Здравствуйте, уважаемые читатели Хабра. Меня зовут Олег Плотников, я директор Центра Промышленного Интернета одной из IT-компаний.
Этой статьей я бы хотел начать целый цикл заметок про Интернет Вещей и конкретно про технологию LoRa. О ней уже не раз писали на Хабре, писали интересно и с разных сторон. Однако, наш Центр построил и уже почти год эксплуатирует сеть LoRaWAN и мы накопили большой опыт именно практической эксплуатации этой технологии. Давайте договоримся, я не ставлю своей целью пиар компании, в которой работаю. Но буду периодически обращаться к нашим проектам, когда потребуется что-то проиллюстрировать. Главный акцент своих заметок я бы хотел сделать не на теории, а на практике. Постараюсь заразить вас идеей, что Интернет Вещей – это интересно и черепахоподобная LoRa станет важным кирпичиком в общем фундаменте.
Начать придется все же с начала.
Итак, LoRa. Расшифровывается как Long Range, технология для высокозащищенной передачи небольших объемов информации. Разработана французской компанией Semtech.
Собственно, сам термин LoRa – это тип модуляции. L1 по модели OSI.
LoRaWAN – это уже стек над физикой, следующий уровень. Чаще всего, говоря LoRa, подразумевают совокупность модуляции и стека.
Встречаются решения на LoRa, но без LoRaWAN, как правило, проприетарные и узкоспециализированные. Я о них расскажу в дальнейшем, пока будем считать, что под «Лорой» понимаем классическое представление: модуляция плюс стек.
Так, стоп. Какая LoRa, о чем вы? Зачем постоянно что-то изобретать? Хотите беспроводное будущее? Интернет Вещей? У нас есть отлично-обкатанные технологии: Wi-Fi или LTE. Чем они вас не устраивают?
Не устраивают. Wi-Fi (как и LTE) работают под концепцию Интернета Людей. Дать ограниченному числу пользователей максимально широкий канал Интернета. Сколько пользователей смогут повиснуть на одной Wi-Fi точке? 20, 30, 100? А на секторе базовой станции? Примерно те же числа.
Зато каждый пользователь урвет себе терпимый канал связи. Десять пользователей могут рассчитывать на несколько LTE-мегабит/сек. И несколько десятков мбит/сек, если речь про Wi-Fi. За это они заплатят широким спектром, своей батарейкой и криками «верните связь!» на площади в Новый Год.
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. Делают они это не часто, не чаще раза в час. А то и раз в сутки. Размер пакета у них так же исчисляется байтами. Зато их много, несколько тысяч. Стоят они в железных щитках, в заложенных кафелем проемах, в «темных углах» и подвалах. К ним не всегда возможно подвести питание, потому часть из них живут от батарейки. К ним нет требований передавать пакеты за миллисекунды, но эти пакеты должны проходить.
Чувствуете, у нас вырисовывается несколько иная концепция? Wi-Fi и LTE для нас избыточны. Высадят батарею, забьют место на точке доступа (или секторе), не разгонятся до серьезной скорости. Тут-то нам на помощь приходят специальные стандарты, созданные под Интернет Вещей. На данный момент их насчитывается несколько десятков. После тщательного анализа мы выбрали LoRa.
Что она может?
Давайте потихоньку привыкать к местной терминологии и введем первое важное понятие — SF (Spreading Factor). Буквально – коэффициент расширения спектра. 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. Чем больше SF тем меньше скорость передачи, но тем выше помехозащищенность. И наоборот, меньше SF, выше скорость, но меньше устойчивости к помехам. К этому параметру привязано так же время нахождения в эфире.
Spreading Factor и часть величин, которые от него зависят
Итак, плюсы LoRa:
- 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. - 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.
- 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.
Бонус! LoRa – открытый стандарт. Бал правит по-прежнему разработчик (Semtech), у него монополия на кристаллы для чипов. Однако, сами чипы делают уже несколько компаний, а уж оборудование скоро в подвалах клепать будут. Т.е. у нас есть большой выбор независимых вендоров. И если они честно поддерживают спецификацию LoRaWAN, то они будут совместимы между собой. Это очень важно и в дальнейшем я буду много про это говорить.
Бонус2! LoRa работает в диапазоне 868 МГц. В России «аж» полтора мегагерца в этой полосе частот не требуют лицензий. Это 864,0-865,0 МГц и 868,7-869,2 МГц. Там есть ограничение по мощности (не более 25 мВт) и еще ряд «нельзя», но мы везде проходим. Одна беда, использование каналов 250 и 500 кГц в такой ситуации просто расточительство, собственно потому у нас и не прижились эти вариации. 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.
В этой статье мы с вами совершили первый экскурс в технологию и прониклись идеей. Пока все красиво. Во второй части начнем строить сеть. Вы узнаете, как получить по лбу граблями, если не читать мелкий шрифт в инструкциях и зачем допиливать базовые станции напильником.
Автор: Олег Плотников
