Что такое LoRaWAN? Технический глубокий обзор

Если вы оцениваете LoRaWAN для своего IoT-развертывания, понимание его сильных и слабых сторон необходимо. В последнее время протокол набрал популярность — см. кейс machineQ — что доказывает, что он хорошо работает для простых приложений в публичных сетях. Однако для частных, промышленных или корпоративных развертываний возникают несколько критических ограничений, которые могут препятствовать производительности.

См. пример LoRaWAN Gateway для разработчиков.

В этой статье мы рассмотрим:

• Разницу между LoRa и LoRaWAN
• Как работает LoRaWAN
• Классы LoRaWAN A, B и C
• Чирп-рейт, процессорный выигрыш и ортогональность
• Барьеры построения частных сетей с LoRaWAN
• Альтернативное решение: Symphony Link

Разница между LoRa и LoRaWAN

Многие путают LoRa и LoRaWAN, но они служат разным целям. LoRa — это проприетарная физическая модуляция, созданная Semtech. Это чирп-модуляция с множественными символами, которая конвертирует радиосигналы в биты без требования от разработчиков писать низкоуровневый радиокод. LoRa — гибкая технология, которая может быть встроена в широкий спектр устройств за пределами LPWAN.

LoRaWAN — это стек сети точка-в-множество, построенный поверх LoRa. Он определяет, как шлюзы и конечные узлы обмениваются зашифрованными, аутентифицированными сообщениями, управляют циклами работы и подключаются к облачному бэкенду. Хотя LoRaWAN популярен в публичных сетях, его дизайн не оптимизирован для частных промышленных развертываний.

Существует другая open-source альтернатива LoRaWAN, которая может лучше подойти к вашим нуждам. Скачайте белую книгу для детального сравнения.

Как работает LoRaWAN

В своем ядре LoRaWAN следует звездной топологии: шлюзы действуют как центральные приемники и восходящие передатчики, в то время как конечные узлы вещают любому шлюзу, который их может услышать. Представьте класс, где профессор (шлюз) говорит всему классу (узлам), но студенты могут отвечать только когда профессор обращается к ним. Сеть асимметрична; большинство трафика течет от узлов к шлюзам.

См. пример LoRaWAN Gateway для разработчиков.

На практике узел передает сообщение на предопределенном частотном диапазоне. Любой шлюз, захвативший пакет, пересылает его в облако. Множественные шлюзы могут получить одно сообщение, что повышает надежность, потому что даже если одна связь слаба, другая может сработать. Однако LoRaWAN не подтверждает каждый пакет. Узлы могут запросить ACK, и если более одного шлюза слышит передачу, облако выбирает один шлюз для ответа после короткой фиксированной задержки. Во время этого ответа шлюз перестает слушать, что может привести к потере нисходящего трафика, если подтверждения часты.

Диаграмма показывает активность шлюза: оранжевые полосы представляют периоды передачи, а синие — периоды прослушивания. LoRaWAN поддерживает до восьми одновременных приемных каналов, позволяя узлам отправлять по множественным частотам.

Классы LoRaWAN A, B и C

LoRaWAN определяет три класса устройств, балансирующих потребление энергии, латентность и полосу пропускания:

• Класс A — Чисто асинхронный (Aloha). Узлы передают, когда данные доступны, и открывают два коротких приемных окна после каждого восходящего сообщения. Идеально для низкоэнергетических, батарейных устройств с редкой коммуникацией.
• Класс B — Маяко-ориентированный. Каждые 128 с шлюзы вещают маяк, синхронизируя все узлы класса B. Узлам назначаются конкретные временные слоты для нисходящей связи, позволяя планируемую коммуникацию при низком потреблении энергии.
• Класс C — Непрерывное прослушивание. Узлы держат приемник включенным большую часть времени, позволяя мгновенную нисходящую связь, но потребляя больше энергии. Подходит для устройств с питанием от сети, нуждающихся в почти реальном времени контроле.

Чирп-рейт, процессорный выигрыш и ортогональность

В LoRa spreading factor (SF) определяет chirp-рейт — скорость, с которой несущая частота сканирует полосу. Более высокий SF приводит к более медленному чирпу, что дает более высокий процессорный выигрыш и большую дальность, но более низкую скорость данных. Разные SF могут сосуществовать в одном частотном канале, потому что они ортогональны: приемник может различать их без интерференций. Эта ортогональность подpins способность LoRa поддерживать много устройств на одном канале.

Барьеры построения частных сетей с LoRaWAN

LoRaWAN превосходит в публичных сетях, но его архитектура навязывает вызовы для частных, корпоративных развертываний:

• Общий спектр ведет к интерференциям. Все шлюзы, независимо от владения, работают на тех же каналах, создавая потенциальные коллизии. Хотя LoRa Alliance может назначать эксклюзивные каналы, практическое сосуществование многих сетей в регионе остается проблематичным.
• Ненадежная доставка. Aloha-базированный MAC LoRaWAN может страдать от ошибок пакетов выше 50% в загруженных средах. Промышленные приложения, требующие 0% PER, находят это неприемлемым.
• Фрагментированная экосистема. LoRaWAN покрывает только MAC-слой; вендоры должны интегрировать чипы, шлюзы, бэкенды и прикладные слои сами. Это увеличивает время разработки и сложность.
• Ограничения цикла работы. В европейском диапазоне 868 МГц шлюзы ограничены 1% циклом работы, ограничивающим восходящий трафик. В американском ISM-диапазоне такого лимита нет, но ограничение остается соображением для мультистраны развертываний.
• Переменный MTU. Размер полезной нагрузки зависит от SF, назначенного сетью, который может меняться на основе расстояния и условий канала. Узлы должны адаптироваться к непредсказуемым лимитам MTU, часто по умолчанию к наименьшему возможному размеру (<12 байт). Эта фрагментация раздувает количество передач, требуемых для более крупных полезных нагрузок.

LoRaWAN подходит для низкоконцентрационных, низколатентных публичных сетей. При масштабировании до тысяч устройств с требовательной надежностью или латентностью упомянутые ограничения становятся значительными бутылочными горлышками.

Альтернативное решение: Symphony Link

Symphony Link — проприетарный LoRa-базированный стек, разработанный Link Labs, спроектированный для адресации недостатков LoRaWAN. Ключевые преимущества включают:

• Двунаправленная, гарантированная доставка. ACK обязательны, обеспечивая 100% получение сообщений в обоих направлениях.
• Динамическое маскирование каналов. Шлюз контролирует распределение каналов, позволяя до 48 шлюзам сосуществовать с минимальными коллизиями.
• Нет лимитов цикла работы. Работая в диапазоне 900 МГц (Европа), Symphony Link убирает 1% ограничение цикла работы.
• Фиксированный 256-байтовый MTU. Эта постоянная размер полезной нагрузки устраняет накладные расходы фрагментации и упрощает дизайн прошивки.
• End-to-end решение. От чипов до шлюзов до облака стек готов out-of-the-box, снижая усилия по интеграции и время до рынка.

Узнайте больше на нашем сайте или запланируйте бесплатную демо, чтобы увидеть, как Symphony Link может удовлетворить ваши специфические LPWA требования — настройка шлюза, интеграция dev kit, энергетический бюджет и дальность производительности все покрыты.