LoRaWAN 1.1 - nadchodzi

Rys. 1

LoRaWAN to protokół sterowania dostępem do medium transmisyjnego (medium access control layer, podwarstwa warstwy łącza danych wg modelu OSI) opracowany i zarządzany przez LoRa Alliance, stowarzyszenie non-profit powołane przez producentów z branży IoT. W warstwie fizycznej implementuje standard LoRa, oparty na technologii rozpraszania widma CSS (chirp spread spectrum). Transmisja radiowa odbywa się w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości - 868 MHz w Europie oraz 915 MHz w Ameryce Północnej.

LoRaWAN to sieć typu LPWAN (Low Power Wide Area Network) oparta na architekturze gwiazdy. Podstawowym elementem infrastruktury tej sieci jest brama (gateway). Bezprzewodowo komunikuje się z węzłami końcowymi sieci, czyli np. modułami IoT. Z drugiej strony, za pomocą bardziej standardowych protokołów (m.in. Ethernet, Wi-Fi lub 3G) łączy się z serwerami sieciowymi (chmurami). Ogólny schemat sieci przedstawiono na rysunku 1.

Dla węzłów końcowych bramki są przezroczyste - przekazują jedynie wiadomość pomiędzy urządzeniami a centralnym serwerem. Komunikacja pomiędzy węzłami a bramkami jest dwukierunkowa, możliwe jest jednak również wysyłanie wiadomości w trybie multicast, czyli do wielu odbiorców jednocześnie. Bezpieczeństwo danych gwarantuje szyfrowanie transmisji 128-bitowym kluczem AES128.

Rys. 2

Architektura sieci LoRaWAN przypomina pod wieloma względami telefoniczne sieci komórkowe, które również oparte są na siatce rozmieszczonych na stałe w terenie stacji bazowych. Inaczej niż w przypadku GSM, moduły LoRaWAN nie nawiązują jednak połączenia z jedną wybraną stacją bazową. Nadawany przez urządzenie końcowe sygnał trafia do wszystkich stacji w zasięgu transmisji i jest przez nie przetwarzany (rys. 2).

Zwiększa to odporność sieci na błędy i awarie spowodowane uszkodzeniem pojedynczego elementu infrastruktury. Eliminację zduplikowanych pakietów wykonuje dopiero serwer sieciowy. Serwer, oprócz filtracji pakietów, zajmuje się również m.in. ustalaniem prędkości transmisji, kontrolą bezpieczeństwa oraz wyborem optymalnych bram do realizacji transmisji "w dół" (down-link).

Jedną z zalet LoRaWAN jest duży zasięg stacji bazowej - od ok. 15 km w terenach niezabudowanych do 2-5 km w terenach silnie zurbanizowanych. Jedna stacja bazowa może ponadto obsługiwać do 20 tysięcy urządzeń końcowych. Prędkość transmisji danych w sieci może być regulowana w zakresie od 0,3 do 50 kbps, w zależności od dostępności medium komunikacyjnego.

W nowej wersji specyfikacji LoRaWAN (oznaczonej jako 1.1) wprowadzono trzy duże zmiany: wsparcie dla przełączania połączeń pomiędzy sieciami (tzw. handover roaming), możliwość geolokalizacji modułów oraz nową klasę węzłów końcowych (klasa B).

Roaming

Rys. 3

Specyfikacja LoRaWAN 1.1 wprowadza nową możliwość obsługi roamingu - poprzez tzw. przełączanie połączeń pomiędzy sieciami (handover roaming) jako alternatywę dla stosowanego dotychczas roamingu pasywnego.

Termin roaming kojarzy się zapewne głównie z korzystaniem z telefonu komórkowego poza granicami kraju. W przypadku LoRaWAN określenie to odnosi się do nieco podobnej sytuacji. Węzły końcowe sieci, tak jak karty SIM telefonów komórkowych, przypisane są do jakiejś sieci macierzystej. Jeśli znajdą się (np. wskutek przemieszczania) poza zasięgiem tej sieci, będąc jednocześnie w zasięgu innej (obcej) sieci LoRaWAN, chcąc nawiązać połączenie, będą musiały skorzystać z infrastruktury tej nowej sieci, czyli skorzystać z roamingu.

Dotychczasowa specyfikacja LoRaWAN umożliwiała jedynie roaming pasywny. W przypadku takiego rozwiązania kontrolę nad urządzeniem końcowym wciąż sprawuje serwer sieci macierzystej i to do niego musi być przekierowywana komunikacja z urządzeniem (rys. 3).

Handover, czyli przełączenie połączenia, polega na przekazaniu zarządzania urządzeniem końcowym w całości do obcej sieci. Rolę serwera sieci macierzystej przejmuje serwer sieci obcej, co znacznie przyspiesza i upraszcza proces komunikacji - nie ma już konieczności ciągłej wymiany pakietów pomiędzy dwoma serwerami (rys. 4).

Lokalizacja modułów

Rys. 4

Wprowadzając możliwość geolokalizacji modułów, wykorzystano fakt, że w sieci LoRaWAN sygnał nadawany przez węzeł końcowy odbierany i przetwarzany jest przez wszystkie stacje bazowe w zasięgu. Do nadawanej przez moduły ramki dodano znacznik czasowy.

Stacje bazowe, podobnie jak np. odbiorniki systemów nawigacji satelitarnej, mogą obliczyć różnicę pomiędzy czasem nadania a czasem odbioru ramki. Na tej podstawie, korzystając z odczytów z czterech stacji bazowych (mających zsynchronizowane zegary) serwer może precyzyjnie określić położenie modułu.

Klasy urządzeń końcowych

Węzły sieci LoRaWAN mogą należeć do jednej z trzech klas urządzeń, w zależności od ich zastosowania. Urządzenia różnych klas charakteryzują się odmienną wielkością okna czasowego, podczas którego są w stanie odebrać komunikat od stacji bazowej (nasłuchują transmisji). Wydłużenie czasu nasłuchiwania transmisji zmniejsza opóźnienie, z jakim można skontaktować się z modułem, zwiększa jednak zapotrzebowanie na energię elektryczną, przez co skraca czas pracy podczas korzystania z zasilania bateryjnego.

Komunikacja w górę (od węzłów do stacji bazowej) inicjowana jest w każdym przypadku (niezależnie od klasy węzła) przez urządzenia końcowe, w zależności od ich potrzeb.

Klasa A - dwukierunkowe urządzenia końcowe

Urządzenia klasy A charakteryzują się największą energooszczędnością kosztem najniższej dostępności. Są zdolne do odbioru jedynie bezpośrednio po zakończeniu własnej transmisji, gdyż tylko wtedy nasłuchują w kanale transmisyjnym. Do klasy tej przypisuje się moduły, których głównym zadaniem jest przesyłanie informacji do serwera (komunikacja "w górę" - uplink), zaś potrzeba komunikacji zwrotnej występuje raczej incydentalnie i nie musi być realizowana z zachowaniem ścisłych reżimów czasowych. Przykładami modułów tej klasy mogą być różnego typu czujniki.

Klasa B - dwukierunkowe urządzenia końcowe z dodatkowymi oknami odbiorczymi w zaplanowanym czasie

Klasa B została wprowadzona w nowej wersji specyfikacji. Urządzenia tej klasy, tak jak w przypadku klasy A, są zdolne do odbioru bezpośrednio po zakończeniu własnej transmisji, do tego otwierają również dodatkowe okna odbiorcze w zaplanowanym wcześniej czasie. Aby stacja bazowa mogła skomunikować się z modułem podczas tego dodatkowego okna, konieczna jest synchronizacja czasowa pomiędzy urządzeniami.

W tym celu stacja bazowa przesyła ramkę synchronizacyjną. Klasa B stanowi rozszerzenie możliwości klasy A, umożliwiając lepsze dopasowanie przebiegu komunikacji do potrzeb urządzenia przy zachowaniu wysokiej energooszczędności.

Klasa C - dwukierunkowe urządzenia końcowe z oknem odbiorczym maksymalnej długości

Urządzenia klasy C są zdolne do odbioru sygnału prawie przez cały czas, z wyjątkiem momentów, w których same transmitują. Wiąże się to z najwyższym poborem energii elektrycznej, pozwala jednak na natychmiastową dwustronną komunikację, bez żadnych dodatkowych opóźnień.

Dostępność LoRaWAN w Polsce

Rys. 5

Pierwsza publiczna sieć LoRaWAN została uruchomiona w Polsce w 2016 roku we Wrocławiu. LoRaWAN nie zdobył jeszcze w naszym kraju znaczącej popularności, stacje bazowe pracujące w tym standardzie znaleźć można jednak w wielu polskich miastach. Do darmowej i tworzonej przez społeczność użytkowników z całego świata sieci The Things Network należy obecnie około kilkudziesięciu aktywnych bramek na terenie całego kraju (głównie w okolicach Wrocławia, Trójmiasta, Śląska oraz Warszawy) - aktualną mapę dostępności sieci śledzić można na internetowej stronie projektu.

W 2017 roku firma Netemera zapowiedziała uruchomienie pierwszej ogólnokrajowej komercyjnej sieci LoRaWAN. Na początku 2018 roku sieć dostępna była w promieniu ok. 30 km od centrum Warszawy, w najbliższym czasie planowano budowę infrastruktury w 17 innych miastach (Kraków, Łódź, Wrocław, Poznań, Gdańsk, Szczecin, Byd-goszcz, Lublin, Katowice, Białystok, Gdynia, Częstochowa, Radom, Sosno-wiec, Toruń, Kielce, Rzeszów).

Podsumowanie

Standard LoRaWAN wciąż pozostaje na etapie rozwoju - nowa wersja specyfikacji stanowi kolejny krok na tej drodze, zwiększający funkcjonalność tego protokołu. Wzrostowi popularności LoRaWAN (oraz podobnych rozwiązań) sprzyjają takie czynniki jak rosnące zapotrzebowanie na urządzenia IoT w kolejnych gałęziach gospodarki oraz inteligentne systemy rozproszone, przeznaczone zarówno dla przestrzeni publicznych (inteligentne miasta), jak i potrzeb prywatnych (inteligentne domy).

Damian Tomaszewski