Страна: Россия
Почтовый индекс: 607224
Область: Нижегородская
Город: Арзамас
Улица: 50 лет ВЛКСМ
Дом: 8-А
Тел./Факс: 8(83147) 2-32-12, 2-32-13, 2-32-14
e-mail: info@tehnomer.ru
Internet: www.tehnomer.ru
ООО Техномер


Особенности применения технологии LoRa для создания локальной сети передачи данных.
29.03.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

«Интернет вещей» (Internet of Things, IoT).  Под этим понятием подразумевается  единая  сеть  физических  объектов, объединенных в локальную сеть , использующих встроенную технологию для измерения собственных характеристик или параметров внешней среды, анализа собираемых данных и передачи полученной информации на другие устройства. Вопрос: как обеспечить надежное объединение этих устройств в сети с возможностью масштабирования без сопутствующего двух- или трехкратного увеличения количества базовых станций GSM-сетей и/или значительного увеличения числа точек доступа? Очевидный ответ: внедрить устойчивые сети связи на основе узлов с увеличенным  радиусом  действия и максимальным временем автономной работы, позволяющие полностью отказаться от применения дополнительных ретрансляторов сигнала.

23 марта 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research объявили о важном достижении в области беспроводных технологий передачи данных, представив новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций. Для ее поддержки, развития и стандартизации был создан альянс LoRa (LoRa Alliance), в состав альянса входят как известные производители электроники (Cisco, IBM, Kerlink, IMST, Semtech, Microchip Technology), так и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom).

Основная задача LoRa Alliance — объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN, чтобы обеспечить возможность операторам связи предоставлять услуги «Интернета вещей» как коммерческим организациям, так и частным лицам. Активное использование стандарта позволит значительно упростить задачу соединения множества устройств — от  беспроводных  датчиков  в приложениях промышленной автомати- зации и системах безопасности до бытовой электроники. На основе нового протокола создано аппаратно-программное решение, включающее программный комплект разработки Mote Runner от IBM - средство разработки инфраструктуры беспроводных сенсорных сетей, представляющее собой открытую платформу для подключения датчиков и исполнительных механизмов к сети. В итоге, с учетом применения облачного сервера от IBM, можно получить доступное решение мониторинга своей сети распределенных датчиков без необходимости использования Wi-Fi-, GSM-, 3G- и WiMAX-устройств.

Аппаратная  реализация  протокола LoRaWAN основана на применении запатентованного компанией Semtech метода модуляции LoRa. Он основан на использовании технологии расширения спектра, при котором данные кодируются широкополосными ЛЧМ ( линейно частотно модулированными) – импульсами с меняющейся частотой. Кроме этого, для повышения надежности передаваемых данных используется процедура упреждающей коррекции ошибок, восстанавливающая искаженные биты данных.  Все это, по заявлениям разработчиков данной технологии, позволило при использовании  диапазона частот 868МГц и разрешенной мощности передатчика 10мВт получить устойчивую связь на расстоянии до 15 км на открытой местности и до 3,5 км – в условиях плотной городской застройки. Цифры по дальности связи , действительно, производят впечатление, однако сравнение данного метода передачи данных с обычными трансиверами, использующими  FSK- модуляцию   показывает, что не все так радужно. На рис.1 приведена диаграмма по дальности и основные технические характеристики для этих двух методов [ 1 ].

 

Анализ приведенных данных показывает, что новый метод, выигрывая в дальности связи, существенно проигрывает в объеме передаваемых данных в единицу времени.  Кстати, это подтверждается и расчетной формулой, приведенной ниже.

Причина этого достаточно очевидна и  подробно описана в [ 2 ]. Так как  для повышения надежности  каждый бит данных сопровождается передачей  дополнительной служебной информации, в результате  объем полезной  информации в пакете передаваемых данных резко уменьшается. В таблице 1 приведено соотношение между коэффициентом модуляции SF  и количеством дополнительных служебных  бит на каждый передаваемый символ.

   Таблица 1     

  

Следует отметить, что наряду с технологией  LoRa ( LPWAN) российским потребителям предлагается и отечественный продукт – технология « Стриж », обладающий примерно аналогичными техническими характеристиками , как по дальности связи, так и символьной скорости передачи информации. Основное отличие данного метода заключается в использовании иного - узкополосного метода передачи, когда ширина  полосы составляет порядка 100 Гц, в отличие от LoRa, где аналогичная полоса может составлять 150 – 500 кГц.       

 Исходя из сказанного выше основной областью применения устройств на базе технологии LoRa  ( а также –«Стриж » ) могут являться охранные системы, автономные датчики и устройства допускового контроля, датчики пожарной и иной сигнализации, у которых  объем передаваемой информации достаточно  мал. В [ 1 ]  - раздел « LoRaWAN Application » производителем оборудования  LoRa  приводятся  возможные области применения  данной технологии :   

При этом продвижение данной технологии в любой из предложенных областей возможны лишь в случае, когда производители конечных приборов ( датчиков, сенсоров и пр.) будут заинтересованы во внедрении модуля связи LoRa в свои устройства – совершенно очевидно, что сенсорам , для выполнения своих основных функций , модуль передачи данных не нужен.  Т.о. продвижение этой технологии будет успешным только в случае, когда  предлагается конкретный проект, в котором именно данная технология будет наиболее привлекательна, проект, в котором поставщик LoRa будет готов выступить в роли системного интегратора, а также в успешном продвижении данного проекта будет  заинтересован   конечный потребитель.

Например, в качестве такого проекта можно было бы предложить оснащение многоквартирных жилых домов квартирными теплосчетчиками,- тема, которая всеми, имеющими отношение к сфере ЖКХ, признается  крайне перспективной , однако реализация которой с использованием стандартных теплосчетчиков , в силу их стоимостных характеристик, абсолютно экономически нереализуема . Если для оснащения стандартной 2-3х комнатной квартиры понадобится от 4 до 6 приборов учета, стоимость каждого из которых порядка 8-10 тыс.руб, становится понятно, что для потребителя  экономия в оплате за полученное тепло никогда не компенсирует затрат на приобретение и установку данных приборы учета.  Если же взамен теплосчетчика  будет использован набор из двух датчиков температуры и крыльчатого расходомера , каждый из которых оснащен модулем LoRa, будет организована некая локальная мини-сеть, где приборы, обмениваясь друг с другом, передают информацию на некий общий концентратор и далее – на сервер поставщика услуг. При таком подходе будут использованы наиболее сильные стороны  новой технологии передачи данных - автономные приборы с батарейным питанием, малый объем информации, передаваемой каждым прибором, большая дальность  и высокая помехозащищенность передаваемой информации и, очень важно,- низкая стоимость компонентов системы в целом. Очевидно, примеры подобных подходов можно привести  и еще.         

Однако, в силу того, что до настоящего времени  целостные, законченные проекты с использованием LoRa  должным образом  не озвучены, поставщики  оборудования  LoRa  зачастую предлагают использовать данную технологию, по аналогии с другими средствами связи, для передачи на большое расстояние пакетов данных,- т.е. именно там, где слабые стороны этой новой технологии наиболее очевидны. 

Так, если в дальнейшем предполагается необходимость в передаче данных от конечных устройств далее, на удаленный сервер пользователя,  с необходимостью появляются устройства-шлюзы для подключения к глобальной сети Интернет. Шлюзы имеют встроенный LoRa – радиоканал для связи с объектами , а передача данных на сервер осуществляется посредством GPRS- связи [ 3 ] :

Информация при этом попадает на облачный сервер IBM и далее, используя соответствующее лицензионное программное обеспечение, попадает к потребителю.  Но в такой схеме все положительные стороны нового метода обесцениваются : при наличии развитой сети  конечных LoRa –устройств понадобиться  устанавливать большое количество шлюзов , в черте города – по несколько шлюзов в радиусе не более 3 км. Данный шлюз одновременно может получать информацию от ограниченного числа устройств ( не более 10) и может обслуживать , как правило, порядка 49 независимых устройств [ 4 ]. Нетрудно оценить необходимое количество подобных шлюзов при количестве независимых устройств порядка 1-2 тыс, расположенных в радиусе 20-30 км. Следует также отметить, что в этом случае уже нельзя будет говорить о передаче /получении данных от устройств в режиме реального времени. Таким образом, как только появляется необходимость подключения к сети Интернет с передачей большого объема данных, технология LoRa не имеет каких-либо  преимуществ по отношению к устройствам, имеющим стандартный GPRS- канал передачи данных, тем более, что в последнем случае нет никаких ограничений на скорость и объем передаваемой информации.

Например, попытка использовать данную технологию передачи данных применительно к промышленным счетчикам газа, оснащенным электронным корректором объема газа по сути сразу обречена на провал – суточный объем архивных данных, формируемый корректором , может достигать порядка 1 МБайт – передача такого объема данных может занять час и более, не говоря о ускоренном разряде батарей трансивера.  Аналогичные проблемы  возникают при попытке использовать данный радиоканал для считывания данных с современных  счетчиков электрической энергии. Так, только одно перечисление параметров, измеряемых и архивируемых  многотарифным  электросчетчиком  « Меркурий 230 »     [ 5 ] составляет страницу печатного текста , следовательно и объем передаваемых данных будет очень и очень немалым.

Выводы.

  1. Технология передачи данных LoRa ( Стриж ) позволяет создавать помехозащищенные локальные сети передачи данных на относительно большие расстояния.
  2. Низкая символьная скорость передачи предполагает малый объем данных в передаваемом пакете , что делает нецелесообразным применение данного метода применительно к устройствам с большим объемом передаваемой информации.
  3. Расширение площади зоны покрытия LoRa опережающими темпами  является непременным условием успешного продвижения данной технологии.
  4. Наибольший эффект от применения данного метода передачи данных следует ожидать не от внедрения отдельных, разрозненных датчиков, но от построения автономных распределенных систем измерения, сбора и передачи информации.  

Литература.

  1. IMST GmbH – Information, Mobile and Satellite Communication Techniques.
  2. WiMOD iM880A Datasheet , Wireless Solution, v1.1
  3. KERLINK – LoRa IoT Station . Шлюз LoRa  для IoT сети.
  4. IMST GmbH WiMOD iC880A  Datasheet, ID 4100/40140/0074
  5. Счетчик электрической энергии статический трехфазный « МЕРКУТИЙ 230» Руководство по эксплуатации АВЛГ.411152.030 РЭ

Особенности применения технологии LoRa для создания локальной сети передачи данных.

Сумма балов: 1
Количество проголосовавших: 1
29.03.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

«Интернет вещей» (Internet of Things, IoT).  Под этим понятием подразумевается  единая  сеть  физических  объектов, объединенных в локальную сеть , использующих встроенную технологию для измерения собственных характеристик или параметров внешней среды, анализа собираемых данных и передачи полученной информации на другие устройства. Вопрос: как обеспечить надежное объединение этих устройств в сети с возможностью масштабирования без сопутствующего двух- или трехкратного увеличения количества базовых станций GSM-сетей и/или значительного увеличения числа точек доступа? Очевидный ответ: внедрить устойчивые сети связи на основе узлов с увеличенным  радиусом  действия и максимальным временем автономной работы, позволяющие полностью отказаться от применения дополнительных ретрансляторов сигнала.

23 марта 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research объявили о важном достижении в области беспроводных технологий передачи данных, представив новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций. Для ее поддержки, развития и стандартизации был создан альянс LoRa (LoRa Alliance), в состав альянса входят как известные производители электроники (Cisco, IBM, Kerlink, IMST, Semtech, Microchip Technology), так и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom).

Основная задача LoRa Alliance — объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN, чтобы обеспечить возможность операторам связи предоставлять услуги «Интернета вещей» как коммерческим организациям, так и частным лицам. Активное использование стандарта позволит значительно упростить задачу соединения множества устройств — от  беспроводных  датчиков  в приложениях промышленной автомати- зации и системах безопасности до бытовой электроники. На основе нового протокола создано аппаратно-программное решение, включающее программный комплект разработки Mote Runner от IBM - средство разработки инфраструктуры беспроводных сенсорных сетей, представляющее собой открытую платформу для подключения датчиков и исполнительных механизмов к сети. В итоге, с учетом применения облачного сервера от IBM, можно получить доступное решение мониторинга своей сети распределенных датчиков без необходимости использования Wi-Fi-, GSM-, 3G- и WiMAX-устройств.

Аппаратная  реализация  протокола LoRaWAN основана на применении запатентованного компанией Semtech метода модуляции LoRa. Он основан на использовании технологии расширения спектра, при котором данные кодируются широкополосными ЛЧМ ( линейно частотно модулированными) – импульсами с меняющейся частотой. Кроме этого, для повышения надежности передаваемых данных используется процедура упреждающей коррекции ошибок, восстанавливающая искаженные биты данных.  Все это, по заявлениям разработчиков данной технологии, позволило при использовании  диапазона частот 868МГц и разрешенной мощности передатчика 10мВт получить устойчивую связь на расстоянии до 15 км на открытой местности и до 3,5 км – в условиях плотной городской застройки. Цифры по дальности связи , действительно, производят впечатление, однако сравнение данного метода передачи данных с обычными трансиверами, использующими  FSK- модуляцию   показывает, что не все так радужно. На рис.1 приведена диаграмма по дальности и основные технические характеристики для этих двух методов [ 1 ].

 

Анализ приведенных данных показывает, что новый метод, выигрывая в дальности связи, существенно проигрывает в объеме передаваемых данных в единицу времени.  Кстати, это подтверждается и расчетной формулой, приведенной ниже.

Причина этого достаточно очевидна и  подробно описана в [ 2 ]. Так как  для повышения надежности  каждый бит данных сопровождается передачей  дополнительной служебной информации, в результате  объем полезной  информации в пакете передаваемых данных резко уменьшается. В таблице 1 приведено соотношение между коэффициентом модуляции SF  и количеством дополнительных служебных  бит на каждый передаваемый символ.

   Таблица 1     

  

Следует отметить, что наряду с технологией  LoRa ( LPWAN) российским потребителям предлагается и отечественный продукт – технология « Стриж », обладающий примерно аналогичными техническими характеристиками , как по дальности связи, так и символьной скорости передачи информации. Основное отличие данного метода заключается в использовании иного - узкополосного метода передачи, когда ширина  полосы составляет порядка 100 Гц, в отличие от LoRa, где аналогичная полоса может составлять 150 – 500 кГц.       

 Исходя из сказанного выше основной областью применения устройств на базе технологии LoRa  ( а также –«Стриж » ) могут являться охранные системы, автономные датчики и устройства допускового контроля, датчики пожарной и иной сигнализации, у которых  объем передаваемой информации достаточно  мал. В [ 1 ]  - раздел « LoRaWAN Application » производителем оборудования  LoRa  приводятся  возможные области применения  данной технологии :   

При этом продвижение данной технологии в любой из предложенных областей возможны лишь в случае, когда производители конечных приборов ( датчиков, сенсоров и пр.) будут заинтересованы во внедрении модуля связи LoRa в свои устройства – совершенно очевидно, что сенсорам , для выполнения своих основных функций , модуль передачи данных не нужен.  Т.о. продвижение этой технологии будет успешным только в случае, когда  предлагается конкретный проект, в котором именно данная технология будет наиболее привлекательна, проект, в котором поставщик LoRa будет готов выступить в роли системного интегратора, а также в успешном продвижении данного проекта будет  заинтересован   конечный потребитель.

Например, в качестве такого проекта можно было бы предложить оснащение многоквартирных жилых домов квартирными теплосчетчиками,- тема, которая всеми, имеющими отношение к сфере ЖКХ, признается  крайне перспективной , однако реализация которой с использованием стандартных теплосчетчиков , в силу их стоимостных характеристик, абсолютно экономически нереализуема . Если для оснащения стандартной 2-3х комнатной квартиры понадобится от 4 до 6 приборов учета, стоимость каждого из которых порядка 8-10 тыс.руб, становится понятно, что для потребителя  экономия в оплате за полученное тепло никогда не компенсирует затрат на приобретение и установку данных приборы учета.  Если же взамен теплосчетчика  будет использован набор из двух датчиков температуры и крыльчатого расходомера , каждый из которых оснащен модулем LoRa, будет организована некая локальная мини-сеть, где приборы, обмениваясь друг с другом, передают информацию на некий общий концентратор и далее – на сервер поставщика услуг. При таком подходе будут использованы наиболее сильные стороны  новой технологии передачи данных - автономные приборы с батарейным питанием, малый объем информации, передаваемой каждым прибором, большая дальность  и высокая помехозащищенность передаваемой информации и, очень важно,- низкая стоимость компонентов системы в целом. Очевидно, примеры подобных подходов можно привести  и еще.         

Однако, в силу того, что до настоящего времени  целостные, законченные проекты с использованием LoRa  должным образом  не озвучены, поставщики  оборудования  LoRa  зачастую предлагают использовать данную технологию, по аналогии с другими средствами связи, для передачи на большое расстояние пакетов данных,- т.е. именно там, где слабые стороны этой новой технологии наиболее очевидны. 

Так, если в дальнейшем предполагается необходимость в передаче данных от конечных устройств далее, на удаленный сервер пользователя,  с необходимостью появляются устройства-шлюзы для подключения к глобальной сети Интернет. Шлюзы имеют встроенный LoRa – радиоканал для связи с объектами , а передача данных на сервер осуществляется посредством GPRS- связи [ 3 ] :

Информация при этом попадает на облачный сервер IBM и далее, используя соответствующее лицензионное программное обеспечение, попадает к потребителю.  Но в такой схеме все положительные стороны нового метода обесцениваются : при наличии развитой сети  конечных LoRa –устройств понадобиться  устанавливать большое количество шлюзов , в черте города – по несколько шлюзов в радиусе не более 3 км. Данный шлюз одновременно может получать информацию от ограниченного числа устройств ( не более 10) и может обслуживать , как правило, порядка 49 независимых устройств [ 4 ]. Нетрудно оценить необходимое количество подобных шлюзов при количестве независимых устройств порядка 1-2 тыс, расположенных в радиусе 20-30 км. Следует также отметить, что в этом случае уже нельзя будет говорить о передаче /получении данных от устройств в режиме реального времени. Таким образом, как только появляется необходимость подключения к сети Интернет с передачей большого объема данных, технология LoRa не имеет каких-либо  преимуществ по отношению к устройствам, имеющим стандартный GPRS- канал передачи данных, тем более, что в последнем случае нет никаких ограничений на скорость и объем передаваемой информации.

Например, попытка использовать данную технологию передачи данных применительно к промышленным счетчикам газа, оснащенным электронным корректором объема газа по сути сразу обречена на провал – суточный объем архивных данных, формируемый корректором , может достигать порядка 1 МБайт – передача такого объема данных может занять час и более, не говоря о ускоренном разряде батарей трансивера.  Аналогичные проблемы  возникают при попытке использовать данный радиоканал для считывания данных с современных  счетчиков электрической энергии. Так, только одно перечисление параметров, измеряемых и архивируемых  многотарифным  электросчетчиком  « Меркурий 230 »     [ 5 ] составляет страницу печатного текста , следовательно и объем передаваемых данных будет очень и очень немалым.

Выводы.

  1. Технология передачи данных LoRa ( Стриж ) позволяет создавать помехозащищенные локальные сети передачи данных на относительно большие расстояния.
  2. Низкая символьная скорость передачи предполагает малый объем данных в передаваемом пакете , что делает нецелесообразным применение данного метода применительно к устройствам с большим объемом передаваемой информации.
  3. Расширение площади зоны покрытия LoRa опережающими темпами  является непременным условием успешного продвижения данной технологии.
  4. Наибольший эффект от применения данного метода передачи данных следует ожидать не от внедрения отдельных, разрозненных датчиков, но от построения автономных распределенных систем измерения, сбора и передачи информации.  

Литература.

  1. IMST GmbH – Information, Mobile and Satellite Communication Techniques.
  2. WiMOD iM880A Datasheet , Wireless Solution, v1.1
  3. KERLINK – LoRa IoT Station . Шлюз LoRa  для IoT сети.
  4. IMST GmbH WiMOD iC880A  Datasheet, ID 4100/40140/0074
  5. Счетчик электрической энергии статический трехфазный « МЕРКУТИЙ 230» Руководство по эксплуатации АВЛГ.411152.030 РЭ




Все статьи :: Назад

Проголосуйте за статью

-1      +1

Обсуждение статьи



Новое сообщение










Для оформления можно использовать bb-коды


Введите текст на картинке
обновить текст