О технологии Сеть868

Общая информация

Сеть868 является сетью интернета вещей, использующей технологию беспроводной связи LoRa (Long Range).

Технологии LPWAN (Low Power Wide Area Network), к которым относится и LoRa, имеют ряд принципиальных преимуществ перед классическими технологиями операторов связи, таких как 2/3/4/5G. К основным преимуществам относятся:

• высокая энергоэффективность — позволяет разрабатывать устройства с автономным питанием и сроком эксплуатации от одной батареи до 10 лет;
• высокая проникающая способность — сигнал от устройств проходит сквозь стены и бетонные перекрытия;
• большой радиус покрытия — один шлюз может обеспечить покрытие в радиусе до 15 км;
• низкая стоимость шлюзов и узлов — позволяет создавать устройства и решения с низкой стоимостью разработки, внедрения и эксплуатации относительно классических операторов связи;
• нелицензируемый диапазон частот — не требуется получение разрешительных документов для установки шлюзов;
• низкая мощность шлюзов — позволяет организовать питание через PoE или с использованием альтернативных источников питания, например, солнечных батарей;
• малая мощность излучения — мощность конечных устройств LoRa составляет 25 мВт, что ниже мощности обычного мобильного телефона (до 2 Вт);
• открытый стандарт — поддерживается во всем мире и позволяет не зависеть от одного производителя оборудования;
• защита данных — информация в сети передаётся в зашифрованном виде и доступна только владельцу.

Указанные преимущества позволяют пересмотреть сложившиеся подходы на рынке услуг связи, мониторинга, телемеханики и диспетчеризации, а также позволяют создавать принципиально новые решения. Уже сейчас существуют модели датчиков учёта расхода воды со встроенными модулями LoRa, которые позволяют автономно и дистанционно передавать данные о расходе в течение 10 лет. Многие производители рассматривают возможность встраивания модулей в свои вещи, такие как бытовая техника, чемоданы, велосипеды, лифты, светильники городского освещения, мусорные контейнеры и приборы учёта ресурсов.

Сеть868 разработана с учётом использования потенциала технологий интернета вещей. Одной из задач проекта является развитие покрытия сетей LoRa и снижение порога входа в рынок для операторов сети, разработчиков, интеграторов и производителей. Используя технологии Сеть868, любые компании и частные лица могут:

• создавать собственные частные и публичные сети в любом регионе мира;
• разрабатывать устройства, приложения и решения;
• реализовывать проекты с использованием технологии LoRa;
• внедрять технологии IoT в свои вещи;
• проводить интеграцию собственных систем, используя API Сеть868.

 

LPWAN, LoRa и LoRaWAN

LPWAN (Low Power Wide Area Network — энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия) — технология беспроводной передачи малых объёмов информации на большие расстояния, созданная для интернета вещей, распределённых сетей, телеметрии и М2М-взаимодействия. LPWAN является средой сбора и передачи данных от измерительного оборудования (сенсоры и датчики различных счётчиков).

LoRa (Long Range — дальнего действия) — сетевая технология, представляющая собой метод модуляции. Основана на широкополосном кодировании на физическом уровне. MAC-уровень обеспечен использованием стандарта LoRaWAN, который обеспечивает полную совместимость среди умных вещей, без необходимости сложных локальных установок, и создаёт большую свободу для разработчиков и пользователей интернета вещей. LoRa — совместная разработка IBM и компании Semtech. Работает на нелицензируемых частотах субгигагерцового ISM-диапазона (industrial, scientific and medical radio bands).

LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks — маломощные глобальные сети дальнего действия) — MAC-протокол канального уровня для сетей с большим количеством узлов, с широким радиусом действия и невысоким собственным потреблением энергии.

 

Принцип действия LoRa

Передача данных по технологии LoRaWAN на физическом уровне PHY основана на свойстве радиосистем увеличивать энергетику (и дальность связи, соответственно) за счёт снижения скорости трансляции. Чем меньше битовая скорость, тем больше энергии отводится каждому биту. Благодаря этому принимающей части системы легче его выделить среди шумов от помех. С понижением скорости передачи данных увеличивается дальность распространения радиосигнала и радиус действия принимающего шлюза.

Принцип построения LPWAN схож с сетями мобильной связи: используется конфигурация «звезда», где каждое конечное устройство напрямую «общается» со шлюзом. Сети LoRaWAN городского и большего масштаба строятся по топологии «звезда звёзд».

Шлюзу модем или устройство с LPWAN-модулем отправляет данные по радиоканалу. Шлюз принимает сигналы от всех устройств, что находятся в радиусе его действия. Затем данные оцифровываются и отправляются удалённому серверу по доступному каналу связи с большей пропускной способностью.

 

Шлюзы LoRaWAN

Шлюзы LoRaWAN представляют собой многоканальные трансиверы. Они могут как демодулировать сразу несколько каналов, так и несколько сигналов на одном канале одновременно. Шлюзы создают прозрачный канал между сервером и узлами сети и взаимодействуют с сервером посредством классических технологий связи (Ethernet, GSM) с использованием протокола UDP.

Для обмена информацией между шлюзом и сервером используется 4 типа пакетов: два служебных пакета, пакет данных, полученных от узла, пакет данных для отправки узлу. Шлюзы принимают сигналы от всех устройств, находящихся в их зоне покрытия. Таким образом пакет, отправленный узлом, могут получить и передать на сервер несколько шлюзов. И то, что шлюзы способны одновременно обслуживать множество абонентских устройств, определяет плотность последних в зоне ответственности каждого шлюза.

Пример: шлюз с 8 каналами (на базе SX1301 и двух SX1257) рассчитан на приём данных от 5 000 устройств. Однако это очень условный расчёт. Ёмкость сети зависит от частоты и скорости передачи информации узлами. То есть шлюз с 8 каналами на самой низкой скорости получит не более 280 000 пакетов за сутки и если учесть, что устройства передают данные 4 раза в сутки, то такой шлюз обеспечит работу с 70 000 узлов.

Также необходимо отметить, что если ёмкости шлюза уже недостаточно, сеть можно масштабировать за счёт установки новых шлюзов. С появлением каждого из них сервер перераспределяет нагрузку и рассылает абонентским устройствам новые настройки для работы в сети.

Для первичного полноценного покрытия сети в городе с 1 млн жителей необходимо установить примерно 20 шлюзов. Такая сеть будет иметь максимальную ёмкость до 1 млн узлов при частоте отправки данных до 4 пакетов в сутки от одного узла.

 

Конечные устройства

Конечные устройства (узлы) в сети LoRa передают и принимают данные через шлюзы. Узлы делятся на три класса и имеют разные особенности из-за оптимизации под разные задачи:

• Class A — оптимизирован для разработки узлов, ориентированных на длительную автономную работу.
• Class B — имеет низкую задержку при обмене данными сети с узлом.
• Class C — не имеет задержки при обмене данными сети с узлом.

Особенности, преимущества и недостатки.

Узел с батарейным питанием – Class A:

• двунаправленный обмен;
• адресные сообщения;
• малый объем данных;
• большие интервалы между сообщениями;
• узел инициирует обмен;
• сервер соединяется с узлом только в определенные моменты времени.

Преимущества:

• наименьшее потребление;
• длительная работа от батареи;
• обмен контролируется узлом.

Недостатки:

• большая задержка в обмене.

Пример устройства Class A:

• сенсор с батарейным питанием;
• счетчик воды с модулем LoRa.

Низкая задержка в обмене – Class B:

• двунаправленный обмен с фиксированным расписание приема;
• адресный и мультиадресный обмен;
• малый объем данных;
• большие интервалы между сообщениями;
• периодические маяки от шлюза;
• более широкое окно приема;
• сервер может инициировать обмен в определенные моменты времени.

Преимущества:

• детерминированная задержка.

Недостатки:

• более высокое энергопотребление.

Пример устройства Class B:

• батарейное устройство с исполнительными механизмами.

Без задержки в обмене – Class C:

• двунаправленный обмен;
• адресный и мультиадресный обмен;
• малый объем данных;
• сервер может инициировать обмен в любой момент времени;
• узел всегда находится в приеме.

Преимущества:

• малая задержка обмена;
• узел всегда в режиме приёма.

Недостатки:

• cамое большое потребление.

Пример устройства Class A:

• устройство с сетевым питанием.

 

Ключи (индентификаторы) LoRaWAN

DevEUI — глобальный уникальный идентификатор LoRaWAN-модуля конечного устройства (8 байт, IEEE EUI64, аналог MAC-адреса), который однозначно его идентифицирует. Может быть присвоен производителем из полученного пула свободных адресов оператора сети. Применяется для активации по OTAA, имеет формат ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ.

AppEUI — глобальный уникальный идентификатор приложения (8 байт, IEEE EUI64), который однозначно идентифицирует провайдера приложений (владельца) конечного устройства. Хранится в конечном устройстве и применяется для активации по OTAA, имеет формат ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ.

AppKey — уникальный ключ приложения для конечного устройства (16 байт, AES-128), который назначается владельцем приложения и может быть сгенерирован из корневого ключа приложения. AppKey необходим для получения (извлечения) сеансовых ключей NwkSKey и AppSKey при OTAA-активации прибора в сети.

DevAddr — сетевой адрес устройства (32 бита, 4 байта), необходимый для определения адресата пакетов на сетевом уровне. Уникален в пределах сети оператора. В его старших 7 битах содержится адрес сети оператора NwkID, который должен быть уникальным как для рядом находящихся, так и для перекрывающихся зонами покрытия сетей. Как правило, DevAddr имеет формат ХХ:ХХ:ХХ:ХХ, старший байт которого — адрес сети NwkID. При OTAA-активации устройство получает DevAddr от сервера в составе join-accept-сообщения и записывает его в свою память. При ABP-активации DevAddr назначается (присваивается) производителем прибора в момент настройки на производстве из выделенного ему оператором связи (Сеть868) диапазона адресов.

NwkSKey — уникальный ключ сетевой сессии (16 байт, AES-128), при OTAA-активации передаётся устройству в зашифрованном виде с помощью ключа AppKey, при ABP-активации — записывается на производстве в момент настройки прибора.

AppSKey — уникальный ключ сессии приложения (16 байт, AES-128), при OTAA активации передается устройству зашифрованным с помощью ключа AppKey, при ABP активации записывается в устройство в момент настройки на производстве.

GatewayID — идентификатор базовой станции, уникальный в рамках сети (8 байт). В Сети868 за разными моделями БС закреплены разные диапазоны адресов. Закрепление носит рекомендательный характер и применяется для целей моделирования зоны покрытия сети шлюзами. GatewayID имеет формат XX:XX:XX:XX:XX:XX:XX:XX.

 

Активация конечного узла

Существуют два способа активации устройства в сети:

• OTAA (Over The Air Activation) — активация «по воздуху». Используется в случаях, когда в момент создания абонентского прибора заранее неизвестно, в какой именно сети он будет работать. Для этого на производстве в память устройства сохраняются идентификаторы DevEUI, AppEUI и AppKey, используя которые устройство отправляет в эфир запрос на присоединение (join-request) и ожидает разрешения на подключение (join-accept). В случае успешного получения разрешения на подключение, прибор получает ключи, необходимые для дальнейшей работы — DevAddr, NwkSKey и AppSKey, записывает в себе в память и использует для работы в сети. То есть с помощью этих ключей происходит проверка целостности данных, их шифрование и расшифровка. Ключ AppKey никогда не передаётся по воздуху и известен только владельцу приложения. Таким образом, переданные по воздуху данные в момент активации и в процессе работы не могут быть расшифрованы без этого ключа.
• ABP (Activation By Personalization) — активация путём записи в прибор персональных настроек. Применяется, когда заранее известно, в какой сети он будет эксплуатироваться. В этом случае все ключи записываются в память на производстве, и устройство начинает работать в сети сразу после включения. Необходимые для работы ключи производитель получает у оператора сети, в которой планируется эксплуатировать прибор. Для работы в сети необходимы ключи AppKey, DevAddr, NwkSKey и AppSKey. Устройство, прошедшее OTAA-активацию, ничем не отличается от устройства с ABP-активацией.