1. Введение в беспроводную технологию LoRa.
LoRa — это технология беспроводной передачи данных на большие расстояния, основанная на технологии расширения спектра. На самом деле это одна из многих коммуникационных технологий LPWAN. Впервые он был принят и продвинут американской компанией Semtech. Это решение предоставляет пользователям простые средства достижения беспроводной связи на большие расстояния с низким энергопотреблением. В настоящее время беспроводная технология LoRa в основном работает в диапазоне частот ISM, в основном включая 433, 868, 915 МГц и т. д.
LoRa — это физический уровень или беспроводная модуляция, используемая для установления каналов связи на большие расстояния. Многие устаревшие беспроводные системы используют модуляцию с частотной манипуляцией (FSK) в качестве физического уровня, поскольку это очень эффективная модуляция, обеспечивающая низкое энергопотребление. LoRa основан на модуляции с расширенным спектром линейной частотной модуляции, которая сохраняет те же характеристики низкого энергопотребления, что и модуляция FSK, но значительно увеличивает расстояние связи. Линейно-расширенный спектр использовался в военной и космической связи на протяжении десятилетий из-за его способности достигать больших дальностей связи и устойчивости к помехам, но LoRa является первой недорогой реализацией для коммерческого использования.
Преимущество модулей LoRa заключается в возможности передачи данных на большие расстояния. Один шлюз или базовая станция может охватывать целый город или сотни квадратных километров. В данном месте расстояние во многом зависит от окружающей среды или препятствий, но LoRa и LoRaWAN имеют бюджет канала, который превосходит любую другую стандартизированную коммуникационную технологию. Бюджет линии связи, обычно выражаемый в децибелах (дБ), является основным фактором, определяющим расстояние в данной среде.
2. Состав сети беспроводной технологии LoRa
Сеть LoRa в основном состоит из четырех частей: терминала (может иметь встроенный модуль LoRa), шлюза (или базовой станции), сервера и облака. Данные приложения могут передаваться в обоих направлениях.
LoRa Alliance LoRa Alliance — это открытая некоммерческая организация, возглавляемая Semtech в марте 2015 года. В число ее основателей входят французская Actility, китайская AUGTEK и Royal Dutch Telecom kpn. Менее чем за год в альянс вошли более 150 компаний-членов, включая многих крупных производителей, таких как IBM, Cisco и Orange of France. В каждом звене производственной цепочки присутствует большое количество компаний (производители терминального оборудования, производители микросхем, производители модульных шлюзов, производители программного обеспечения, системные интеграторы, сетевые операторы). Открытость этой технологии затрудняет конкуренцию и сотрудничество. Адекватность способствовала быстрому развитию и экологическому процветанию LoRa.
3. Архитектура и принципы сети Lora
В ячеистой сети отдельные терминальные узлы пересылают информацию от других узлов, чтобы увеличить расстояние связи сети и размер сетевой области. Хотя это увеличивает радиус действия, но также увеличивает сложность, снижает пропускную способность сети и сокращает срок службы батареи, поскольку узлы принимают и пересылают информацию от других узлов, которая может быть для них неактуальна. При реализации соединений на большие расстояния звездообразная архитектура на большие расстояния имеет наибольший смысл для защиты срока службы батареи.
В сети LoRaWAN узлы не связаны с выделенными шлюзами. Напротив, данные, передаваемые одним узлом, обычно принимаются несколькими шлюзами. Каждый шлюз пересылает пакеты, полученные от конечного узла, через некоторую обратную связь (сотовую, Ethernet и т. д.) на облачный сетевой сервер. Интеллект и сложность размещаются на сервере, который управляет сетью и фильтрует входящие данные на предмет избыточности, выполняет проверки безопасности, выполняет проверку планирования через оптимальные шлюзы, а также обеспечивает адаптивную скорость передачи данных и т. д.
4. Знакомство с протоколом LoRaWAN.
LoRaWAN — это протокол связи глобальной сети с низким энергопотреблением, основанный на протоколе уровня MAC с открытым исходным кодом, выпущенном LoRa Alliance. В основном он обеспечивает локальные, национальные или глобальные сетевые протоколы связи для беспроводных устройств с батарейным питанием.
LoRaWAN определяет протокол связи и системную архитектуру сети, а физический уровень LoRa обеспечивает каналы связи на большие расстояния. Разработанный снизу вверх, LoRaWAN оптимизирует LPWAN (глобальную сеть с низким энергопотреблением) с точки зрения срока службы батареи, емкости, расстояния и стоимости. Дан обзор спецификаций LoRaWAN для разных регионов, а также общее сравнение различных технологий, конкурирующих в пространстве LPWAN.
5. Топология сети LoRaWAN. 
Сеть LoRaWAN представляет собой типичную топологию Mesh-сети. В этой сетевой архитектуре шлюз LoRa отвечает за агрегацию данных и соединение терминальных устройств и серверных облачных серверов данных. Шлюз и сервер соединены через сеть TCP/IP. Между всеми узлами и шлюзом существует двусторонняя связь. Учитывая ситуацию с питанием от батареи, терминальный узел обычно находится в режиме ожидания. Когда есть данные для отправки, он просыпается и затем отправляет данные.
Таким образом, используя технологию LoRa, мы можем добиться больших расстояний передачи при низкой мощности передачи. Эта маломощная широкомасштабная технология необходима для крупномасштабного развертывания беспроводных сенсорных сетей.
6. Преимущества и недостатки технологии LoRa
Вообще говоря, скорость передачи, рабочий диапазон частот и топология сети — это три основных параметра, влияющих на характеристики сенсорных сетей. Выбор скорости передачи повлияет на расстояние передачи и срок службы батареи системы; выбор рабочей полосы частот должен ставить под угрозу полосу частот и цели проектирования системы; а в системе FSK выбор топологии сети определяется требованиями к расстоянию передачи и узлами, необходимыми системе. Определяется по номеру. LoRa сочетает в себе цифровой расширенный спектр, цифровую обработку сигналов и технологию кодирования с прямым исправлением ошибок для достижения беспрецедентной производительности. Раньше эти технологии применялись только в промышленной радиосвязи высокого уровня, но с появлением LoRa ситуация в области встроенной беспроводной связи полностью изменилась.
Технология кодирования с прямым исправлением ошибок добавляет некоторую избыточную информацию к передаваемой последовательности данных, так что символы ошибок, введенные в процессе передачи данных, будут вовремя исправлены на принимающей стороне. Этот метод уменьшает необходимость создания «самовосстанавливающихся» пакетов для повторной передачи и хорошо работает при разрешении пакетов ошибок, вызванных многопутевым замиранием. После того как группы пакетов сформированы и для надежности введено кодирование с прямым исправлением ошибок, пакеты подаются на цифровой модулятор с расширенным спектром. Этот модулятор подает каждый бит пакета в «расширитель», который делит время каждого бита на несколько чипов.
Даже если будет шумно, модуль LoRa спокойно с этим справится. Модем LoRa настроен на разделение в диапазоне 64–4096 чипов/бит, при этом можно использовать самый высокий коэффициент расширения (12) 4096 чипов/бит. Условно говоря, ZigBee умеет делить диапазон только на 10-12 чипов/бит.
Используя высокий коэффициент расширения, технология LoRa может передавать данные малой емкости в широком диапазоне радиоспектра. Фактически, когда вы измеряете их через анализатор спектра, данные выглядят как шум, но разница в том, что шум некоррелирован, а данные коррелированы, и на основе этого данные действительно можно извлечь из шума. Чем выше коэффициент расширения, тем больше данных можно извлечь из шума. В хорошо функционирующем приемнике GFSK для надежной демодуляции сигнала требуется минимальное отношение сигнал/шум (SNR) 8 дБ. Настроив AngelBlocks, LoRa может демодулировать сигнал с соотношением сигнал/шум -20 дБ. Метод GFSK соответствует этому. Итоговая разница составляет 28 дБ, что соответствует гораздо большему диапазону и расстоянию. На открытом воздухе разница в 6 дБ может обеспечить удвоение исходной дальности передачи.
Сверхсильный бюджет канала позволяет сигналам распространяться дальше. Чтобы эффективно сравнивать дальность передачи между различными технологиями, мы используем количественный показатель, называемый «бюджет канала». Бюджет канала включает в себя все переменные, влияющие на уровень сигнала на принимающей стороне, что в упрощенной форме включает в себя мощность передачи плюс чувствительность приемника. Мощность передачи AngelBlocks составляет 100 мВт (20 дБм), чувствительность приемника — -129 дБм, а общий бюджет канала — 149 дБ. Для сравнения, беспроводная технология GFSK, имеющая чувствительность -110 дБм (отличный показатель), требует мощности 5 Вт (37 дБм) для достижения того же значения бюджета канала. На практике чувствительность приемника большинства беспроводных технологий GFSK может достигать -103 дБм. В этом случае частота передачи передатчика должна составлять 46 дБм или примерно 36 Вт, чтобы достичь значения бюджета канала, аналогичного LoRa. Таким образом, используя технологию LoRa, мы можем получить более широкую дальность передачи и расстояние при низкой мощности передачи. Эта маломощная широкомасштабная технология — именно то, что нам нужно.
7. О технологии LPWAN
Глобальная сеть малой мощности (LPWAN) является неотъемлемой частью Интернета вещей. Он имеет характеристики низкого энергопотребления, широкого охвата и сильного проникновения. Он подходит для отправки и получения небольшого объема данных каждые несколько минут. Приложения для обработки данных, такие как позиционирование водного транспорта, мониторинг уличного освещения, мониторинг парковочных мест и т. д. В организацию LoRa Alliance, связанную с LPWAN, в настоящее время входят 145 членов по всему миру, и ее обширная экосистема позволяет устройствам, которые следуют протоколу LoRaWAN, иметь высокую совместимость. Коммуникационный шлюз, полностью соответствующий стандарту LoRaWAN, может получить доступ к десяткам тысяч беспроводных сенсорных узлов в радиусе от 5 до 10 километров. Его эффективность намного выше, чем в традиционном режиме связи «точка-точка» с опросом, а также может значительно снизить энергопотребление узла связи. 