных OSI

Технология LoRaWAN полезна при наличии большой и постоянно растущей экосистемы поставщиков, но у нее есть несколько ограничений, которые делают ее непригодной для решений для частных сетей:

• Частота ошибок пакетов более 50% является обычным явлением, поскольку LoRaWAN является асинхронным протоколом на основе ALOHA с очень ограниченными подтверждениями. LoRaWAN, Sigfox и другие используют метод доставки сообщений «спрей и молись», который не подходит для большинства случаев промышленного использования. 100% подтверждение сообщений критически важно для большинства организаций, использующих собранные данные для бизнес-аналитики.

• Только одна сеть может работать в зоне без помех. В LoRaWAN все шлюзы, независимо от того, кто ими владеет или управляет, используют одни и те же частотные каналы. Это означает, что ваша сеть LoRaWAN видит весь мой трафик и наоборот. Мой сервер не может расшифровать ваши сообщения, но он все равно съедает свою емкость. Этот тип помех уровня 2 может быть очень проблематичным при масштабировании сетей LoRaWAN.

• Обновить устройство практически невозможно Прошивка по воздуху с использованием LoRaWAN . LoRaWAN утверждает, что может обновлять прошивку, но это не кажется правдоподобным, если сложить время (которое может составлять несколько дней или даже недель), сложность (поскольку вам нужно полностью управлять обновлением прошивки на уровне приложения) и влияние на производительность сети (отправка большого количества нисходящих каналов в сети LoRaWAN приводит к резкому увеличению количества ошибок пакетов, поскольку шлюз передает часто - но узлы не знают об этом, когда они пытаются отправить сообщения). Все наши крупные OEM-заказчики не смогли бы или были бы недовольны выходом на рынок микропрограмм, которые им пришлось бы физически коснуться для обновления.

• У него нет настоящего решения для многоадресной рассылки. Поскольку LoRaWAN шифрует весь трафик как вверх, так и вниз по принципу «один-к-одному», реализация многоадресной рассылки для систем управления, таких как, например, система освещения, очень сложна.

• LoRaWAN рассчитан на ограничение рабочего цикла в 1%, обусловленное европейскими требованиями ETSI, что предотвращает использование LoRaWAN в системах, которым требуется возможность одновременной отправки большого количества данных. Поскольку это ограничение также применяется к базовой станции LoRaWAN, ее способность управлять сетью, отправлять команды или отправлять подтверждения очень ограничена.

• Ограничения рабочего цикла архитектуры LoRaWAN не позволяют повторителям работать с этой системой. Но ретрансляторы необходимы некоторым компаниям, поскольку они помогают снизить требования к сетевой инфраструктуре и являются экономичным способом увеличения производительности и масштабирования радиочастот.

• LoRa не поддерживает управление мощностью и скоростью передачи данных в реальном времени. Его внутриканальный динамический диапазон ограничен примерно 20 дБ; из-за проблем с динамическим диапазоном передатчик, который находится рядом с базовой станцией, не позволит узлу, находящемуся дальше, быть услышанным. А поскольку в LoRaWAN мало подтверждений, эти сообщения будут потеряны. (В будущем, если будут построены большие общедоступные сети LoRaWAN с большим количеством базовых станций в радиусе действия, этот эффект будет несколько смягчен.) LoRaWAN также имеет адаптивную скорость передачи данных (ADR), но поскольку она управляется сервером, если узел связь внезапно исчезает, сервер не может сказать ему изменить коэффициенты распространения для компенсации.

• Недостатки безопасности LoRaWAN не представляют значительного риска для большинства пользователей, но использование предварительно предоставленных ключей и идентификаторов создает уязвимости.

• Любой пользователь общедоступной сети LoRaWAN должен получить NetID от LoRa Alliance. Поскольку они доступны только участникам-участникам и выше, выделите 20 000 долларов в год на использование LoRaWAN.

LoRa Alliance усердно работает над улучшением этой технологии, но на данный момент LoRaWAN лучше всего подходит для клиентов, которые хотят разрабатывать решения для подключения к общедоступным сетям LoRaWAN. Для частных сетей мы настоятельно рекомендуем нашим клиентам использовать Symphony Link.

Причины, по которым клиенты выбирают Symphony Link® вместо LoRaWAN®

Гарантированное получение сообщения

Некоторый процент неподтвержденных сообщений подходит для некоторых приложений для считывания показаний счетчиков, но для промышленных или корпоративных сенсорных сетей или систем управления требуется 0% PER. У нас есть много клиентов Symphony Link, от предприятий из списка Fortune 100 до стартапов, которые пытались использовать LoRaWAN и потерпели неудачу. MAC-адрес Symphony Link подтверждает каждое сообщение, как восходящее, так и нисходящее.

Беспроводная прошивка.

С помощью Symphony Link вы можете обновить прошивку хоста на вашем устройстве после того, как оно будет установлено. Это огромное преимущество на ранней стадии развития IOT, поскольку позволяет клиентам быстрее и с меньшим риском выходить на рынок. Для многих клиентов это главная причина использовать Symphony Link.

Нет ограничения рабочего цикла.

В Европе Symphony Link использует полосу частотного переключения Listen-Before-Talk плюс адаптивную полосу динамической перестройки частоты, которая снимает ограничение рабочего цикла. В диапазоне 900 МГц нет ограничения рабочего цикла. Кроме того, при использовании схемы полной скачкообразной перестройки частоты конечные устройства могут передавать до 1 Вт в диапазоне 900 МГц. Это отлично подходит для устройств с питанием от переменного тока, таких как счетчики электроэнергии и фонари.

Повторители

Поскольку Symphony Link является синхронным протоколом, повторители позволяют пользователям значительно расширять диапазон сети, не влияя на задержку. Ретрансляторы стоят во много раз меньше, чем точки доступа на открытом воздухе, и, таким образом, позволяют клиентам Symphony Link покрывать большие площади, не тратя дополнительные тысячи долларов на инфраструктуру. Они также очень энергоэффективны, поэтому повторители могут работать от солнечной батареи или батареи.

Качество обслуживания.

С Symphony Link шлюз контролирует создаваемую им сеть, мы реализовали систему многоуровневого обслуживания, позволяющую узлам с важным трафиком иметь приоритет над устройствами с более низким приоритетом трафика. Вы не хотите, чтобы сигнализация конкурировала со счетчиком воды за доступ к каналу.

Нет конфигурации для каждого устройства.

Вероятно, самая большая головная боль при использовании LoRaWAN - это сложное управление несколькими ключами шифрования для каждого устройства как во время производства устройства, так и на стороне сервера. При использовании Symphony Link конфигурация хост-устройства одинакова для всех устройств одного типа, а обмен ключами осуществляется через нашу архитектуру Diffie Hellman AES мирового класса, основанную на PKI.

Контроль мощности и скорости передачи данных в реальном времени

В Symphony Link перед каждой передачей оконечное устройство вычисляет обратную линию связи со шлюзом и регулирует свою мощность передачи и коэффициент расширения или скорость модуляции для соответствия. Таким образом, узлы по всей сети имеют сбалансированный бюджет канала. Близкие узлы передают тихо и быстро, а дальние узлы - громко и медленно. А ADR в Symphony Link направлен на оптимизацию производительности и надежности. Symphony Link ADR мгновенно оптимизирует емкость даже лучше, чем LoRaWAN.

Нет недостатков безопасности.

Благодаря Symphony Link и использованию инфраструктуры открытого ключа (PKI) беспроводной беспроводной канал считается нерушимым по стандартам NSA. PKI также предотвращает спуфинг и обеспечивает идентификацию инфраструктуры.

Сосуществование нескольких шлюзов и уменьшение помех.

Symphony Link использует динамическую маску канала, которая контролируется шлюзом, чтобы гарантировать как можно меньше конфликтов. В США Symphony Link использует в 28 раз больше спектра, чем LoRaWAN, а в Европе в семь раз больше.

Большая емкость.

Благодаря использованию асинхронных функций, таких как сегментирование и координация восходящего / нисходящего каналов, сеть Symphony Link имеет пропускную способность в четыре раза больше, чем LoRaWAN. И если вы объедините это с качеством обслуживания, Symphony Link станет гораздо более надежным выбором для пользователей, которым это нужно.

Многоадресная передача

Symphony Link реализует ключи сеанса многоадресной рассылки, которые позволяют адресовать группы устройств. Логически группируя узлы, вы можете управлять ими любым способом, который имеет смысл для вашего приложения. Например, если это управление освещением, вы можете сгруппировать 10 узлов и таким образом отправлять и получать сообщения. Это также то, что позволяет Symphony Link передавать микропрограммное обеспечение по беспроводной сети.

Никаких затрат, связанных с идентификатором сети.

Для работы в сети Symphony Link не требуется сетевой идентификатор от LoRa Alliance. Symphony Link не мешает LoRaWAN и наоборот.

Есть также другие особенности, уникальные для Symphony Link, которые критичны для подмножества пользователей, например широковещательная рассылка с синхронизацией времени, которая позволяет конечным устройствам синхронизироваться с часами реального времени шлюза, и отметка времени данных на границе. Подробнее об этом см. В разделе «Примеры использования Symphony Link» ниже.

Описание протокола Symphony Link

Допустим, мы только что включили шлюз Symphony Link. Первым делом он сканирует полосу и создает профиль помех. (Обратите внимание, что именно так система работает на частоте 900 МГц. Для 868 операция немного отличается, поскольку канал маяка является фиксированным, но использует схему TDMA.)

После завершения сканирования помех шлюз выбирает канал 500 кГц для своего нисходящего канала (125 кГц для Европы), а затем прослушивает этот канал, чтобы убедиться, что там нет слабого трафика LoRa, который может указывать на другой шлюз Symphony Link, расположенный дальше. выбрал тот же канал. Также обратите внимание, что это режим автоматического выбора канала; пользователь также может установить канал вручную через интерфейс сетевого менеджера нашего программного обеспечения для управления сетью.

Итак, этот канал выбран, и система начинает передачу каждые две секунды. Это сообщение можно назвать заголовком маяка или кадра. Этот заголовок кадра содержит несколько важных битов информации.

Сначала это сообщение шифруется идентификатором сети. Это то, что позволяет клиенту сделать свою сеть «частной» и непригодной для использования другими пользователями Symphony Link. Это один из двух параметров, настроенных на конечном устройстве, второй - токен приложения, который определяет поток данных устройства.

Вторая часть информации - это временная граница восходящей / нисходящей линии связи. Это сообщает узлам, которые активны в течение этого кадра, когда шлюз завершит передачу. Поскольку LoRa является полудуплексной технологией, важно предотвратить коллизии вверх / вниз, которые очень распространены в LoRaWAN. (Шлюз LoRaWAN должен ответить на запрос узла о подтверждении или нисходящем канале в течение фиксированного периода времени. Любое сообщение LoRaWAN, отправленное в течение этого времени, не будет получено шлюзом. Запрос дополнительных подтверждений в LoRaWAN только усугубляет проблему в геометрической прогрессии.)

Третья часть информации - это частоты канала восходящей линии связи для предстоящего кадра восходящей линии связи. Поскольку Symphony Link использует метод восходящего канала с «скачкообразной перестройкой», при котором банк приемников переключается в каждом кадре, узлам необходимо сообщить, где находятся эти каналы. Таким же образом Symphony Link может поддерживать в эфире так много других сетей в одно и то же время без помех. Кроме того, поскольку шлюз сообщает узлам, какие каналы доступны, Symphony Link может иметь 1-канальный, 8-канальный или 64-канальный шлюз - конечному узлу все равно. Повторитель или недорогой одноканальный шлюз могут предоставить в сеть те же функции, что и более крупный шлюз, с той лишь разницей, что пропускная способность восходящего канала. Плюс к этому есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что оконечный узел может пассивно обнаруживать присутствие сети, даже через 868 и 915. Конечный узел LoRaWAN должен передавать вслепую, чтобы увидеть, отвечает ли какая-либо сеть, чтобы узнать, есть ли там сеть. или нет; это может сжечь много энергии.

Шлюз также отправляет данные об уровне обслуживания для этого кадра, поэтому, если сеть перегружена, менее важные узлы могут ждать перед передачей.

Наконец, шлюз передает сжатый пакет подтверждения, который содержит подтверждение для всех сообщений в предыдущем кадре. В LoRaWAN подтверждения всегда идут один к одному, и когда вы добавляете преамбулу LoRa к этим сообщениям, они сильно ограничивают пропускную способность. Сжимая ACK в одно сообщение, мы значительно экономим время в эфире через LoRaWAN.

Дополнительная информация, необходимая узлам для взаимодействия с сетью, содержится в сообщении информационного блока и передается шлюзом каждые восемь кадров. Информация о нормативных пределах мощности и мощности передачи шлюза важна для узлов, поскольку они рассчитывают свою мощность и коэффициент расширения для каждой передачи. Если сети необходимо обменять надежность на пропускную способность, информационный блок также может указать узлам применить дополнительный запас сигнала к их адаптивной мощности и расчету скорости передачи данных. Также передается версия программного обеспечения шлюза, чтобы предотвратить несоответствие возможностей конечного узла и шлюза. Сообщение информационного блока также может включать или выключать в узлах режим прослушивания перед разговором, который требуется только для работы в Европе и Японии. Кроме того, информационный блок сообщает узлам, подключен ли он к облаку управления сетью, и, таким образом, можно ли использовать сервер PKI в качестве источника открытого ключа и нужно ли узлу регистрироваться перед присоединением к сети. Это позволяет некоторым сетям полностью отключаться от Интернета.

Допустим, узел хочет передать шлюз полезную нагрузку восходящего канала. Поскольку это сеть с низким энергопотреблением, она какое-то время полностью спит и бездействует. Он проснется и настроит свой приемник на частоту, на которой он последний раз слышал шлюз. Он предполагает наихудшее смещение кристалла и, таким образом, начинает прослушивание за несколько миллисекунд до начала преамбулы заголовка кадра шлюза.

Затем он должен обнаружить и обработать сообщение заголовка кадра. Он узнает, когда открывается окно восходящего канала и какие частоты доступны.

Затем он спит до конца периода нисходящего канала, если только он не является узлом «нисходящий канал всегда включен», что я объясню чуть позже.

После того, как часть кадра по нисходящей линии связи закончилась, он настраивается на случайную частоту из набора, который только что объявил шлюз. Внутри оставшегося кадра находится ряд временных интервалов, каждый из которых составляет 10 байтов длины полезной нагрузки сообщения плюс период ожидания перед разговором.

Узел в этот момент вычисляет мощность и коэффициент расширения, необходимые для закрытия канала обратно к шлюзу. Допустим, сигнал относительно сильный, поэтому он выбирает коэффициент расширения 7 и мощность передачи 0 дБм.

У этого узла есть 37-байтовое сообщение для передачи, поэтому ему потребуется 4 слота подкадра.

На этом этапе важную роль играет качество обслуживания узла. Если предположить, что шлюз не подавляет узлы с этим QOS, QOS определяет, какой процент временных интервалов может занять узел. При высоком качестве обслуживания каждый раз выбирается 4 слота подкадра.

При самом низком QOS узлу разрешено использовать только один слот подкадра для каждого кадра, поэтому потребуется 4 кадра, чтобы получить 37 байтов.

Но предположим, что QOS находится посередине, например 8, в диапазоне QOS от 0 до 15. Итак, он выбирает 4 слота.

Затем он снова засыпает и снова пробуждает кадр после следующего, чтобы получить подтверждение. Если произошла коллизия с одним из 4 субпакетов, то только 3 будут подтверждены ACK, и узел повторно передаст недостающий субпакет в этом кадре.

Поскольку MTU Symphony Link или максимальная длина передаваемых данных составляет 256 байтов, для восходящей передачи большого сообщения может потребоваться до 26 слотов. Приятно то, что любые пропущенные слоты будут автоматически отправлены модулем. В LoRaWAN, если вы хотите отправить более 12 байт, вам придется обрабатывать повторные попытки и пакетирование на уровне приложения. Подумайте только, насколько сложно это было бы реализовать для нескольких узлов.

Ретранслятор в Symphony Link работает, устанавливая маяк, нисходящий канал, восходящий канал и сообщение передачи внутри восходящей части обычного фрейма Symphony. Это связано с тем, что частота модуляции или коэффициент расширения ретранслятора в 2 раза выше, чем у шлюза. Это дает 3 дБ канала, но это не очень заметно для ретрансляторов, которые могут увеличить покрытие сети. Хотя репитеры имеют гораздо меньшую пропускную способность, чем шлюз, на одном шлюзе могут размещаться десятки повторителей. Это отличная архитектура для экономичного покрытия больших площадей.

Это только основы работы Symphony Link. Существует множество других функций, таких как передача микропрограмм, многоадресная рассылка и обмен ключами, но приведенное выше должно дать вам хорошее представление об основной архитектуре системы.

Примеры использования ссылок на Symphony

Клиенты Link Labs используют Symphony Link в различных корпоративных и промышленных условиях. Примеры некоторых текущих вариантов использования включают:

• GPS-отслеживание тележек для гольфа на поле для гольфа. В этих случаях сотовые решения работают хорошо, но имеют высокую ежемесячную регулярную плату. В этом случае важна адаптивная скорость передачи данных в реальном времени, поскольку во время движения тележки для гольфа канал резко меняется. Для правильной работы устройству слежения требуется возможность обновлять уровень мощности и коэффициент модуляции коэффициента расширения в реальном времени по мере появления и исчезновения канала.
• Ответ на спрос на государственное жилье. Водонагреватели можно дооснастить контроллерами DR, которые управляются из системы Symphony Link. Водонагреватели отправляют на шлюз информацию об использовании в режиме реального времени; когда сигнал ответа на запрос поступает на шлюз из Интернета, он может выключить некоторые или часть этих водонагревателей менее чем за две секунды.
• Мониторинг энергопотребления коммерческих зданий . Модуль Link Labs подключается к датчику подсчета импульсов, который устанавливается в монтажных панелях больших зданий. С помощью одной точки доступа в здании вы можете подключить от десятков до сотен вспомогательных панелей по всему зданию, чтобы контролировать потребление электроэнергии.

Кроме того, Symphony Link - единственная технология LPWAN, которая работает в следующих случаях:

• Блокировка управления
• Ответ на запрос
• Промышленные системы управления
• Управление освещением
• Системы охранной сигнализации
• Физическая безопасность

Хотите узнать, как Symphony Link может решить вашу проблему с подключением?

В Link Labs мы помогли разработать решения для всего, от простых датчиков температуры до мультисенсорных GPS-акселерометров для сложных систем отслеживания активов. Если вы хотите увидеть, как Symphony Link может работать в вашем 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.