IoT, LPWAN, LoRa, LoRaWAN

IoT - Internet of Things

Wraz z rozwojem komputeryzacji oraz sieci bezprzewodowych idea Internetu Rzeczy przerodziła się w rzeczywistość. Obecnie nikogo już nie dziwi możliwość otwarcia bramy telefonem komórkowym czy sterowania temperaturą w mieszkaniu przez stronę Internetową - to przecież jedynie Smart Home. W zupełnie naturalny sposób technologie IoT wykorzystywane są

w rozwiązaniach Smart City - przesyłanie informacji o jakości powietrza, informacji drogowych, informacji o transporcie publicznym, sterowaniu oświetleniem miejskim. Podobnie aplikacje związane z Industry 4.0 oraz Smart Factory wdrażane są z wykorzystaniem Industry IoT, znacznie obniżając koszty niezbędne do przeprowadzenia wizualizacji stanu maszyn w systemach SCADA. 

 

Idąc jeszcze dalej - pomiar i sterowanie mediami, energetyka zawodowa, wodociągi i kanalizacja, systemy grzewcze – wszystkie z nich coraz częściej korzystają z rozwiązań IoT Smart Metering, redukując koszty utrzymania i billingu. Wspólną cechą wszystkich rozwiązań IoT jest pozostawanie w łączności i możliwości komunikacji. Ze względu na potrzeby aplikacji IoT najpopularniejszą metodą komunikacji jest łączność bezprzewodowa - Wireless. 

LowPowerWAN

Low Power -
niewielkie zużycie energii
 

Urządzenia Low Power to urządzenia o bardzo niewielkim zapotrzebowaniu na energię, które w większości przypadków mogą być zasilane np. za pomocą jednego, niewielkiego panelu fotowoltaicznego lub zwykłej baterii „paluszka” pozwalającej takiemu urządzeniu na pracę nawet przez kilka lat. 

W aplikacjach IoT urządzenia Low Power są niezwykle pożądane, gdyż rozmieszczając sieci złożone nieraz z tysięcy czujników, niełatwo jest zapewnić każdemu

z nich dostęp do stałego przewodowego zasilania, szczególnie, że zdarzają się także aplikacje, w których urządzenia potrzebują być umieszczone

w trudno dostępnych miejscach (studzienki kanalizacyjne, kosze na śmieci, pola uprawne, parkingi dla pojazdów) lub potrzebują mobilności jak np. trackery GPS.

Wide Area Network -
daleki zasięg komunikacji

W związku z nieustanną globalizacją Internetu, nieograniczony dostęp do sieci staje się dla nas czymś zupełnie naturalnym, jednakże zapewnienie pokrycia zasięgiem całego miasta dla popularniejszych technologii

o większej przepustowości, takich jak Bluetooth czy Wi-Fi mogłoby się okazać niezwykle trudne

 kosztowne, gdyż przy ich niewielkim zasięgu ciężko byłoby załatać wszelkie „dziury”

w pokryciu. Komunikacja przez GSM mimo globalnego zasięgu

i wysokiej przepustowości odstrasza koniecznością ponoszenia comiesięcznych opłat abonamentowych.

W aplikacjach IoT przede wszystkim odbierane i wysyłane są niewielkie pakiety danych,

a o większą ilość urządzeń

i czujników rozmieszczonych na dużym obszarze łatwiej jest zadbać za pomocą kilku-kilkunastu bramek, niż za pomocą kilkuset takich urządzeń.

LowPowerWAN -
daleki zasięg przy niewielkim zużyciu energii

Dla potrzeb rozbudowy i rozwoju aplikacji IoT powstał szereg rozwiązań LPWAN, czyli rozwiązań

w których urządzenia mogą komunikować się na dalekie odległości, z niewielkim zużyciem energii, jednakże odbywa się to kosztem przepustowości sieci. Wśród rozwiązań, które wpisują się w powyższą definicję możemy wyróżnić technologie takie jak: LTE Cat.M, LTE NB-IoT, Sigfox, LoRaWAN. 

LoRa

LoRa to technologia służąca do komunikacji bezprzewodowej opracowana we Francji, zakupiona w 2012 roku przed firmę Semtech - światowego producenta scalonych układów radiowych, współtwórcę stowarzyszenia LoRa Alliance, organizacji non-profit skupiającej ponad 500 przedsiębiorstw, zajmujących się światową popularyzacją i standaryzacją LoRa. Modulacja LoRa oparta jest na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum) i polega na ciągłej zmianie częstotliwości w czasie przy zachowaniu określonej szerokości pasma. 

lora modulacje cz. 3.png

Takie rozwiązanie zapewnia bardzo dużą odporność na zakłócenia oraz bardzo dobrą propagację, dzięki czemu możemy osiągać zasięg mierzony nawet w kilometrach również w warunkach miejskich lub przemysłowych. Sygnał LoRa jest odczytywany nawet wówczas, gdy występuje na poziomie szumu tła. 

Moc wyjściowa nadajników +20 dBm/100mW (w Europie ograniczenie do +14 dBm). Wysoka czułość odbiorników do -148 dBm (0.01µV/50Ω).

Przepustowość transmisji LoRa nie pozwala na jej wykorzystanie w aplikacjach audio-wideo, a wymóg ograniczenia zajętości pasma otwartego wyklucza możliwość funkcjonalnego zastosowania w aplikacjach do sterowania w czasie rzeczywistym (Real Time). Jednak bardzo dobra propagacja powoduje, że w zastosowaniach Smart City, Smart Factory czy Smart Metering, technologia LoRa wybija się na wiodące medium transmisji. 

LoRaWAN

LoRaWAN to protokół komunikacyjny opracowany z myślą o komunikacji na dalekie odległości i przy niewielkim poborze energii bazujący na modulacji LoRa. LoRaWAN nazwana została przez autorów szeregu publikacji w czasopismach technicznych jako „nowe Wi-Fi dla IoT”. Od czerwca 2015 roku, gdy opublikowano specyfikację LoRaWAN v.01 lista podmiotów przystępujących do LoRa Alliance nieustannie rośnie, a wraz z dostępnością rozwiązań technicznych równie dynamicznie rośnie liczba aplikacji wykorzystujących LoRaWAN.

 

LoRaWAN pracuje w otwartym paśmie sub-GHz 433 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz (Ameryka Północna), 905 MHz (Australia). W Polsce korzystamy z pasma 868 MHz.  

Jaką niszę rynkową zapełniła LoRaWAN?

LoRaWAN mogło zaistnieć i rozwinąć się na rynku, gdyż do tej pory nie było rozwiązania, które dawałoby nam tak dużą niezależność w projektowaniu i utrzymaniu własnej infrastruktury sieci. Sieć LoRaWAN możemy sami dowolnie rozbudowywać zwiększając pokrycie terenu zasięgiem wedle naszych potrzeb i wymagań. Pasmo, w którym komunikuje się LoRaWAN to pasmo nielicencjonowane, więc pod warunkiem dostosowania się do norm i regulacji jesteśmy w stanie korzystać z tej sieci całkowicie za darmo, co oznacza, że wystarczy zainwestować pieniądze w sprzęt i nie musimy ponosić dodatkowych comiesięcznych kosztów utrzymania sieci. 

 

Jednakże nie ma rozwiązań idealnych – w każdej sieci możemy zdecydować się na usprawnienie jednego parametru kosztem innego. Podobnie jest tutaj – LoRaWAN nie jest siecią bez wad, jednakże w konkretnych aplikacjach, do których jest przeznaczona jest ona naprawdę mocnym konkurentem.

 

LoRaWAN zapewnia nam możliwość komunikacji na dalekie odległości przy bardzo niewielkim zużyciu energii. Jej wadą jest natomiast to, że ta komunikacja odbywa się kosztem przepustowości sieci, która ograniczona jest do max. kilkuset kB/s. Mimo to, ten zestaw cech sprawia, że jest to sieć niemalże idealna do wszelkich aplikacji, w których chcemy zbierać dane pomiarowe z czujników lub mierników. 

 

LoRaWAN sprawdzi się więc idealnie w aplikacjach takich jak: 

  • Smart Metering (zużycie mediów, temperatura, wilgotność, natężenie światła, itp.);

  • Smart City (pomiar jakości powietrza, temperatury, sterowanie latarniami ulicznymi, pomiar zajętości miejsc parkingowych, śledzenie pojazdów komunikacji miejskiej, itp.);

  • Smart Factory (wykrywanie wycieków cieczy, ulatnianie się niebezpiecznych gazów, wysyłanie pomiarów z różnych urządzeń, kontrola otwarcia drzwi/okien, itp.);

  • Smart Home (śledzenie psa na spacerze, kontrola czy nie ulatnia się nam np. czad, kontrola otwarcia drzwi, okien, bramy garażowej, itp.). 

Budowa sieci LoRaWAN

Typowa sieć LoRaWAN składa się z czterech najważniejszych elementów:

  • urządzeń końcowych (end devices);

  • bramek (gateways);

  • serwerów sieciowych (LNS - LoRaWAN Network Server);

  • serwerów aplikacyjnych (application servers).

 

Jak dokładniej działa taka sieć?

Załóżmy, że posiadamy urządzenia końcowe z możliwością pracy w sieci LoRaWAN, z których chcemy zbierać dane, a następnie odbierać i odczytywać je w wygodny sposób w Internecie. 

Same w sobie urządzenia końcowe nie mają dostępu do Internetu, dlatego potrzebna jest nam bramka. Bramka jest „mostem”, który przekazuje informacje z urządzeń końcowych na serwer i z serwera do urządzeń końcowych. Jest to możliwe dlatego, że bramka posiada zarówno połączenie z Internetem jak i możliwość komunikacji za pomocą technologii LoRa. Jednakże otrzymane przez nas dane są zakodowane w formacie opisanym przez producenta konkretnego urządzenia (najczęściej

w kodzie heksadecymalnym).

Dlatego w ostatnim etapie przekazujemy informacje z serwera sieciowego do serwera aplikacyjnego, gdzie po zdekodowaniu informacji możemy je odczytać w przejrzysty sposób oraz łatwo nimi zarządzać. 

schemat_działania_LoRa_1.png

LoRaWAN w porównaniu
z innymi rozwiązaniami

Trójkąt LoRaWAN.png

Idealna sieć posiadałaby zalety wszystkich wyżej wspomnianych parametrów, jednakże taka sieć nie istnieje. Możemy wybrać maksymalnie dwa z powyższych parametrów. Jak to prezentuje się dla LoRaWAN i jak dla konkurencyjnych rozwiązań? Weźmy pod lupę najpopularniejsze obecnie sieci do komunikacji bezprzewodowej:

 

  • Wi-Fi (wysoka przepustowość, niewielki zasięg, ale bardzo duże pokrycie zasięgiem);

  • Bluetooth (wysoka przepustowość, niewielki zasięg);

  • Bluetooth Low Energy (niewielkie zużycie energii, niewielki zasięg);

  • GSM (wysoka przepustowość, daleki zasięg);

  • LTE Cat.M (niewielkie zużycie energii, daleki zasięg);

  • NB-IoT (niewielkie zużycie energii, daleki zasięg);

  • Sigfox (niewielkie zużycie energii, daleki zasięg);

  • LoRaWAN (niewielkie zużycie energii, daleki zasięg).

 

Spośród technologii do komunikacji bezprzewodowej dla takich samych zastosowań jak LoRaWAN możemy wyróżnić LTE Cat.M, NB-IoT oraz Sigfox. Wszystkie z nich charakteryzują się też jedną dodatkową wspólną cechą, której nie posiada LoRaWAN,

a mianowicie – konieczność ponoszenia comiesięcznych opłat związanych z utrzymaniem sieci. Jeśli więc chcemy zbudować sieć dalekiego zasięgu i z wysoką energooszczędnością, w której nie chcemy ponosić kosztów co miesiąc – jedynym rozwiązaniem jest LoRaWAN.

Kiedy warto zdecydować się na LoRaWAN?

Na wybór sieci LoRaWAN warto zdecydować się w momencie, gdy potrzebujemy sposobu komunikacji, który: 

 

  • zapewnia daleki i stabilny zasięg;

  • zapewnia wysoką odporność na zakłócenia;

  • umożliwia długi czas pracy urządzeń końcowych na pojedynczych ogniwach baterii;

  • nie wymaga przesyłania dużej ilości danych;

  • nie wymaga częstego wysyłania danych;

  • akceptuje niewielkie opóźnienia w przesyłaniu i odbieraniu danych;

  • może zbierać dane z dziesiątek/setek/tysięcy czujników niemalże jednocześnie;

  • umożliwi nam budowę własnej sieci z niezależną infrastrukturą.

 

Szanse i wyzwania płynące z korzystania z LoRaWAN: 

Szanse

Możliwość budowy całkowicie własnej infrastruktury sieci 

Szanse

Daleki zasięg komunikacji i pokrycie terenu według własnych potrzeb

Szanse

Nielicencjonowane pasmo umożliwiające darmowe korzystanie z sieci 

Szanse

Wysoka energooszczędność pozwalająca urządzeniom pracować lata na jednym ogniwie bateryjnym 

Szanse

Szeroka gama dostępnych urządzeń, czujników i mierników

Adeunis_Field_Test_Device.png

Adeunis Field Test Device służący do pomiaru pokrycia siecią LoRaWAN. Więcej informacji o urządzeniu pod linkiem>>

Wyzwania

Wymaga znajomości norm i ograniczeń, do których należy się dostosować 

Wyzwania

Wymagane jest zrozumienie działania sieci, aby optymalnie zarządzać energią urządzeń końcowych 

Wyzwania

Dość wąski zakres korzystania z sieci - głównie zbieranie danych pomiarowych; nie nadaje się do przysłania większych ilości danych i zarządzania urządzeniami w czasie rzeczywistym

Wyzwania

Należy dokładnie zbadać pokrycie zasięgiem czy przy zmianie warunków atmosferycznych lub środowiskowych nie wystąpią „dziury” w zasięgu 

Wyzwania

Jeśli wystąpią problemy z siecią potrzebujemy szukać rozwiązania we własnym zakresie, które może polegać na zagęszczeniu liczby gateway przy jednoczesnym obniżeniu ich mocy lub przeciwnie, zastosowaniu anten dla zwiększenia mocy czy nawet anten kierunkowych.

Porównajmy LoRaWAN do konkurencyjnych rozwiązań oferowanych na rynku. Wybierając technologię do komunikacji bezprzewodowej, należy przede wszystkim zwrócić uwagę na trzy parametry: 

 

  • zasięg komunikacji;

  • przepustowość, z jaką potrzebujemy pracować;

  • energooszczędność jaką chcielibyśmy osiągnąć.

 

Żeby lepiej to zobrazować można rozrysować sobie trójkąt, na którego wierzchołkach umieścimy wyżej wspomniane parametry: 

Ograniczenia techniczne

Korzystając z protokołu LoRaWAN jesteśmy zobowiązani przestrzegać norm i regulacji dotyczących tego pasma częstotliwości. Najważniejszą informacją jest tutaj ograniczenie godzinowego czasu nadawania przez każde z urządzeń. Każde pojedyncze urządzenie może nadawać informacje przez nie więcej niż 1% czasu godzinowego (36 sekund na każdą godzinę)

i z mocą anteny nie większą niż 25mW (14dBm). 36 sekund wydaje się być niewielką ilością czasu i może sprawiać wrażenie, że będzie to sprawiać nam duży dyskomfort, jednakże jeśli przyjrzymy się czasom transmisji pojedynczej informacji z urządzenia – dość szybko przekonamy się, że jest to aż nadmiarowa ilość czasu dla większości aplikacji.

Zanim jednak przejdziemy do praktycznego przykładu, warto zapoznać się z kilkoma podstawowymi pojęciami z jakimi na co dzień będziemy spotykać się w świecie LoRaWAN: 

Parametry Spreading Factor (SF) oraz Data Rate (DR) są ze sobą ściśle powiązane i mówią nam z jaką prędkością i na jaki dystans urządzenie jest w stanie się komunikować. Adaptive Data Rate (ADR) to funkcja, która automatycznie dobiera optymalną wartość współczynnika Spreading Factor na podstawie panujących warunków środowiskowych.

 

Przykład w poniższej tabeli:

LoRaWAN tabela Spreading Factor.png

Jak możemy zauważyć – dla współczynnika Spreading Factor 7 nasza maksymalna prędkość przesyłania danych wynosi 5470 bps (bit per second), czyli około 680 B/s. Przybliżony dystans na jaki urządzenie będzie w stanie wysłać wiadomość o wielkości 11 bajtów to około 2km, a wysłanie tej wiadomości zajmie w przybliżeniu 60 ms. 

 

Rozpatrzmy też drugi skrajny przypadek – dla współczynnika Spreading Factor 10 nasza maksymalna prędkość przesyłania danych wynosi 980 bps (bit per second), czyli około 120 B/s. Przybliżony dystans na jaki urządzenie będzie w stanie wysłać wiadomość o wielkości 11 bajtów to około 8km, a wysłanie tej wiadomości zajmie w przybliżeniu 370 ms. 

 

Teraz sprawdźmy jak to się odnosi do naszego ograniczenia 36 sekund: Jeśli będziemy wysyłać wiadomości przedstawione w przypadku opisanym dla SF7, będziemy mogli ich nadać aż 600 w ciągu godziny! Oznacza to, że w każdej minucie moglibyśmy wysłać aż 10 pomiarów, żeby zmieścić się obowiązujących nas normach.

W przypadku korzystania z SF10 będziemy mogli nadać około 10 wiadomości w ciągu godziny.

Jednakże w rzeczywistości, gdy decydujemy się korzystać z LoRaWAN i w miarę sensownie zarządzać energią urządzeń końcowych – nie warto transmitować wiadomości ze zbyt dużą częstotliwością szczególnie, że zazwyczaj dane zbierane z czujników to dane pomiarowe typu pomiar temperatury, gdzie rzadko kiedy potrzebujemy aktualizować dane co kilka sekund (kilka pomiarów na godzinę w większości przypadków absolutnie wystarczy) innym przykładem aplikacji może być czujnik parkingowy lub wyciek płynów czy gazów, w których informacja zostanie wysłana jedynie w momencie „uaktywnienia” konkretnego zdarzenia (np. zaobserwowano wyciek lub samochód zajął/zwolnił miejsce parkingowe). Tu też trudno wyobrazić sobie sytuację, gdzie potrzebowalibyśmy aktualizować te dane co kilka sekund – raczej wystarczy to wykonywać maksymalnie kilka-kilkanaście razy na godzinę (w takim przypadku 10 wiadomości na godzinę rzeczywiście mogłoby nie wystarczyć, ale zagęszczając teren bramkami – czyli zmniejszając odległość bramki od urządzenia końcowego – umożliwiamy urządzeniu pracę z lepszym współczynnikiem SF pozwalającym wysłać więcej wiadomości).

Komunikacja dwustronna

Komunikacja w sieci LoRaWAN jest komunikacją dwustronną. Oznacza to, że możemy nie tylko wysyłać dane z czujników na serwer, ale także wysyłać polecenia lub konfigurację do czujników z poziomu serwera. W tym przypadku sprawa nie jest aż tak prosta, gdyż w przypadku gdy urządzenie pracuje w klasie A lub B, nie będzie ono w stanie odebrać wiadomości w dowolnym momencie – jedynie klasa C urządzenia pozwala na taką możliwość. 

 

O co więc chodzi z poszczególnymi klasami pracy urządzeń?

Klasa A

Urządzenie jest w ciągłym uśpieniu. Wybudza się tylko

w ściśle określonych momentach (np. co określony czas lub

w przypadku wystąpienia konkretnego wydarzenia), wysyła wiadomość do serwera i dopiero wtedy sprawdza czy nie pojawiła się jakaś wiadomość z serwera po czym znowu przechodzi w stan uśpienia

Klasa B

Urządzenie pracuje tak jak w klasie A, jednakże ma także możliwość otwarcia okien czasowych,

w których urządzenie może nadawać i odbierać wiadomości. Dzięki takiemu rozwiązaniu nadal możemy zachować przyzwoitą energooszczędność urządzenia,

a także mieć większą kontrolę nad dostarczaniem informacji

z serwera do urządzenia 

Klasa C

Urządzenie pozostaje w ciągłym nasłuchu (nie przechodzi w stan uśpienia). Jedynie na czas wysyłania wiadomości nasłuch zostaje wyłączony. Tego rozwiązania nie rekomenduje się dla urządzeń zasilanych bateryjnie 

Wiadomości z potwierdzeniem i bez potwierdzenia

W komunikacji LoRaWAN jedną z ważniejszych cech jest energooszczędność. Powinniśmy więc móc świadomie określić sposób pracy urządzenia, tak aby w zależności od naszych potrzeb zarządzanie energią zawsze było jak najefektywniejsze. 

Pewnie zastanawiacie się w jaki sposób potwierdzanie lub niepotwierdzanie odbioru/wysłania wiadomości może mieć wpływ na zarządzanie energią? Otóż działa to na poniższej zasadzie: w warunkach pracy wysyłania bez potwierdzenia urządzenie wysyła wiadomość i odgórnie zakłada, że dotarła ona do odbiorcy (choć wcale nie musi się tak stać). Dzięki temu wybudza się tylko na ułamek sekundy, w którym nadaje wiadomość i przechodzi w stan uśpienia. 

W warunkach pracy wysyłania z potwierdzeniem urządzenie wysyła wiadomość i czeka aż odbiorca wyśle informację zwrotną, że odebrał wiadomość. W ten sposób urządzenie oczekując na potwierdzenie, pozostaje dłużej w stanie wybudzenia i zużywa więcej energii. Dopiero po potwierdzeniu odbioru przechodzi w tryb uśpienia. 

Kiedy warto stosować wiadomości z potwierdzeniem, a kiedy bez potwierdzenia? 

Zależy to tylko i wyłącznie od użytkownika aplikacji. Jeśli konkretne dane są dla niego na tyle istotne, że nie może pozwolić sobie na ich utratę, wtedy lepiej skorzystać z wiadomości z potwierdzeniem lecz jeśli nie przeszkadza nam utrata pojedynczych informacji lub nie jest to dla nas aż tak istotne – wtedy lepszym rozwiązaniem będzie wysyłanie wiadomości bez potwierdzenia.

Klucze szyfrujące, numery identyfikacyjne 

Bezpieczeństwo w sieci LoRaWAN zapewnione jest na dwóch warstwach – sieci oraz aplikacji. Bezpieczeństwo w warstwie sieci pozwala nam potwierdzić, że urządzenie, z którym się komunikujemy jest rzeczywiście tym, za które się podaje, natomiast bezpieczeństwo w warstwie aplikacji sprawia, że operator sieci nie ma dostępu do naszych danych. Obie warstwy są szyfrowane 128-bitowym kluczem AES128.