Хабрахабр

[Из песочницы] Записки IoT-провайдера. Введение

Меня зовут Олег Плотников, я директор Центра Промышленного Интернета одной из IT-компаний. Здравствуйте, уважаемые читатели Хабра.

О ней уже не раз писали на Хабре, писали интересно и с разных сторон. Этой статьей я бы хотел начать целый цикл заметок про Интернет Вещей и конкретно про технологию LoRa. Давайте договоримся, я не ставлю своей целью пиар компании, в которой работаю. Однако, наш Центр построил и уже почти год эксплуатирует сеть LoRaWAN и мы накопили большой опыт именно практической эксплуатации этой технологии. Главный акцент своих заметок я бы хотел сделать не на теории, а на практике. Но буду периодически обращаться к нашим проектам, когда потребуется что-то проиллюстрировать. Постараюсь заразить вас идеей, что Интернет Вещей – это интересно и черепахоподобная LoRa станет важным кирпичиком в общем фундаменте.

Начать придется все же с начала.

Расшифровывается как Long Range, технология для высокозащищенной передачи небольших объемов информации. Итак, LoRa. L1 по модели OSI. Разработана французской компанией Semtech.
Собственно, сам термин LoRa – это тип модуляции.

Чаще всего, говоря LoRa, подразумевают совокупность модуляции и стека. LoRaWAN – это уже стек над физикой, следующий уровень.

Я о них расскажу в дальнейшем, пока будем считать, что под «Лорой» понимаем классическое представление: модуляция плюс стек. Встречаются решения на LoRa, но без LoRaWAN, как правило, проприетарные и узкоспециализированные.

Какая LoRa, о чем вы? Так, стоп. Хотите беспроводное будущее? Зачем постоянно что-то изобретать? У нас есть отлично-обкатанные технологии: Wi-Fi или LTE. Интернет Вещей? Чем они вас не устраивают?

Wi-Fi (как и LTE) работают под концепцию Интернета Людей. Не устраивают. Сколько пользователей смогут повиснуть на одной Wi-Fi точке? Дать ограниченному числу пользователей максимально широкий канал Интернета. А на секторе базовой станции? 20, 30, 100? Примерно те же числа.

Десять пользователей могут рассчитывать на несколько LTE-мегабит/сек. Зато каждый пользователь урвет себе терпимый канал связи. За это они заплатят широким спектром, своей батарейкой и криками «верните связь!» на площади в Новый Год. И несколько десятков мбит/сек, если речь про Wi-Fi.

Делают они это не часто, не чаще раза в час. Та часть Интернета Вещей, что отвечает за телеметрию, требует иного подхода.
Допустим, у нас есть микрорайон, где все-все счетчики в квартирах передают свои данные по радиоканалу. Размер пакета у них так же исчисляется байтами. А то и раз в сутки. Стоят они в железных щитках, в заложенных кафелем проемах, в «темных углах» и подвалах. Зато их много, несколько тысяч. К ним нет требований передавать пакеты за миллисекунды, но эти пакеты должны проходить. К ним не всегда возможно подвести питание, потому часть из них живут от батарейки.

Wi-Fi и LTE для нас избыточны. Чувствуете, у нас вырисовывается несколько иная концепция? Тут-то нам на помощь приходят специальные стандарты, созданные под Интернет Вещей. Высадят батарею, забьют место на точке доступа (или секторе), не разгонятся до серьезной скорости. После тщательного анализа мы выбрали LoRa. На данный момент их насчитывается несколько десятков.

Что она может?

Буквально – коэффициент расширения спектра. Давайте потихоньку привыкать к местной терминологии и введем первое важное понятие — SF (Spreading Factor). Чем больше SF тем меньше скорость передачи, но тем выше помехозащищенность. Если на пальцах, то SF – это целое число от 7 до 12, к которому привязан ряд параметров, таких как максимальная скорость передачи или размер пакета. К этому параметру привязано так же время нахождения в эфире. И наоборот, меньше SF, выше скорость, но меньше устойчивости к помехам.

Spreading Factor и часть величин, которые от него зависят

Итак, плюсы LoRa:

  1. Высокая помехозащищенность. В городе LoRa пробьет километр или даже два при мощности передатчиков в 25 мВт. Правда, это на высшем SF = 12. За такое мы заплатим размером пакета (51 байт полезной нагрузки) и скоростью передачи (292 бита/сек). Простой принцип – чем больше энергетики в бит информации, тем дальше этот бит улетит.
    Данные объемы немыслимы для Интернета Людей, но вполне сгодятся квартирному электросчетчику.
  2. Низкое энергопотребление. В стандарте прописаны три класса устройств, по энергопотреблению. А-класс самый экономичный, он живет от батарейки несколько лет. Правда, такое устройство невозможно вызвать на связь оперативно, оно просыпается по расписанию и обменивается с сервером информацией, а потом ложиться спать дальше. Если нужно быть на связи постоянно – это класс С, он не предусматривает батарейного питания. Есть еще В, нечто среднее, но он как-то не приживается. Для нашего электросчетчика А-класс – самое оно.
  3. Малое время нахождения в эфире. В процессе активации устройство обменяется с сервером парой пакетов (join_request? join_access!) и после будет выходить на связь только по делу. Никаких регистраций в сети, минимум служебного трафика. В А-классе вообще: проснулось, отправило пакет, получило подтверждение (если предусмотрено) и уснуло дальше. Если у нас все плохо и SF=12, то пакет займет 2 секунды. На SF=7 — 0,1 сек. Теперь представьте, сколько абонентов мы сможем повесить на одну базовую станцию LoRa, если они выходят раз в час? Счет на сотни. А если раз в сутки? Тогда уже на тысячи.

LoRa – открытый стандарт. Бонус! Однако, сами чипы делают уже несколько компаний, а уж оборудование скоро в подвалах клепать будут. Бал правит по-прежнему разработчик (Semtech), у него монополия на кристаллы для чипов. у нас есть большой выбор независимых вендоров. Т.е. Это очень важно и в дальнейшем я буду много про это говорить. И если они честно поддерживают спецификацию LoRaWAN, то они будут совместимы между собой.

LoRa работает в диапазоне 868 МГц. Бонус2! Это 864,0-865,0 МГц и 868,7-869,2 МГц. В России «аж» полтора мегагерца в этой полосе частот не требуют лицензий. Одна беда, использование каналов 250 и 500 кГц в такой ситуации просто расточительство, собственно потому у нас и не прижились эти вариации. Там есть ограничение по мощности (не более 25 мВт) и еще ряд «нельзя», но мы везде проходим. Ну да ладно, и на 125 кГц развернемся.

Нелицензируемые частоты 868 МГц в РФ и их ограничения

Как видите, LoRa, казалось бы медленная и неказистая, отлично вписалась в концепцию телеметрии.

Пока все красиво. В этой статье мы с вами совершили первый экскурс в технологию и прониклись идеей. Вы узнаете, как получить по лбу граблями, если не читать мелкий шрифт в инструкциях и зачем допиливать базовые станции напильником. Во второй части начнем строить сеть.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть