Личный кабинет
Инновационная беспроводная энергоэффективная технология передачи данных телеметрии — LoRaWAN

Технология LoRaWAN

Все о стандарте LoRa WAN

Что такое модуляция LoRa™

Технология модуляции LoRa™ (от англ. Long Range) представляет собой метод модуляции, который обеспечивает значительно большую дальность связи (зону покрытия), чем другие конкурирующие с ним способы. Этот тип модуляция основывается на технологии модуляции с расширенным спектром и вариации линейной частотной модуляции (англ. CSS – chirp spread spectrum) с интегрированной прямой коррекцией ошибок FEC (англ. FEC – forward error correction). Технология LoRa значительно повышает чувствительность приемника и, аналогично другим методам модуляции с расширенным спектром, использует всю ширину полосы пропускания канала для передачи сигнала, что делает его устойчивым к канальным шумам и нечувствительным к смещениям, вызванным неточностями в настройке частот при использовании недорогих опорных кварцевых резонаторов.

Технология LoRa позволяет осуществлять демодуляцию сигналов с уровнями на 19,5 дБ ниже уровня шумов, притом, что для правильной демодуляции большинству систем с частотной манипуляцией FSK (англ. FSK – frequency shift keying) нужна мощность сигнала как минимум на 8-10 дБ выше уровня шума. Модуляция LoRa определяет тот физический уровень (иногда называется – слой) PHY (англ. PHY – physical layer), который может быть использован с различными протоколами и в различных вариантах сетевой архитектуры, таких как сетка (Mesh), звезда (Star), точка к точке (point-to-point) и т.п. Примечание: физический уровень PHY – это интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI. Микросхемы физического уровня PHY позволяют другим микросхемам, уже канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи.

Что такое LoRaWAN?

Модуляция LoRa является, как уже говорилось выше, физическим уровнем, а LoRaWAN (Long Range Wide-Area Networks) – это MAC протокол для высокоёмких сетей с большим радиусом действия и низким собственным потреблением мощности, который организация под названием LoRa Alliance стандартизировала для маломощных глобальных радиальных сетей LPWAN (Low Power Wide Area Networks) типа звезда. Протокол LoRaWAN оптимизирован для малобюджетных сенсоров с работой от батарей и включает в себя различные классы узлов, обеспечивая компромисс между скоростью доставки информации и временем работы устройств при использовании питания от батарей (аккумуляторов.) Протокол обеспечивает полную двухстороннюю связь, а архитектура посредством специальных методов шифрования, обеспечивает общую надежность и безопасность всей системы.

Архитектура LoRaWAN была разработана для облегчения обнаружение мобильных объектов, что является одним из наиболее быстро растущих приложений на уровне Интернета вещей IoT (Internet Of Things). Протокол LoRaWAN разрабатывается для использования в общенациональных сетях крупных операторов связи. С этой целью организация LoRa Alliance стандартизирует свой протокол LoRaWAN с учетом совместимости и взаимодействия со всеми основными глобальными операторами.

Что такое LoRa шлюз?

Шлюзы LoRa предназначены для использования в радиальных звездообразных сетевых архитектурах большого радиуса действия, и они используются в системе LoRaWAN. Из-за свойств технологии LoRa эти шлюзы могут представлять собой многоканальные мультимодемные трансиверы, которые способны выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляции множества сигналов на одном и том же канале. Эти шлюзы используют иные радиочастотные компоненты, чем те, которые применяются в конечной точке для обеспечения высокой ёмкости сети. Шлюзы служат в качестве интерфейса в виде прозрачного моста для передачи сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети.

Шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения, а конечные устройства используют беспроводную коммутацию к одному или нескольким шлюзам. Все конечные точки связи, как правило, являются двунаправленными, но они также поддерживают и функционирование в режиме, обеспечивающим возможность осуществления группового обновление программного обеспечения по радиоканалу или передачу иных массовых сообщений, что позволяет сократить время на их передачу. В зависимости от желаемой их канальной ёмкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут устанавливаться как внутри помещений, так и на вышках.

Какая возможная скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN?

Скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN в системе LoRa лежит в диапазоне от 0,3 до 11 кбит/с. Для Европы доступен один GFSK канал (Gaussian Frequency-Shift Keying - модуляция в виде частотной манипуляции, при которой используется фильтр Гаусса для сглаживания) передачи информации с подтоком данных в 50 кбит/с. В Северной Америке, из-за ограничений, накладываемых FCC (Federal Communications Commission - Федеральная Комиссия Электросвязи США), минимальная скорость передачи данных составляет 0,9 кбит/с.

Чтобы продлить срок службы батареи (аккумулятора) в конечном устройстве и общую пропускную способность сети, сетевой сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и радиочастотным выходом каждого конечного устройства по отдельности. Управление осуществляется с помощью алгоритма адаптивной скорости передачи данных ADR (Adaptive Data Rate). Это имеет решающее значение для высокой производительности сети, и позволяет осуществлять её необходимую масштабируемость. Сеть может быть развёрнута с минимальными инвестициями в инфраструктуру и с той её ёмкостью, которая конкретно необходима для данного применения. Если развернуто много шлюзов, то технология ADR будет смещать скорость передачи данных в сторону повышения, что обеспечит масштабирование ёмкости сети в пределах от 6 до 8 раз.

Какая пропускная способность шлюза LoRa? Сколько узлов могут быть подсоединены к одному шлюзу?

Ёмкость в первую очередь является следствием того числа пакетов, которые могут быть получены в данный момент времени. Один шлюз SX1301 с 8 каналами, используя протокол LoRaWAN, способен получить около 1,5 млн. пакетов в день. Так что, если ваше приложение отправляет один пакет в час, то один шлюз SX1301 может с успехом обслуживать до 62500 конечных устройств.