LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network) — это протокол беспроводной передачи данных, разработанный для Интернета вещей, обеспечивающий низкое энергопотребление, дальнюю дальность действия и масштабируемость в сетях сенсоров. Технология основана на модуляции LoRa (Long Range), которая является физическим уровнем, а сам протокол управления доступом к среде (MAC) называется LoRaWAN.
Основные технические характеристики
LoRaWAN — это открытый стандарт и MAC-протокол для высокоемких сетей низкого энергопотребления широкого радиуса действия (LPWAN). Протокол был разработан компанией Semtech и стандартизирован LoRa Alliance. Технология получила статус предварительного национального стандарта (ПНСТ) в России в 2021 году и была признана ITU-T как международный стандарт Y.4480.
LoRaWAN работает в нелицензируемых частотных диапазонах (ISM bands), что исключает необходимость платы за спектр:
- 868 МГц — основной диапазон для Европы, включая Россию. Для России согласованы региональные параметры RU 864–870 МГц с максимум 8 каналами. Ширина спектра 125 кГц для восходящего канала.
- 915 МГц — диапазон для Северной Америки с максимум 64 каналами для восходящего канала (UL) и 8 каналами для нисходящего канала (DL). Ширина спектра 125 кГц и 500 кГц.
- 433 МГц — используется в некоторых азиатских странах.
Физический слой использует модуляцию LoRa (Chirp Spread Spectrum — CSS, линейная частотная модуляция с расширением спектра ЛЧМ-сигнала), которая обеспечивает большую дальность и устойчивость к помехам. Модуляция использует так называемый SF (Spreading Factor) — коэффициент расширения спектра, варьирующийся от 7 до 12. Чем выше SF, тем лучше помехозащищенность, но тем ниже скорость передачи и больше времени пакет занимает в эфире.
Скорость передачи составляет 0,3–50 кбит/с в зависимости от региона и выбранных параметров передачи:
Для примера, при максимальной помехозащищенности (SF=12) на частоте 868 МГц скорость составляет 292 бит/сек, а время пакета в эфире — 2,466 секунды.
- На открытой местности: до 15–20 км (максимальная дальность при хороших условиях)
- В пределах прямой видимости: более 15 км
- В городских условиях с плотной застройкой: до 5 км в зависимости от плотности зданий, высоты застройки и материалов стен
- В сельской местности: 5–7 км благодаря меньшему количеству помех
- В глубоких подвалах: около 300 метров
Рекордная дальность была достигнута в сентябре 2017 года, когда шар-зонд на высоте 38 км отправил данные на расстояние 702 км. В 2022 году был установлен рекорд 766 км.
- 125 кГц — стандартная ширина канала для большинства регионов
- 250 кГц и 500 кГц — поддерживаются в некоторых регионах для повышения скорости передачи
- Пропускная способность NB-IoT (180 кГц) имеет преимущество перед LoRaWAN (125 кГц)
Архитектура сети
LoRaWAN использует топологию звезда, где конечные устройства напрямую подключаются к базовой станции (gateway) без промежуточных узлов. Каждый пакет от конечного устройства передается на все доступные шлюзы, которые затем перенаправляют его на центральный сервер.
- Конечные устройства (End Devices) — датчики и устройства IoT, которые собирают и передают данные
- Базовые станции (Gateways) — приемопередающие устройства, которые принимают данные от конечных устройств и передают их в облако или центральную систему через стандартные интернет-соединения (TCP/IP и SSL)
- Центральный сервер (Network Server) — управляет сетью, определяет скорость передачи данных, мощность передатчика, выбирает каналы и контролирует время передачи
- Сервер приложений — обрабатывает данные в соответствии с требованиями конкретного приложения
Центральный сервер LoRaWAN полностью контролирует работу сети:
- Задает нужную скорость передачи данных (ADR — Adaptive Data Rate)
- Регулирует мощность передатчика
- Контролирует уровень заряда батерей
- Выбирает радиоканалы для передачи
- Контролирует продолжительность времени передачи
Маршрутизация осуществляется по 32-битному сетевому адресу, уникальному для каждого узла, и идентификаторам приложения AppEUI.
Классы устройств
LoRaWAN поддерживает три класса конечных устройств с разными характеристиками:
Класс A — базовый класс с двунаправленной связью. Восходящие данные всегда поступают с конечного устройства, за которыми следуют два коротких окна приема для нисходящих сообщений. Между передачами устройство может полностью переходить в энергосберегающий режим, что делает этот класс наиболее энергоэффективным.
Класс B — класс с запланированными окнами приема. Дополнительно к двум окнам приема класса A добавляется запланированное окно передачи в нисходящем канале на основе маяков от базовой станции.
Класс C — класс с постоянно открытым окном приема. Устройства этого класса могут получать данные в любой момент, но при этом постоянно потребляют энергию, что делает их подходящими для сетевых устройств с постоянным питанием.
Управление энергией
LoRaWAN отличается экстремально низким энергопотреблением благодаря:
- Топологии типа «звезда», где отсутствует поэтапная передача данных от узла к узлу
- Передаче небольших объемов информации
- Использованию режима спящего состояния между передачами
Устройства LoRaWAN имеют продолжительный срок эксплуатации батарей — более 10 лет. Это достигается за счет того, что устройства работают не постоянно, а периодически передают небольшие объемы данных.
Безопасность
- LoRaWAN защищена с помощью продвинутых уровней шифрования
- Используются механизмы аутентификации и согласования ключей
- Данные кодируются для предотвращения несанкционированного доступа
Однако важно отметить, что LoRaWAN обеспечивает шифрование на уровне программного обеспечения, а не аппаратную безопасность.
Масштабируемость
Поддержка большого количества устройств:
- Одна базовая станция может взаимодействовать с несколькими тысячами конечных узлов
- Возможно развертывание сетей с десятками тысяч устройств
- Благодаря тому, что каждый шлюз может в одном радиочастотном канале одновременно принимать сигналы от нескольких конечных устройств с разными коэффициентами расширения спектра
Преимущества LoRaWAN
Основные достоинства технологии:
- Большая дальность передачи данных — до 15–20 км в городских условиях и до 50 км на открытых пространствах, что позволяет охватить большие территории с небольшим количеством базовых станций
- Экстремально низкое энергопотребление — устройства потребляют очень мало энергии, что позволяет им работать на батарейках в течение более чем 10 лет
- Низкая стоимость развертывания — использование нелицензируемого частотного спектра (ISM band) исключает необходимость платить за спектр или получать разрешения от операторов связи
- Высокая проникающая способность — сигнал на субгигагерцовых частотах может проходить через препятствия, включая стены зданий
- Низкая задержка в городских условиях, особенно актуально для мониторинга удаленных объектов и датчиков в глубоких подвалах
- Гибкость и масштабируемость — технология позволяет добавлять новые устройства и расширять сеть по мере необходимости
- Возможность подключения большого количества устройств — одна базовая станция может обслуживать несколько тысяч устройств
- Открытый стандарт — совместимость устройств от разных производителей
- Независимость от облака — система может работать локально, не требуя доступа в интернет для базовых функций
- Эффективность в сложных метеоусловиях — устойчивость сигнала к воздействию помех от других сетей
Недостатки LoRaWAN
Основные ограничения технологии:
- Низкая пропускная способность — максимальная скорость передачи 50 кбит/с (в типичных случаях 0,3–50 кбит/с) делает протокол непригодным для передачи больших объемов данных, видео или аудио
- Ограниченная полезная нагрузка — сеть LoRaWAN позволяет устройствам передавать только низкую полезную нагрузку (обычно до 243 байт)
- Ненадежна для критических приложений — отсутствие гарантированной доставки пакетов делает технологию не подходящей для приложений, требующих критической надежности
- Отсутствие аппаратной безопасности — LoRaWAN обеспечивает только программное шифрование без аппаратных механизмов защиты
- Риск помех в нелицензируемом диапазоне — спектр ISM используется различными устройствами, что может создавать помехи
- Задержка передачи — от нескольких секунд до нескольких десятков секунд из-за времени передачи радиосигнала
- Проприетарность модуляции LoRa — технология модуляции запатентована Semtech, что может ограничить её дальнейшее развитие
- Зависимость от качества инфраструктуры — реальная дальность и надежность зависят от качества установленных базовых станций и их расположения
- Ограниченное управление приоритетами — система имеет ограниченные возможности для управления качеством обслуживания (QoS)
- Возможные помехи при плотных развертываниях — большое количество устройств в одной сети может создавать коллизии пакетов
- Не подходит для непрерывного мониторинга — топология звезда без промежуточных узлов означает, что потеря сигнала одной базовой станцией приводит к отказу связи
- Требуется выделенная инфраструктура — необходимо развертывание собственной сети базовых станций
Применение в различных сферах
Использование в IoT и промышленности:
- Мониторинг удаленных объектов — использование LoRaWAN для мониторинга давления в трубопроводах на месторождениях, где один шлюз может обслуживать датчики на расстоянии до 15 км
- Умные города — для ведения учета различных видов энергетических и коммунальных ресурсов
- Датчики в глубоких подвалах и труднодоступных местах — где другие беспроводные технологии показывают нестабильный результат
- Сбор данных с множества датчиков — благодаря низкому энергопотреблению и дальности действия
Сравнение с другими технологиями
| Параметр | LoRaWAN | ZigBee | NB-IoT |
|---|---|---|---|
| Дальность | 15–20 км | 100–300 м | 3–4 км |
| Энергопотребление | Очень низкое | Низкое | Среднее |
| Скорость передачи | 0,3–50 кбит/с | 250 кбит/с | 180 кбит/с |
| Частота | 868/915 МГц | 2,4 ГГц | Сотовая сеть |
| Топология | Звезда | Mesh | Сотовая |
| Требует лицензии | Нет | Нет | Да |
| Время автономной работы | Более 10 лет | Месяцы/годы | 3–5 лет |
| Качество обслуживания | Ограниченное | Хорошее | Отличное |
| Надежность в критических системах | Низкая | Средняя | Высокая |
LoRaWAN представляет собой оптимальное решение для развертывания широкомасштабных систем IoT в условиях, где требуется минимальное энергопотребление, дальняя дальность передачи и низкие затраты на развертывание. Однако технология не подходит для приложений, требующих высокой скорости передачи, гарантированной доставки или критически важных систем управления реального времени.