Технологии дальней радиосвязи LoRa WAN
на базе решений компании Semtech

В течение многих лет огромный потенциал интернета вещей не был полностью раскрыт из-за влияния таких технических факторов, как ограниченный срок службы аккумуляторов конечных устройств сети, необходимость использования дополнительных ретрансляторов для обеспечения надежной связи, особенно в условиях городской застройки, высокие материальные затраты и недостаток необходимых стандартов. Разработка протокола сети LoRaWAN и создание альянса LoRa, занимающегося его поддержкой и развитием, способствовали решению ряда проблем, ограничивающих широкое распространение интернета вещей. Использование в разработке устройств дальней связи от Robotics & Electronics протокола LoRaWAN и решений от ведущего производителя трансиверов LoRa — компании Semtech, позволяют добиться рекордных показателей дальности в сетях беспроводных датчиков.

Существует множество определений термина «интернет вещей» (Internet of Things, IoT). В наиболее общем случае под этим понятием подразумевается единая сеть физических объектов, имеющих доступ в глобальную сеть и использующих встроенную технологию для измерения собственных характеристик или параметров внешней среды, анализа собираемых данных и передачи полученной информации на другие устройства. По прогнозам многих исследовательских компаний, например Forrester Research, к 2020 году число подключенных к интернету вещей устройств достигнет 22 млрд штук, при этом 60% из них будут относиться к маломощным устройствам, работающим в сетях WAN (Wide Area Network).

Возникает вопрос: как обеспечить надежное объединение этих устройств в сети с возможностью масштабирования без сопутствующего двух- или трехкратного увеличения количества базовых станций GSM-сетей и/или значительного увеличения числа точек доступа? Очевидный ответ: внедрить устойчивые сети связи на основе узлов с увеличенным радиусом действия и максимальным временем автономной работы, позволяющие полностью отказаться от применения ретрансляторов.

23 марта 2015 года Semtech Corporation и исследовательский центр IBM Research объявили о важном достижении в области беспроводных технологий передачи данных, представив новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), обеспечивающий значительные преимущества перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций.

Появившаяся технология вызвала неподдельный интерес на рынке беспроводной связи. Для ее поддержки, развития и стандартизации был создан альянс LoRa (LoRa Alliance), который в настоящее время стремительно развивается, о чем говорит постоянное увеличение количества зарегистрированных членов. В состав альянса входят как известные производители электроники (Cisco, IBM, Kerlink, IMST, Semtech, Microchip Technology), так и ведущие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom). Основная задача LoRa Alliance — объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN, чтобы обеспечить возможность операторам связи предоставлять услуги IoT как коммерческим организациям, так и частным лицам. Активное использование стандарта позволит значительно упростить задачу соединения миллиардов устройств — от беспроводных датчиков в приложениях промышленной автоматизации и системах безопасности до бытовой электроники.

На основе нового протокола, программых комплексов разработки Mote Runner от IBM, M2M-платформы «FreeIoT» собственной разработки и однокристальных трансиверов Semtech, компанией Robotics & Electronics разработан и производится полный ассортимент решений (законченные решения, встраиваемые OEM-модули, базовые станции «последней мили» и магистрального уровней мощности), позволяющий заказчику создавать на аппаратном и программном уровнях системы беспроводной передачи данных на расстояния до 15-20 км (в зависимости от особенностей рельефа местности).

Ключевые особенности применения технологии LoRa

При разработке сетей беспроводных датчиков определяющее значение имеет максимальная дальность радиосвязи, позволяющая обойтись без дополнительных ретрансляторов сигнала, тем самым сокращая затраты и упрощая топологию. Основным параметром, характеризующим общую производительность системы в целом, является бюджет канала связи, который в упрощенном выражении формируется из суммы чувствительности приемника и выходной мощности передатчика. Мощность передатчика лимитирована регламентирующими стандартами, поэтому очевидным путем улучшения дальности связи становится повышение чувствительности приемника. Превосходная чувствительность (до –148 дБм) — ключевая характеристика LoRa-устройств компании Semtech, достигаемая благодаря применению одноименного метода модуляции. Этот способ модуляции предполагает использование технологии расширения спектра, при которой данные кодируются широкополосными ЛЧМ-импульсами с частотой, увеличивающейся или уменьшающейся на некотором временном интервале.

С учетом максимальной разрешенной выходной мощности отдельных трансиверов бюджет канала связи составляет 168 дБ, что позволяет организовать гарантированную линию связи на расстояниях до 15 км в сельской местности и до 5 км в условиях плотной городской застройки. Для сравнения: максимально возможная дальность передачи данных интеллектуальных приборов учета с использованием GFSK-модуляции составляет не более 1–2 км. Несмотря на это, в разработках компании Robotics & Electronics при необходимости возможно применение и данного (также как и других, предусмотренных производителем трансиверов) вида модуляции (например, для интегрирования в существующие сети), так как подобная возможность предусмотрена применяемыми трансиверами Semtech.

Следует также отметить, что технология расширения спектра совместно с применяемой упреждающей коррекцией ошибок, восстанавливающей искаженные биты данных, позволяет повысить отношение сигнал/шум и обеспечить работу в условиях импульсных помех. Например, при использовании коэффициента расширения SF=12 демодулятор LoRa может работать при соотношении сигнал/шум на входе радиоприемного тракта равным –20 дБ. Здесь отрицательные значения указывают на возможность принимать сигнал ниже уровня собственных шумов. Коррекция ошибок требует внесения небольшой избыточности, связанной с дополнительным кодированием данных в передаваемом пакете.

LoRa-устройства стабильно функционируют в условиях воздействия сильных интерференционных помех от субгигагерцовых сигналов оборудования стандартов 4G/LTE. Еще одной отличительной чертой являются превосходные селективные возможности приемников Semtech. Типовые значения соответствующих показателей будут рассмотрены далее применительно к конкретным устройствам. Приемопередатчики LoRa со сверхдальним радиусом действия гарантируют простоту развертывания сети, поскольку ориентированы на использование топологии «звезда» — простейшей архитектуры с наименьшей задержкой, не требующей транзитной передачи данных через ретрансляторы. В звездообразной сети легко рассчитать длительность автономной работы каждого узла от батареи, что делает ее идеальной для применения в различных интеллектуальных приборах учета.

Предлагаемые компанией компанией Robotics & Electronics решения для конечных узлов имеют ультранизкое собственное энергопотребление в режиме приема и сверхнизкое — в режиме ожидания со сверхбыстрым переходом в рабочий режим. Поэтому они полностью соответствуют требованиям и рекомендованы для устройств с батарейным питанием по энергопотреблению и энергоэффективности. Адаптивный механизм выбора скорости передачи данных позволяет увеличить срок службы батареи, улучшить емкость, пропускную способность и масштабируемость сети.

При масштабах развертываемой сети, исчисляемых сотнями и тысячами узлов, не менее важным фактором становится не только надежность соединения, но и стоимость готового решения. Низкая стоимость применения сетей LoRaWAN, и соответственно — продукции компании Robotics & Electronics, обусловлена малой себестоимостью ключевых электронных комплектующих (трансиверы Semtech, микроконтроллеры STM32L), отсутствием ретрансляторов, доступностью бесплатного протокола и использованием для радиосвязи нелицензированного ISM-диапазона частот, что является дополнительным фактором распространения систем на территории Российской Федерации.

В России на основании решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) для указанных целей выделены следующие каналы: 433,92 МГц ±0,2%; 868 МГц ±1,4%; 2,45 ГГц ±2,0%; 5,8 ГГц ±1,3%. Эти частоты могут использоваться без оформления соответствующего разрешения ГКРЧ при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности и назначению готового изделия. Отличная чувствительность приема (до –148 дБм) и выходная мощность передатчиков, программируемая до +20 дБм с шагом 1 дБ, позволяют обеспечить энергетический бюджет канала связи в 168 дБ, а малое собственное энергопотребление готовых решений в режимах приема и передачи, значительно увеличивают срок бесперебойной службы модулей и модемов без необходимости замены батареи.

Трансиверы SX127x, применяемые в изделиях компании Robotics & Electronics обладают отличными показателями по интермодуляционным искажениям третьего порядка (IIP3). При максимальном усилении и чувствительности этот показатель составляет –11 дБм, что в сочетании с избирательностью по соседнему каналу (не менее 72 дБ) и избирательностью по зеркальному каналу (не менее 66 дБ) позволяет получить наиболее устойчивое и надежное решение для различных условий эксплуатации.

Базовая станция

В качестве шлюза, выступающего в роли моста между узлами сети и сервером и обеспечивающего межсетевое взаимодействие между LoRa и Ethernet, компанией Robotics & Electronics рекомендуется применение базовой станции собственной разработки, построенной на базе интегрированного решения компании Semtech SX1301, представляющего собой цифровой процессор канала радиосвязи для устройств ISM-диапазона, способного в условиях интерференционных помех обслуживать до 5 тыс. оконечных узлов на каждый квадратный километр.

Отличительные характеристики базовой станции:

— чувствительность до –142,5 дБм при совместной работе с трансиверами на базе SX125x;
— возможность работы с отрицательным отношением сигнал/шум (до –9 дБ);
— эмуляция 49€ LoRa-демодуляторов и 1€(G) FSK-демодулятора;
— двойной цифровой TX&RX-радиоинтерфейс;
— динамическая адаптация канала под различные скорости передачи (DDR, Dynamic data rate);
— 10 параллельных программируемых каналов демодуляции.

Перспективные области применения устройств LoRa от Robotics & Electronics

Охрана здоровья. Специальные автономные многофункциональные датчики могут быть использованы для дистанционного контроля здоровья и в системах оповещения об экстренных изменениях состояния организма человека, а также в продукции для фитнеса, измеряющей шаги, вес, кровяное давление и т. д.
Энергетика. Построение автоматизированных «умных сетей» электроснабжения для повышения эффективности использования энергии в зданиях и на производственных предприятиях, а также стабильности поставок электроэнергии. Ожидается, что беспроводные датчики и исполнительные механизмы будут в скором времени интегрированы во все виды устройств, потребляющих энергию (лампы, выключатели, телевизоры и т. п.), и смогут взаимодействовать с поставщиками энергии для организации оптимального энергетического баланса.
«Умный город». Популярная некогда концепция «умного дома» сменилась идеей «умного города», когда все устройства города соединяются между собой. Беспроводные модули осуществляют мониторинг механических, электрических и электронных систем, используемых в современных зданиях, а также контроль доступа, при этом они абсолютно не зависят ни от системы электропитания, ни от коммуникаций.
Транспорт. Для осуществления разнообразных функций коммуникации в транспортных системах, для построения систем контроля загруженности автодорог, «умных парковок», логистических систем, а также контроля безопасности и помощи на дорогах.
ЖКХ. Применение интеллектуальных беспроводных счетчиков помогает легко организовать автоматизированный учет расходов энергоресурсов (воды, тепла, газа, электроэнергии) в квартирах, коттеджах и в офисных зданиях, а также в режиме реального времени отслеживать состояние применяемого оборудования и в случае возникновения аварийных ситуаций оперативно на них среагировать. Очевидно, что применение LoRa-технологии актуально прежде всего для производителей счетчиков, которые еще на этапе проектирования могут внести в схему и конструкцию необходимые изменения.
Но при желании возможна и адаптация разнообразных устройств, применяемых в настоящее время в ЖКХ, под стандарт LoRaWAN, используя микроконтроллер, составляющий основу оконечного узла сети. В этом случае он осуществляет взаимодействие посредством распространенных цифровых интерфейсов передачи данных (I2C, USART, SPI, RS-485, CAN и т. д.) с интеллектуальными трехфазными счетчиками на основе микропроцессоров или специализированных ИС либо обеспечивает функцию измерения импульсов от простейших механических однофазных счетчиков при помощи встроенных таймеров.

Распространение экономически эффективных технологий беспроводной связи и широкая доступность системных решений привели к резкому росту интернета вещей. Продукция компании Robotics & Electronics, построенная на базе решений от Semtech, обладает превосходной чувствительностью приемника, малым собственным энергопотреблением, отличной помехозащищенностью линии связи и широкими функциональными возможностями.

Наличие открытого протокола LoRaWAN значительно ускоряет процесс разработки беспроводных устройств. Все это в совокупности позволяет реализовывать более простые сети передачи данных с увеличенным радиусом действия, длительным временем автономной работы и гарантированным обнаружением полезного сигнала на фоне воздействия помех.

Доступность решений

Доступность образцов в продаже, серийный выпуск модемов, OEM-модулей, поставки: 2 квартал 2019 г.
Доступность базовой станции: 3 квартал 2019 г.

Дополнительную информацию о продукции Robotics & Electronics можно запросить у представителей компании.