11 mitów na temat technologii LoRaWAN

| Technika

Technologia LoRa oraz LoRaWAN cieszą się obecnie coraz większą popularnością, przykuwając uwagę globalnej społeczności. Na początkowym etapie przygody z tym rozwiązaniem wielu konstruktorów oraz użytkowników natknąć się może na sporo sprzecznych oraz nieprawdziwych informacji na ten temat. Tekst podejmuje próbę rozprawienia się z najpowszechniejszymi z nich.

11 mitów na temat technologii LoRaWAN

Standard LoRaWAN stanowi atrakcyjną oraz darmową alternatywę dla rozwiązań komercyjnych, takich jak np. Sigfox. Otwarta formuła sprzyja rozwojowi projektu – na całym świecie wciąż uruchamiane są nowe sieci dostępne do użytku publicznego, powstaje również wiele zamkniętych systemów wykorzystujących technologię LoRa. Poniżej przedstawiono oraz wyjaśniono 11 dość popularnych, lecz całkowicie fałszywych informacji na temat LoRaWAN.

Mit 1: LoRa i LoRaWAN są tym samym

LoRaWAN to standard opisujący zarówno protokół komunikacyjny, jak i architekturę systemu, zaś LoRa określa jedynie warstwę fizyczną tej komunikacji – parametry oraz sposób kodowania sygnału radiowego.

Rozwiązania przyjęte w LoRaWAN mają bezpośredni wpływ m.in. na energooszczędność oraz wydłużenie żywotności modułu (przy założeniu, że zasilany jest bateryjnie), pojemność oraz przepływność sieci, jakość i bezpieczeństwo komunikacji. Technologia LoRa to rodzaj modulacji sygnału zaprojektowany specjalnie na potrzeby LoRaWAN, czyli energooszczędnej komunikacji radiowej dalekiego zasięgu. Wykorzystuje technikę CSS (Chirp Spread Spectrum), polegającą na rozpraszaniu widma transmitowanego sygnału. Uzyskuje się to poprzez zastąpienie sygnału reprezentującego bit danych przez sygnał sinusoidalny o narastającej lub malejącej częstotliwości, czyli właśnie tzw. chirp. Technika ta opracowana została już w latach 40. XX wieku na potrzeby konstrukcji radarów wojskowych. Modulacja CSS pozwala na pełne wykorzystanie dostępnego pasma transmisji, co zwiększa odporność komunikacji na zakłócenia występujące w kanale transmisyjnym, eliminuje kłopoty związane z propagacją wielodrogową oraz efektem Dopplera.

 
Rys. 1. Przykład modulacji CSS o narastającej częstotliwości sygnału

Mit 2: LoRa nie pozwala na transmisję na odległościach powyżej 10 km

 
Rys. 2. Umieszczona we Wrocławiu bramka LoRaWAN, która odebrała sygnał o rekordowym zasięgu

Zasięg osiągany w sieci LoRaWAN, tak jak w przypadku każdej innej transmisji radiowej, zależy od wielu różnych czynników – lokalizacji odbiornika/bramki (na zewnątrz lub w pomieszczeniu), typu anteny, wzajemnego rozmieszczenia anten, pogody czy zakłóceń. Przeciętny zasięg osiągany przez systemy LoRaWAN w środowisku miejskim wynosi ok. 2 do 3 km dla bramek umieszczonych na otwartym powietrzu, podczas gdy w terenie wiejskim wzrasta do wartości pomiędzy 5 a 7 km. W wyjątkowo korzystnych warunkach możliwe jest jednak osiągnięcie znacząco większej wartości – rekordowy dystans pojedynczej zarejestrowanej transmisji wynosi 702 km. Wiadomość została nadana przez układ umieszczony na balonie meteorologicznym wypuszczonym w pobliżu granicy niemiecko-holenderskiej i odebrana przez stację ulokowaną we Wrocławiu. W momencie wysłania wiadomości balon znajdował się na wysokości niemal 40 km.

 
Rys. 3. Mapa z zaznaczonym nadajnikiem oraz odbiornikiem dla transmisji LoRa o rekordowym zasięgu

Zasięg komunikacji w standardzie LoRa zależy od wzajemnej widoczności obu anten, czyli obecności tzw. radiowej LOS (Line Of Sight). Wykorzystywane w systemach LoRaWAN fale radiowe o częstotliwości z przedziału od 400 do 900 MHz są wrażliwe na odbicia oraz rozpraszania na wszelkich obiektach występujących na drodze propagacji. Jednym z czynników ograniczających zasięg transmisji jest zatem horyzont radiowy. Z tego powodu moduły oraz bramki systemu LoRaWAN (a przynajmniej ich anteny) często umieszcza się w jak najwyższym punkcie, np. na dachach budynków.

Mit 3: Nie ma możliwości, aby węzeł LoRaWAN mógł pracować aż 10 lat z wykorzystaniem jednej baterii

Jedną z najbardziej unikatowych cech technologii LoRaWAN jest ogromna energooszczędność, przekładająca się na wydłużenie czasu pracy urządzeń zasilanych bateryjnie. Aby zmaksymalizować ten efekt, urządzenia często projektuje się w taki sposób, aby jak najwięcej czasu spędzały w trybie głębokiego uśpienia, z wyłączonym układem nadawczo-odbiorczym.

Transmisja sygnału LoRa nie wymaga dużej mocy nadawczej, dzięki czemu nawet w trakcie pracy urządzenia pobór energii może być dość niski. Większość modułów komunikacyjnych LoRaWAN podczas transmisji sygnału pobiera prąd zasilania o natężeniu rzędu kilkudziesięciu mA. Pobór prądu podczas pracy odbiornika wynosi zazwyczaj ok. 10 mA. Zgodnie z zapisami standardu maksymalna moc wyjściowa transmitowanego sygnału nie może przekraczać 25 mW, czyli 14 dBm.

Mit 4: LoRaWAN pozwala na wymianę plików i obrazów

Prędkość transmisji w sieci LoRaWAN jest bardzo mała – zawiera się w przedziale od 250 bit/s do 11 kbit/s. Nie pozwala to na przesyłanie dużych ilości danych, jak np. transmisji audio, wideo lub obrazów. Jest za to jak najbardziej wystarczające do zbierania danych z czujników oraz wysyłania informacji zwrotnych do różnego typu efektorów.

Mit 5: Węzły LoRaWAN zdolne są jedynie do nadawania sygnału, nie zaś do jego odbioru

Bardzo ważną cechą standardu LoRa- WAN jest zdolność do komunikacji dwukierunkowej. Oznacza to, że urządzenia końcowe mogą zarówno przesyłać informacje do sieci, jak i je odbierać. Pozwala to nie tylko na gromadzenie danych, ale również ich przetwarzanie oraz sterowanie zachowaniem urządzeń.

Przykładem zastosowania komunikacji dwukierunkowej może być monitoring poziomu wody w rzece oraz statusu przejezdności przerzuconego przez nią mostu. Czujnik gromadzi i przesyła dane na temat poziomu wody w pobliżu obiektu do urządzenia centralnego. Jeśli pomiar przekroczy wartość alarmową, do ekranów drogowych przesłane zostanie polecenie wyświetlające komunikat o braku przejezdności mostu.

Mit 6: Sieć LoRaWAN nie zapewnia wystarczającego poziomu bezpieczeństwa

Mechanizmy bezpieczeństwa są ważną częścią każdej bezprzewodowej technologii komunikacyjnej. W LoRaWAN wbudowano dwie warstwy zabezpieczeń: jedna dla poziomu sieci, druga dla poziomu aplikacji. Zabezpieczenia na poziomie sieci gwarantują autentykację (ustalenie tożsamości) każdego węzła sieci, zaś na poziomie aplikacji zapewniają poufność przesyłanych danych, dzięki czemu dostęp do nich ma jedynie użytkownik, nie zaś np. operator sieci. W obu rozwiązaniach wykorzystano szyfrowanie AES wraz z odpowiednimi procedurami wymiany kluczy kryptograficznych.

Dodatkowym zabezpieczeniem jest ponadto fakt, że sygnał CSS o mocy poniżej poziomu szumów jest bardzo trudny do detekcji oraz przechwycenia.

Mit 7: Za dostęp do sieci LoRaWAN trzeba płacić

Dla osób zainteresowanych rozpoczęciem przygody ze standardem LoRa- WAN bardzo ciekawym miejscem może być portal Th e Th ings Network oraz skupiona wokół niego grupa użytkowników. Ta światowa społeczność zrzeszająca ponad 24 000 ludzi w ponad 500 miastach organizuje oraz utrzymuje całkowicie darmową sieć LoRaWAN, składającą się z połączonych z Internetem bramek. Aby do niej dołączyć, konieczne jest jedynie posiadanie urządzenia końcowego. W przypadku braku pokrycia zasięgiem sieci zawsze możliwe jest również uruchomienie oraz włączenie do globalnej sieci własnej stacji bazowej, np. z wykorzystaniem jednej z popularnych platform, takich jak Raspberry Pi.

W różnych miejscach działają ponadto komercyjnie dostawcy oferujący usługi sieciowe oparte na LoRaWAN, zapewniający zazwyczaj lepsze parametry transmisji – większe pasmo, dodatkowe usługi chmurowe czy bardziej rozbudowane mechanizmy bezpieczeństwa.

Mit 8: LoRaWAN nadaje się jedynie do zbierania danych z czujników

Choć zdalny monitoring wciąż pozostaje jednym z głównych zastosowań technologii LoRaWAN, wraz z upływem czasu katalog potencjalnych aplikacji wciąż się poszerza. Do jego głównych elementów zaliczyć można inteligentne miasta, przemysłowe sieci IoT, urządzenia noszone oraz rozwiązania logistyczno-transportowe. Główne zastosowania LoRaWAN przedstawiono na rysunku 4.

 
Rys. 4. Najpowszechniejsze obszary wykorzystania sieci LoRaWAN

Mit 9: Standard LoRaWAN nie jest wspierany przez dużych producentów

Główną organizacją opiekującą się standardem oraz dbającą o jakość tego typu produktów jest LoRa Alliance. Jest to stowarzyszenie ponad 500 firm z branży elektronicznej oraz jej pokrewnych, zarządzające standardem oraz wyznaczające jego przyszłe kierunki rozwoju.

 
Rys. 5. Bramka LoRaWAN jako moduł rozszerzeń do Raspberry Pi

Mit 10: Do śledzenia modułów LoRaWAN konieczne jest wykorzystanie odbiornika GPS

Jedną z bardziej interesujących cech sieci LoRaWAN jest możliwość lokalizacji węzła sieci bez potrzeby korzystania z odbiornika GPS. Standard oferuje wbudowane usługi lokalizacyjne oparte na technikach triangulacyjnych, znanych m.in. z sieci komórkowych. Rozwiązanie takie jest bardzo atrakcyjne szczególnie dla urządzeń zasilanych bateryjnie, ze względu na brak wzrostu zużycia energii elektrycznej.

Do wyznaczenia lokalizacji konieczne jest umieszczenie urządzenia końcowego w zasięgu przynajmniej trzech różnych stacji bazowych. Dystans do każdej ze stacji (a zatem także i końcowa lokalizacja) wyznaczany jest na podstawie pomiaru różnicy czasu otrzymania wiadomości przez każdą z nich. Dokładność tej metody pozwala zlokalizować urządzenie z precyzją co do pojedynczego adresu w mieście.

Mit 11: Na rynku nie ma zbyt wiele produktów przeznaczonych dla LoRaWAN

Wielu producentów ma w swojej ofercie układy LoRaWAN zarówno dla użytkowników, jak i deweloperów. Do konstrukcji własnej sieci wykorzystać można gotowe bramki lub zestawy ewaluacyjne, umożliwiające testowanie własnego oprogramowania. Jednym z popularnych rozwiązań są bramki oparte na platformie Raspberry Pi. Węzeł sieci zbudować można na bazie dziesiątek odmiennych modułów rozszerzeń dostępnych dla różnych platform.

Zarówno w przypadku bramki, jak i węzła sieci, możliwe jest oczywiście również stworzenie całkowicie własnego projektu, korzystając z dostępnych podzespołów oraz układów komunikacyjnych.

Podsumowanie

Standard LoRaWAN zapewnia bezpieczną, dwukierunkową oraz energooszczędną komunikację, pozwalając konstruować sieci radiowe o dużym zasięgu. Korzystanie z tego standardu jest całkowicie darmowe i wolne od jakichkolwiek opłat licencyjnych. Dostępne pasmo pozwala na przesyłanie krótkich wiadomości, mogących służyć m.in. do gromadzenia danych z czujników czy sterowania stanem urządzeń.

 

Damian Tomaszewski

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie