Заказать расчет
Каталог

Электронные компоненты

Коммуникационное оборудование

ГЛОНАСС/GPS мониторинг

Видеомониторинг

Компоненты комплексных систем

Оборудование для сетей Wi-Fi

Оборудование для сетей LoRaWAN

Аксессуары

Прочее

+78123317576
+78123317576
0 0

Что такое LoRaWAN?

Для LoRa существует 2 разных пакета протоколов: LoRaWAN и Symphony Link. Symphony Link предназначен для промышленных и корпоративных пользователей, которым нужны современные функциональные характеристики. LoRaWAN предназначен для мобильных сетей на базе LoRa.

LoRaWAN – это протокол уровня управления доступом к среде передачи (МАС), предназначенный для крупномасштабных сетей общего пользования с одним оператором. Он создан на базе схемы модуляции LoRa от компании «Semtech». В этой статье мы предоставим подробный следующих аспектов:

  • Создание сетей общего пользования на базе LoRa.
  • Как работает LoRaWAN?
  • Классы A, B, и C в LoRaWAN.
  • Скорость радиоимпульса, процесс усиления и ортогональность.
  • Возможности нисходящего и восходящего каналов связи.
  • Ограничения рабочих параметров.

Создание сетей общего пользования на базе LoRa

LoRA больше подходит для общественных сетей, охватывающих большие территории, потому что с LoRaWAN все каналы настраиваются на одинаковые частоты, и поэтому лучше иметь одну работающую сеть на всей территории, чтобы предотвратить перекрывание. 

Поскольку все шлюзы в сети завязаны на одном и том же сервере, сервер решает, какой шлюз должен отвечать на передачу. В большой сети выполненная операция передачи данных обычно улавливается многими приемниками, затем сервер дает команду одному шлюзу ответить, а другим игнорировать передачу. Этот процесс помогает предотвратить перекрывание нисходящего и восходящего каналов, т. к. один шлюз передает, а шлюзы, которые перекрываются, могут просто принимать передачи. 

И наконец, сейчас уже разрабатывается инфраструктура роуминга, чтобы обеспечить частное применение LoRaWAN в сетях LoRaWAN общего пользования).

Другая задача, с которой сталкиваются пользователи, состоит в том, что LoRaWAN – это, прежде всего, уровень управления передачей данных (МАС) (Уровень 2 OSI) с несколькими элементами сетевого уровня (Уровень 3 OSI). Несмотря на то, что это обеспечивает большую гибкость в использовании, разработчикам приложений ещё придётся приложить ещё немало усилий, прежде чем предложить конечный продукт. Сюда входит пакетирование, управление нисходящим каналом связи, групповая адресация и т. д.

Как работает LoRaWAN?

На самом фундаментальном уровне радиопротоколы, такие как LoRaWAN, достаточно просты. Способ преобразования сети со звездной структурой похож на преподавателя и студентов на лекции. Шлюз (преподаватель) обращается к конечным пользователям (каждый студент в аудитории) и наоборот. Это ассиметричное взаимоотношение в рамках связи. Каждый студент в аудитории может одновременно пытаться общаться с преподавателем, однако, преподаватель не в состоянии услышать или понять всех одновременно. Хотя это очень упрощённо, но многие элементы звездных топологий напоминают эту аналогию.

На схеме выше показано, как работает LoRaWAN. Верхняя полоса показывает, выполняет ли шлюз передачу или нет (если она оранжевая, значит, идет передача; если голубая, значит, нет). Полоса внизу демонстрирует каналы приёмника. Почти у всех систем LPWAN, включая LoRaWAN, есть многочисленные каналы приема, и большинство систем LoRaWAN могут одновременно получать восемь сообщений на любой номер частотного канала.

Классы A, B, и C LoRaWAN

Есть три класса LoRaWAN, которые работают одновременно. Класс А – полностью асинхронный, это так называемая система «pure aloha». Это значит, что конечные узлы не ждут конкретного времени для общения со шлюзом – они просто передают по мере необходимости и бездействуют до того времени. Если система с восемью каналами хорошо скоординирована, каждый временной интервал можно заполнить сообщением. Как только один узел заканчивает передачу, другой немедленно начинает. Без перерывов связи теоретическая максимальная емкость сети «pure aloha» составляет около 18,4% от максимума. В большей степени, это обусловлено перекрываниями, потому что, если один узел передаёт, а второй активируется и решает выполнить передачу на том же частотном канале с одинаковыми радионастройками, то они будут перекрываться.

Класс В позволяет передавать сообщения узлам с питанием от батареи. Каждые 128 секунд шлюз передаёт сигнал (см. временные интервалы в верхней части схемы). Все базовые станции LoRaWAN передают сигнальные сообщения в точное время, так как они синхронизированы на один импульс в секунду (1PPS). Это значит, что каждый GPS-спутник на орбите передает сообщение в начале каждой секунды, обеспечивая синхронизацию времени по всему миру. Всем узлам класса В назначены временные интервалы в пределах 128-секундного цикла, и узлам сообщается, когда принимать сообщения. Можно, например, указать, чтобы узел принимал сообщение каждый десятый временной интервал, и, когда он наступает, происходит передача сообщения нисходящего канала связи (см. схему выше).

Класс С позволяет узлам принимать сообщения постоянно, поэтому сообщение нисходящего канала связи может передаваться в любое время. Этот класс, в первую очередь, используется с питанием переменного тока, поскольку много энергии постоянно требуется для поддержания узла в активном состоянии для постоянной работы приемника.

Скорость радиоимпульса, процесс усиления и ортогональность

Примечание: В LoRaWAN показатель распространения (SF) связан со скоростью изменения радиоимпульса. График показывает внутриимпульсную линейную частотную модуляцию LoRa в динамике по времени. Разные SF можно одновременно раскодировать на одном и том же частотном канале.

LoRa работает посредством перемещения радиочастотного тона в динамике по времени по очень прямолинейной магистрали. Этот график показывает радиоимпульсы в обратной каскадной диаграмме – самые последние данные вверху, и это называется «радиоимпульс с линейным нарастанием частоты». Можно увидеть, как эта частота тона увеличивается в динамике по времени. Передачи LoRa работают по методу внутриимпульсной линейной частотной модуляции, разрывая радиоимпульсы в разных местах в зависимости от времени и частоты, чтобы зашифровать символ. Тот факт, что передачи LoRa перепрыгивают с места на место в определенное время, означает сравнение одной битовой строки с другой. Она не просто двоична – она содержит много информации, которую можно передавать (большая глубина символа).

Если в течение некоторого времени тон был стационарным, а потом на какое-то время куда-то перепрыгнул, будут видны разные линии или тоны. Это называется вторым FSK, который обозначает два частотных символа. У второго FSK есть многочисленные частотные тоны, которые могут представить даже больше символов. LoRa использует эту концепцию, но делает все на ЧМ-импульсе. И так получает выигрыш в обработке. Поскольку у LoRa есть четкий шаблон, приёмник LoRa может обнаружить более бесшумные радиоимпульсы, т. е. ниже минимального уровня шума. Если на одном и том же канале происходит очередная передача с другой скоростью радиоимпульса, он будет ортогональным, т. е. его можно обнаружить в тот же момент. Все это говорит о том, что на принимающей стороне есть большая ёмкость.

Возможности нисходящего и восходящего каналов связи

Если в системе LoRaWAN ожидается подтверждение приёма или фактическое сообщение нисходящего канала связи, это происходит при фиксированном сдвиге от сообщения восходящего канала связи: сообщение передается по восходящей, шлюз его получает и потом ждёт фиксированного интервала (1 или 2 секунды) прежде, чем передать обратно по нисходящей. (Это показано серой горизонтальной линией на графике приёмника шлюза).

Как и все радиосистемы, шлюз не может ничего принимать, пока выполняет передачу. Поэтому когда шлюз передает сообщение, он закрывает приёмники и временно находится вне эфира. Разговор с одним узлом удаляет весь приёмник из общей ситуации. По этой причине передачи и нисходящая связь происходят в LoRaWAN не часто. Из-за этого LoRaWAN лучше всего подходит для сетей, сфокусированных на восходящем канале.

Ограничения продолжительности включения

Для диапазона 868 МГц в сетях общего пользования есть некоторые ограничения. В Европе основное ограничение – это продолжительность включения 1% (в большинстве случаев). Это значит, что в случае измерения среднего промежутка времени, шлюз передаёт в динамике по времени, и этот промежуток не может превышать 1%. Поэтому шлюз существенно ограничен в объёме передачи. 

В заключение

LoRaWAN даёт большой выбор для протокола в случае создания сетей, обслуживаемых поставщиком коммуникационных услуг. Несомненно, создание и развертывание системы на базе LoRaWAN – это сложная задача. По сути, LoRaWAN – это такая же встроенная система, как беспроводная сеть Wi-Fi или модемы сотовой связи. Несмотря на то, что LoRa всё больше набирает популярность, LoRaWAN все еще находится на начальной стадии разработки, информации часто недостаточно, и поэтому у пользователей часто возникают вопросы по архитектуре и настройке сети.