Podstawy LoRaWAN – rzut okiem na jedną z najszybciej popularyzujących się technologii IoT

Jeśli interesujesz się technologiami wykorzystywanymi do realizacji łączności pomiędzy urządzeniami w IoT, prawdopodobnie słyszałeś już o LoRaWAN. Jest to radiowy protokół komunikacyjny dalekiego zasięgu, który pozwala urządzeniom łączyć się z Internetem, przy utrzymaniu niskiego poboru mocy. Technologia ta pozwoliła rozwiązać duży problem, jaki pojawił się w świecie Internetu Rzeczy. Dzięki możliwości uzyskania nawet 5-letniego okresu pracy na pojedynczej baterii, a w efekcie i niskich kosztach utrzymania sieci czujnikowych, LoRaWAN pozwala na realizację całego szeregu nowych aplikacji IoT.

W niniejszym artykule przyjrzymy się architekturze LoRaWAN, kluczowym cechom technologii kryjących się za tym protokołem oraz nowym scenariuszom, w których sieć ta może być wykorzystywana.

To co jest piękne w tej technologii, to to, że bazuje na otwartym standardzie. Korzysta z niewymagającego ponoszenia opłat licencyjnych spektrum radiowego ISM (Industrial, Scientific, Medical). W Europie LoRaWAN działa na częstotliwości 868 MHz, a w USA na 915 MHz. Użycie nielicencjonowanego pasma sprawia, że ktokolwiek zechce stworzyć własną sieć tego typu, może to zrobić z łatwością. Wielu operatorów telekomunikacyjnych zainteresowało się LoRaWAN i zaczęło tworzyć infrastrukturę w tym standardzie, dostarczając usługi na niej oparte w różnych krajach na całym Świecie. KPN, Orange, SK Telecom, Comcast i wielu innych jest aktywnie zaangażowanych we wdrażanie takich rozwiązań w dużej skali. To sprawia, że LoRaWAN staje się jeszcze bardziej interesującą technologią, gdyż jest kompatybilna z sieciami zbudowanymi przez różnych operatorów, zarówno małych, jak i pokrywających bardzo duży obszar.

Standardem LoRaWAN opiekuje się LoRa Alliance – grupa złożona z ponad 500 członków, z których wszyscy wspierają protokół oraz tworzą zgodne z nim komponenty, produkty i usługi. Przykładami takich firm są Microchip, ST, Cisco, Softbank i ARM. Więcej informacji na ten temat można znaleźć tutaj.

LoRa vs LoRaWAN

Zacznijmy od zdefiniowania LoRa – czym jest i jak różni się od LoRaWAN. LoRa to po prostu technologia komunikacji bezprzewodowej, podobnie jak bardziej popularne technologie typu Wi-Fi, Bluetooth, LTE i ZigBee. Żadna z nich nie jest w stanie samodzielnie spełnić potrzeb wszystkich użytkowników i w wielu przypadkach wybranie którejś z nich wymaga podjęcia kompromisu. LoRa wypełnia lukę pomiędzy nimi, jako tania metoda do przesyłania danych na duże odległości, przeznaczona dla urządzeń zasilanych bateryjnie. Jednakże LoRa nie sprawdza się do transmisji danych z dużą szybkością. LoRa korzysta z technologii modulacji fal elektromagnetycznych określanej mianem CSS – Chirp Spread Spectrum. Technika ta była przez dekady stosowana w aplikacjach wojskowych i astronautyce. Jej kluczową zaletą jest możliwość uzyskania dużego zasięgu transmisji i odporność na interferencje.

LoRaWAN to natomiast protokół MAC (Medium Access Protocol – protokół dostępu do łącza), opracowany pod kątem dużej wydajności, dalekiego zasięgu i małego poboru mocy dla urządzeń Internetu Rzeczy. Korzysta z zalet LoRa opisanych powyżej i optymalizuje zużycie energii oraz obsługuje mechanizmy optymalizacji ruchu pomiędzy węzłami. Protokół ten jest w pełni dwukierunkowy, co pozwala na niezwodny przesył informacji (dostępność potwierdzeń). Definicja LoRaWAN obejmuje mechanizm szyfrowania punkt-punkt, co umożliwia tworzenie bardzo bezpiecznych połączeń. Ponadto obsługuje bezprzewodową rejestrację nowych urządzeń w sieci i nadawanie w trybie multicast (komunikacja jeden-do-wielu). Standard ten został opracowany tak, by zapewnić zgodność urządzeń pomiędzy różnymi sieciami LoRaWAN na całym Świecie.

Architektura LoRaWAN składa się z 4 głównych komponentów:

• urządzeń końcowych,
• bramek (stacji bazowy, routerów),
• serwera sieciowego,
• serwera aplikacyjnego

Urządzenia końcowe

Urządzenia (węzły) końcowe to sprzęt, który obsługuje określone funkcje czujnikowe, ma nieco mocy obliczeniowej oraz moduł radiowy do konwersji zbieranych informacji na sygnał radiowy. Urządzenia te mogą przesyłać dane do bramek oraz same otrzymywać dane. Mogą pracować z użyciem małej baterii nawet przez wiele lat, o ile tylko zostaną wprowadzone do stanu głębokiego uśpienia, celem optymalizacji poboru mocy.

Gdy urządzenie końcowe przesyła informacje do bramki, transmisja ta kategoryzowana jest jako „Uplink”, a gdy otrzymuje dane z bramki, używa się określenia „Downlink”. Bazując na tej nomenklaturze, można wydzielić trzy rodzaje urządzeń końcowych:

• klasy A,
• klasy B,
• klasy C.

Urządzenia klasy A (Class A) to takie, które pobierają najmniej energii w porównaniu do pozostałych klas. Odbywa się to z związku z faktem, że mogą odbierać informacje (Downlink) tylko po wysłaniu własnych danych (Uplink). Urządzenia klasy A nadają się do przesyłania danych z określonym interwałem, np. co 15 minut, lub do przesyłania informacji w oparciu o zdarzenia – np. gdy mierzona temperatura przekroczy 21 °C lub spadnie poniżej 19 °C.

Węzły klasy B (Class B) pozwalają na otrzymywanie większej ilości wiadomości niż w przypadku klasy A. To zmniejsza opóźnienia przesyłanych wiadomości, ale kosztem obniżenia efektywności energetycznej urządzenia.

W końcu urządzenia klasy C (Class C) mogą ciągle odbierać wiadomości, za wyjątkiem chwil, gdy same wysyłają dane. Z tego względu jest to najmniej energooszczędna klasa i zazwyczaj wymaga zastosowania stałego źródła zasilania do pracy.

Bramki

Bramki nazywane są też modemami i punktami dostępu. Bramka to urządzenie, które odbiera dane nadawane przez węzły końcowe za pomocą LoRaWAN.

Wiadomości te są często konwertowane na pakiety, które można przesyłać za pomocą tradycyjnych sieci IP. Bramka jest więc podłączona do serwera sieciowego, do którego przesyła wszystkie wiadomości.

Bramki są z założenia przezroczyste i mają ograniczoną moc obliczeniową. Wszystkie złożone operacje i inteligentne algorytmy są realizowane na serwerze sieciowym. W zależności od aplikacji bramki można podzielić na dwa rodzaje:

• do zastosowania wewnątrz budynków, czego przykładem mogą być urządzenia takie jak Multitech Conduit czy The Things Gateway,
• do zastosowania na zewnątrz budynków, takie jak np. Kerlink IoT Station i LoRiX One.

Serwer sieciowy

Wszystkie te wiadomości przesyłane przez bramki są przekazywane do serwera sieciowego. To w nim następują bardziej skomplikowane procesy, związane z przetwarzaniem danych. Jest on odpowiedzialny przede wszystkim za:

• Przekierowywanie i przekazywanie danych do odpowiednich aplikacji.
• Określanie, która z bramek jest najlepsza do skierowania wiadomości przesyłanej do wybranego węzła. Zazwyczaj operacja ta bazuje na porównaniu parametru jakości łącza (Link Quality), który obliczany jest na podstawie współczynników RSSI (Receive Signal Strength Indication – wskaźnik siły odbieranego sygnału) oraz SNR (Signal to Noise Ratio – stosunek sygnał-szum) poprzednio otrzymanych pakietów.
• Usuwanie zduplikowanych wiadomości, jeśli zdarzyło się, że dane z węzła zostały przekazane do serwera przez więcej niż jedną bramkę.
• Deszyfrowanie wiadomości przesyłanych z węzłów końcowych i szyfrowanie informacji przesyłanych do węzłów.
• Bramki zazwyczaj łączą się z serwerem sieciowym za pomocą szyfrowanego połączenia IP (Internet Protocol). Sieć zazwyczaj zawiera interfejs do nadzorowania pracy i instalacji nowych bramek, pozwalając kontrolerowi sieci na zarządzanie nimi, rozwiązywanie problemów, wykrywanie usterek, monitorowanie pojawiających się alarmów itp.

Sieć Things Network to globalna, finansowana przez społeczność infrastruktura IoT do przesyłu danych. Tworzy ją ponad 20 tysięcy osób z ponad 90 państw całego Świata, korzystając właśnie z LoRaWAN.

Zajrzyj tutaj by dowiedzieć się więcej na ten temat.

Serwer aplikacji

Serwer aplikacji to miejsce, w którym realizowana jest właściwa aplikacja IoT – taka, która robi coś sensownego na podstawie danych zbieranych przez urządzenia końcowe. Serwery aplikacyjne pracują zazwyczaj w oparciu o prywatne lub publiczne chmury, które łączą się z serwerami sieciowymi LoRaWAN i wykonują konkretne zadania. Za połączenie pomiędzy serwerem aplikacji a węzłami i bramkami LoRaWAN odpowiada serwer sieciowy.

Cechy LoRaWAN

Dwukierunkowa komunikacja

Urządzenie końcowe może nie tylko przesyłać dane do bramki, ale też odbierać je, zgodnie z konfiguracją. Konfigurację tę można zmieniać z poziomu aplikacji.

Pozycjonowanie

Interesującą zaletą LoRaWAN jest możliwość pozycjonowania bez potrzeby użycia odbiorników GPS. Jest to szczególnie użyteczne podczas śledzenia zasobów czy nawet czujników, gdyż pochłania znacznie mniej energii z baterii oraz jest tańsze w realizacji, niż korzystanie z tradycyjnych metod.

Skalowalność

LoRaWAN zostało zaprojektowane pod kątem dużych sieci IoT, w których tysiące urządzeń może być podłączone nawet do niewielkiej liczby bramek. Te bramki mogą nasłuchiwać na wielu kanałach i przetwarzać liczne wiadomości w tym samym czasie.

Inną kluczową cechą LoRaWAN jest szybkość, z jaką dane mogą być wysyłane. Przewidziano różne prędkości transmisji, których można użyć do przesyłu danych. Określa się je mianem „Spreading Factors” (SF). W efekcie wolniejsza transmisja pozwala na bardziej niezawodny przesył informacji na większe odległości.

Łatwo sobie zwizualizować tę zależność. Wystarczy wyobrazić sobie, że chce się porozmawiać z osoba, która stoi bardzo blisko. Można mówić do niej całkiem szybko, a ona i tak będzie w stanie wszystko usłyszeć. Jeśli chce się natomiast porozmawiać z kimś kto stoi daleko, trzeba będzie wolniej mówić, by być zrozumiałym. Ta zasada została zaszyta w protokole LoRaWAN.

Adaptacyjna szybkość przesyłu danych

Kluczową cechą LoRaWAN jest to, że sieć może automatycznie zoptymalizować prędkość, z jaką urządzenie przesyła dane. Funkcja ta nosi miano Adaptive Data Rate (ADR – Adaptacyjna szybkość przesyłu danych) i jest kluczowa dla zwiększania sumarycznej przepustowości sieci LoRaWAN. ADR pozwala na łatwe skalowanie sieci, po prostu poprzez zwiększanie liczby bramek. Dzięki nim wiele urządzeń automatycznie zmieni swój współczynnik SF, a w związku z tym skróci czas potrzebny na transmisję pakietu, w efekcie pozostawiając więcej wolnego „eteru” dla innych urządzeń.

ADR to bardzo prosty mechanizm, który prowadzi do zmiany szybkości transmisji w oparciu o następujące zasady:

• Jeśli moc sygnału radiowego (nazywanego budżetem łącza) jest duża, szybkość transmisji może być zwiększona.
• Jeśli budżet łącza jest mały, szybkość transmisji może być obniżona.

Bezpieczeństwo

Jest niezmiernie ważne, by w każdej sieci LPWAN (Low Power Wide Area Network) zapewnić bezpieczeństwo. LoRaWAN wykorzystuje w tym celu dwie warstwy zabezpieczeń. Jedna na poziomie sieci i jedna na poziomie aplikacji. Zabezpieczenia na poziomie sieci pozwalają być pewnym, że dane urządzenie końcowe jest faktycznie tym, którym miało być, podczas gdy zabezpieczenia na poziomie aplikacji sprawiają, że operator sieci nie ma dostępu do danych użytkownika. LoRaWAN korzysta z szyfrowania AES i wymiany kluczy.

• Warstwa sieciowa jest odpowiedzialna za identyfikację węzłów, sprawdzanie czy wiadomości faktycznie przychodzą z konkretnych urządzeń i jest określana mianem sprawdzania integralności sieci. Realizuje również szyfrowanie komend MAC.
• W warstwie aplikacji realizowane jest szyfrowanie i deszyfrowanie właściwych, użytecznych danych.

Oba klucze są szyfrowane 128-bitowym algorytmem AES w trybie ECB (Electronic Codebook).

Zastosowania i aplikacje

LoRaWAN znalazło sobie swoje unikalne miejsce na rynku, jeśli chodzi o różne zastosowania i aplikacje, które mogą być zbudowane z użyciem tej technologii. Dzięki swojej wyróżniającej charakterystyce, LoRaWAN najlepiej sprawdza się w scenariuszach, gdzie:

• dostęp do zasilania (prądu elektrycznego) jest ograniczony,
• urządzenia są zlokalizowane w miejscach o trudnym dostępie lub w dużych odległościach od siebie,
• liczba urządzeń końcowych, które należy podłączyć jest znacznie większa niż w przypadku aplikacji korzystających z tradycyjnych połączeń przez sieci komórkowe,
• urządzenia końcowe nie musza ciągle przesyłać wiadomości.

Zastosowania LoRaWAN

Firma element14 wraz z siecią Things Network oferuje zestaw, który pozwala szybko zacząć korzystać z LoRaWAN. Można go znaleźć pod adresem: https://www.element14.com/TTN

Wienke Giezeman - Pomysłodawca The Things Network

Podstawy LoRaWAN – rzut okiem na jedną z najszybciej popularyzujących się technologii IoT. Data publikacji: 22 września 2017 r. przez Farnell