===== Спецификация LoRaWAN. Введение. Основные понятия и классы оконечных устройств =====

https://lora-alliance.org/

https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-specification-v1-1/

Данная статья представляет собой введение в беспроводные сети LoRaWAN, и основана на спецификации LoRaWAN 1.0.2.

[[https://lora-alliance.org/|{{ :03b3133c2eb7422dbcc4f29bcf7a300f.jpg?nolink&600 |}}]]

==== Введение в LoRaWAN ====

Типовая **беспроводная сеть LoRaWAN** представляет собой совокупность **шлюзов (gateways)**, пересылающих сообщения между **оконечными устройствами (end-devices)** и **центральным сервером (Network Server, NS)**, и характеризуется «звездной» топологией «star-of-stars». 

{{ :1ee02f4cec2a4a7d930d185b5fa262f9.jpg?nolink&600 |}}

Шлюзы называют также **концентраторами (concentrators)** и **базовыми станциями (base stations)**. Оконечные устройства часто называют **motes**.

Связь между шлюзами и центральным сервером осуществляется через стандартные IP-соединения, а между шлюзами и оконечными устройствами — через беспроводные соединения, использующие **широкополосную модуляцию LoRa** или FSK. Модуляция LoRa была разработана компанией Semtech и предназначена для низкоскоростной беспроводной передачи данных на расстояния до нескольких километров в безлицензионных диапазонах частот (Европа — 433 и 868 МГц).

Связь между шлюзами и оконечными устройствами является двусторонней, но предполагается, что основной объем данных передается от оконечных устройств к шлюзам. Технология LoRa обеспечивает **скорость передачи в беспроводном канале от 0.3 до 50 кбит/с**. Для разделения каналов используется как набор частотных каналов, так и скоростей передачи (data rates).

Для оптимизации работы системы используется адаптивное изменение скорости передачи — **ADR (adaptive data rate)**. Cетевой сервер оценивает качество сигнала, принимаемого от оконечного устройства, и может управлять как скоростью передачи, так и мощностью передатчика этого устройства.

Оконечное устройство может передавать данные на любом доступном канале и любой скорости передачи, учитывая следующее:
  * Каждый раз при передаче сообщения частотный канал выбирается оконечным устройством случайным образом из списка доступных каналов.
  * Перед началом передачи оконечное устройство должно убедиться в том, что канал свободен (Listen Before Talk, LBT). Канал считается свободным, если измеренное мгновенное значение RSSI меньше, чем RSSI_FREE_TH. Если канал занят, то устройство переходит на другой канал и повторяет процедуру LBT.
  * Оконечное устройство должно принимать во внимание ограничения местных регулирующих органов относительно процента времени, в течение которого устройство может занимать частотный канал.

==== Основные преимущества сетей LoRaWAN ====

Основные преимущества беспроводных сетей LoRaWAN обусловлены использованием широкополосной модуляции LoRa и безлицензионных диапазонов частот. Сети LoRaWAN:

  * совместимы с существующими сетями/технологиями беспроводной передачи данных;
  * обладают высокой помехоустойчивостью;
  * способны обслуживать десятки и сотни тысяч устройств;
  * обеспечивают большую зону охвата и малое энергопотребление оконечных устройств.

==== Варианты применения беспроводных сетей LoRaWAN ====

Возможные варианты применения:

  * считывание показаний счетчиков газа, воды, электричества;
  * Smart Grid (мониторинг электрических сетей нового поколения;
  * мониторинг автотранспорта и грузов на определенной территории (определение местоположения, информация о состоянии транспортных средств и грузов);
  * контроль состояния контейнеров/емкостей на производстве (нефтехимические производства, контейнеры для отходов производства, контейнеры с опасными веществами);
  * мониторинг производственного оборудования (уменьшение простоя, контроль параметров, обеспечение безопасности персонала);
  * умные парковки (мониторинг доступности парковочных мест);
  * мониторинг мусорных баков (оптимизация процессов утилизации мусора);
  * умное уличное и пр. освещение (удаленное управление, контроль состояния);
  * мониторинг погодных условий;
  * контроль состояния люков (предотвращение несанкционированных проникновений);
  * контроль наличия вредных веществ в атмосфере;
  * сбор данных о состоянии окружающей среды (загрязнение, шум, дождь, ветер и пр.);
  * пожарная, охранная сигнализация;
  * автоматизация зданий (контроль температуры, влажности, управление воротами, жалюзи).

==== Классы оконечных устройств LoRaWAN ====

Вернемся к спецификации LoRaWAN и посмотрим, какие бывают устройства. На конец 2016 г. спецификация определяет 3 класса оконечных устройств LoRaWAN: A, B и C, отличающиеся друг от друга режимами приема. Устройства данных классов являются двунаправленными. Класс А является базовым и должен поддерживаться всеми устройствами.

=== Класс А (обязательный для всех) ===

Устройства класса А после каждой передачи открывают два коротких временных окна на прием (обозначаются как RX1 и RX2).

{{ :99419f542aeb4097b6c987219a66efcb.jpg?nolink&600 |}}

Интервалы от конца передачи до открытия первого и второго временных окон могут конфигурироваться, но должны быть одинаковыми для всех устройств в данной сети (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). Для европейского диапазона 868 МГц рекомендованное значение RECEIVE_DELAY1 составляет 1 секунду. Значение RECEIVE_DELAY2 должно равняться (RECEIVE_DELAY1 + 1) секунда.

Используемые частотные каналы и скорости передачи для интервалов RX1 и RX2 могут отличаться. Рекомендуемые значения приведены в отдельном документе — «LoRaWAN Regional Parameters», доступном на сайте [[http://www.lora-alliance.org/For-Developers/LoRaWANDevelopers|LoRa Alliance]].

Устройства класса А являются самыми низкопотребляющими, но для передачи сообщения от сервера к оконечному устройству необходимо дождаться следующего исходящего сообщения от этого устройства.

=== Класс B (Beacon) ===

В добавок к окнам приема, определенным для устройств класса А, устройства класса B открывают дополнительные окна приема по расписанию. Для синхронизации времени открытия дополнительных окон приема шлюзы излучают маячки (beacons). Все шлюзы, входящие в состав одной сети, должны излучать маячки одновременно. Маячок содержит идентификатор сети и метку времени (UTC).

Использование класса В гарантирует, что при опросе оконечных устройств задержка отклика не будет превышать определенную величину, определяемую периодом маячков.

=== Класс C (Continuous) ===

Устройства класса C находятся в режиме приема практически всё время за исключением промежутков, когда они передают сообщения. За исключением временного окна RX1 оконечное устройство использует параметры приема RX2.

{{ :2a186c7b594841c8bc1ec8ef827871aa.jpg?nolink&600 |}}

Класс С может применяться там, где не нужно изо всех сил экономить энергию (счетчики электрической энергии) или где необходимо опрашивать оконечные устройства в произвольные моменты времени.


Ссылка на оригинал статьи: https://habr.com/ru/post/316954/