Специфікація LoRaWAN. Вступ. Основні поняття та класи кінцевих пристроїв

https://lora-alliance.org/

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

https://habr.com/ru/articles/316954/

Ця стаття є вступом до бездротових мереж LoRaWAN і базується на специфікації LoRaWAN 1.0.2.

Типова бездротова мережа LoRaWAN — це сукупність шлюзів (gateways), що пересилають повідомлення між кінцевими пристроями (terminal devices) та центральним сервером (Network Server, NS), і характеризується топологією «зірка зірок» (star-of-stars).

Шлюзи також називають концентраторами та базовими станціями. Кінцеві пристрої часто називають motes.

Зв'язок між шлюзами та центральним сервером здійснюється через стандартні IP-з'єднання, а між шлюзами та кінцевими пристроями — через бездротові з'єднання з використанням широкосмугової модуляції LoRa або FSK. Модуляція LoRa була розроблена компанією Semtech і призначена для низькошвидкісної бездротової передачі даних на відстані до кількох кілометрів у неліцензійних частотних діапазонах (Європа — 433 та 868 МГц).

Зв'язок між шлюзами та кінцевими пристроями є двостороннім, проте передбачається, що основна частина даних передається від кінцевих пристроїв до шлюзів. Технологія LoRa забезпечує швидкість бездротової передачі від 0,3 до 50 кбіт/с. Для розділення каналів використовується як набір частотних каналів, так і різні швидкості передачі даних.

Для оптимізації продуктивності системи використовується адаптивна зміна швидкості передачі — ADR (adaptive data rate). Мережевий сервер оцінює якість сигналу, отриманого від кінцевого пристрою, і може керувати як швидкістю передачі, так і потужністю передавача цього пристрою.

Кінцевий пристрій може передавати дані на будь-якому доступному каналі та з будь-якою швидкістю, враховуючи наступне:

• Кожного разу під час передачі повідомлення частотний канал вибирається кінцевим пристроєм випадковим чином зі списку доступних каналів.
• Перед початком передачі кінцевий пристрій повинен переконатися, що канал вільний (Listen Before Talk, LBT). Канал вважається вільним, якщо виміряне миттєве значення RSSI менше за RSSI_FREE_TH. Якщо канал зайнятий, пристрій перемикається на інший канал і повторює процедуру LBT.
• Кінцевий пристрій повинен враховувати місцеві нормативні обмеження щодо відсотка часу, протягом якого пристрій може займати частотний канал.

Основні переваги бездротових мереж LoRaWAN зумовлені використанням широкосмугової модуляції LoRa та неліцензійних частотних діапазонів. Мережі LoRaWAN:

• сумісні з існуючими бездротовими мережами/технологіями;
• мають високу завадостійкість;
• здатні обслуговувати десятки та сотні тисяч пристроїв;
• забезпечують велику зону покриття та низьке енергоспоживання кінцевих пристроїв.

Можливі сфери застосування:

• зчитування даних лічильників газу, води, електроенергії;
• Smart Grid (моніторинг електричних мереж нового покоління);
• моніторинг транспортних засобів та вантажів на певній території (визначення місцезнаходження, інформація про стан транспорту та вантажів);
• контроль стану контейнерів / ємностей на виробництві (нафтохімічне виробництво, контейнери для виробничих відходів, контейнери з небезпечними речовинами);
• моніторинг виробничого обладнання (зменшення простоїв, моніторинг параметрів, забезпечення безпеки персоналу);
• розумне паркування (моніторинг наявності вільних місць);
• моніторинг сміттєвих баків (оптимізація процесів вивезення відходів);
• розумне вуличне та інше освітлення (дистанційне керування, контроль стану);
• метеомоніторинг;
• контроль стану люків (запобігання несанкціонованим проникненням);
• контроль наявності шкідливих речовин в атмосфері;
• збір даних про стан довкілля (забруднення, шум, дощ, вітер тощо);
• пожежна, охоронна сигналізація;
• автоматизація будівель (контроль температури, вологості, керування воротами, жалюзі).

Повернемося до специфікації LoRaWAN і розглянемо, які існують пристрої. На кінець 2016 року специфікація визначає 3 класи кінцевих пристроїв LoRaWAN: A, B і C, які відрізняються один від одного режимами прийому. Пристрої цих класів є двонаправленими. Клас A є базовим і повинен підтримуватися всіма пристроями.

Пристрої класу A після кожної передачі відкривають два коротких часових вікна для прийому (позначаються як RX1 і RX2).

Інтервали від завершення передачі до відкриття першого та другого часових вікон можуть бути налаштовані, але повинні бути однаковими для всіх пристроїв у мережі (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). Для європейського діапазону 868 МГц рекомендоване значення для RECEIVE_DELAY1 становить 1 секунду. Значення RECEIVE_DELAY2 має бути (RECEIVE_DELAY1 + 1) секунда.

Частотні канали та швидкості передачі, що використовуються для слотів RX1 та RX2, можуть відрізнятися. Рекомендовані значення наведені в окремому документі — «LoRaWAN Regional Parameters», доступному на сайті LoRa Alliance.

Пристрої класу A мають найнижче енергоспоживання, проте для надсилання повідомлення від сервера до кінцевого пристрою необхідно дочекатися наступного вихідного повідомлення від цього пристрою.

На додаток до вікон прийому, визначених для пристроїв класу A, пристрої класу B відкривають додаткові заплановані вікна прийому. Для синхронізації часу відкриття додаткових вікон прийому шлюзи випромінюють маяки (beacons). Усі шлюзи, що входять до однієї мережі, повинні випромінювати маяки одночасно. Маяк містить ідентифікатор мережі та мітку часу (UTC).

Використання класу B гарантує, що при опитуванні кінцевих пристроїв затримка відповіді не перевищуватиме певного значення, визначеного періодом маяка.

Пристрої класу C перебувають у режимі прийому майже весь час, за винятком моментів передачі повідомлень. За винятком часового вікна RX1, кінцевий пристрій використовує параметри прийому RX2.

Клас C можна використовувати там, де немає потреби максимально економити енергію (лічильники електроенергії) або де необхідно опитувати термінальні пристрої в довільні моменти часу.