Публикации

Semtech

Особенности и тенденции развития технологии LoRaWAN (2017)

     29 сентября 2016 года в Москве состоялось долгожданное событие в мире инновационных технологий – масштабная международная выставка-конференция “Интернет Вещей” (ИВ), в рамках которой были затронуты самые разные аспекты – от потребительских товаров для умного дома до глобальных промышленных проектов. Прошедшее мероприятие показало неподдельный интерес к данной тематике, ведущие иностранные и отечественные компании, работающие в ИВ-индустрии, представили свое видение дальнейшего развития современных технологий “Интернета Вещей”. В данной статье будет проведен краткий обзор наиболее популярных из них. Основное внимание уделено перспективной LoRaWAN технологии, активно развивающейся в последнее время и нашедшей практическое применение во всем мире, в  том числе и на территории России.

ВВЕДЕНИЕ
     “Интернет вещей” представляет собой совокупность разнообразных приборов, автономных датчиков и исполнительных устройств, объединенных в сеть посредством любых доступных каналов связи (проводных или беспроводных), использующих различные протоколы взаимодействия между собой, подключенных к глобальной сети Интернет и выполняющих собственные или облачные приложения. Рынок “Интернета вещей” постоянно развивается, это направление в настоящее время является одним из самых перспективных. Например, согласно данным компании Ericsson число устройств, подключенных к Интернету, в 2015 году составило 15 млрд., а к 2021 году прогнозируемое количество достигнет 28 млрд. штук, из них 16 млрд. будут приходиться на ИВ-устройства, а среднегодовые темпы прироста составят 23% (рис. 1).

Прогноз увеличения числа подключённых к Интернету устройств
     Как видно из рисунка максимальный рост демонстрируют устройства, использующие сети CIoT (Cellular Internet of Things – “Интернет вещей” в сетях сотовой связи), где количество подключенных “вещей” вырастет с 400 млн. в 2015 году до 1,6 млрд. в 2021 году. В абсолютных же цифрах вне конкуренции сети с низким энергопотреблением LPWAN (Low Power Wide Area Networks), по оценкам специалистов данная тенденция сохранится в течение ближайших лет. Дальнейшее развитие этих двух основных направлений ставит перед пользователями, желающими использовать ИВ в бытовых или промышленных целях, непростую задачу выбора подходящей технологии.

ТЕХНОЛОГИИ, ОСНОВАННЫЕ НА СТАНДАРТАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
     Типовой элемент ИВ является, как правило, компактным устройством с низкой скоростью передачи данных и малым собственным энергопотреблением. Одним из основных требований к нему является минимальная стоимость организации канала связи. Использование существующих сотовых сетей для целей ИВ принято считать избыточным и дорогим, сложные протоколы и повышенная скорость обмена информацией приводят к чрезмерному энергопотреблению и быстрой разрядке батарей датчиков и других устройств. Поэтому для повышения эффективности работы ИВ-приборов и одновременного уменьшения затрат консорциумом 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) было принято решение о модернизации стандартных мобильных сетей. К основным таким модернизированным сетям можно отнести: EC-GSM (также носит названия EC-GPRS, EC-GSM-IoT), eMTC (тоже, что и LTE-M, LTE Cat.M1) и NB-IoT (таблица 1).

Отличительные характеристики технологий EC-GSM, eMTC и NB-IoT
     Технология EC-GSM предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базового GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций этого стандарта без замены или модернизации аппаратной части [1]. В этом и заключается ключевое преимущество EC-GSM – сетевая инфраструктура существующей мобильной сети GSM, распространенной по всему миру, практически готова для внедрения ИВ, во многих случаях требуется только обновить ПО на узлах сети. Пакет расширенных программных функций позволяет увеличить бюджет канала связи и включает в себя следующие изменения:
     • Уменьшение периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизацию интервалов приема и получения информации, поддержку длительных (до 52 мин) периодов “молчания”, в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию;
     • Адаптацию канального уровня сети для улучшения покрытия на 20 дБ по сравнению с базовой системой;
     • Упрощение сетевой сигнализации (отказ от поддержки совместимости с WCDMA/LTE сетями), расширение механизмов аутентификации и безопасности соединения.
     При помощи аналогичных программных изменений получена технология eMTC, являющаяся адаптацией сетей LTE для целей ИВ. Этот стандарт также сфокусирован на достижении целевых показателей массового ИВ (стоимость, покрытие, срок автономной работы) при одновременном обеспечении максимальной совместимости с имеющейся у мобильных операторов сетевой инфраструктурой. Технология eMTC призвана снизить стоимость конечных элементов сети за счет отказа от функциональности LTE, избыточной при массовом подключении устройств. При этом зачастую, сети LTE и eMTC могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика. Важное отличие технологии eMTC – высокая пропускная способность, скорость передачи данных в исходящем и входящем каналах составляет 1 Мбит/с, что востребовано при определенных сценариях.
     NB-IoT (Narrowband IoT, узкополосный ИВ) – это относительно новое направление развития сетевых технологий. Несмотря на то, что его использование предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE, речь все же идет о создании нового типа радиодоступа, характеристики которого имеют больше отличий, чем сходства с имеющимися технологиями. Ожидается, что существенная переработка протоколов канального уровня позволит снизить стоимость устройства NB-IoT по сравнению с eMTC на 90%. О поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах уже заявили многие производители сетевого оборудования и абонентских модулей: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а также ведущие операторы связи, среди которых можно отметить Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom. Сети NB-IoT предоставляют множество серьезных преимуществ, среди которых поддержка более 100 тыс. соединений на соту, десятилетняя гарантия срока службы аккумулятора, повышенная безопасность за счет двусторонней аутентификации и усиленного шифрования интерфейса.
     Таким образом, с принятием финальных версий спецификаций EC-GSM, eMTC и NB-IoT, участники рынка получат в свое распоряжение три эффективных инструмента развития сетей ИВ. К преимуществам каждой из рассмотренных сетей можно отнести использование инфраструктуры существующих мобильных операторов, поддержку роуминга, высокие скорости передачи данных для мультимедийного оборудования и устройств, которым необходимо функционировать в режиме реального времени. Недостатки состоят в том, что для их функционирования необходим лицензируемый спектр, тарифы на передачу данных могут быть высокими для нетребовательного к скоростям оборудования, а стоимость устройств, работающих в этих сетях, все еще достаточно высока. Кроме того, остается открытым вопрос стандартизации, в настоящее время стандартизирована только технология NB-IoT, а EC-GSM и eMTC ожидают её.

LPWAN ТЕХНОЛОГИИ
     Для оконечных устройств сети, обычно выполняющих функции сбора данных, не так важны скорость и объем передаваемой информации, определяющими характеристиками являются длительность работы без дополнительного обслуживания и зарядкиаккумуляторов (измеряемая месяцами и годами). Для соответствия данному требованию активно внедряются новые типы маломощных сетей LPWAN, отличающихся низким энергопотреблением и одновременно большим радиусом действия. К типовым элементам сетей данного типа относятся автономные счётчики потребления (воды, газа, электричества), установленные в подвалах жилых домов, модули управления уличным освещением, датчики систем безопасности и т.д. В настоящее время существует несколько распространенных LPWAN технологий для ИВ, которые работают в нелицензируемых субгигагерцовых частотных диапазонах, наибольшую популярность имеют конкурирующие технологии для сетей ИВ большой дальности – Sigfox, LoRaWAN и Стриж, в таблице 2 приведены их основные отличительные особенности [2].

Отличительные особенности технологий Sigfox, LoRaWAN и «СТРИЖ»
     Компанией Sigfox (Франция) разработана одноименная технология сверхузкополосной (UNB – Ultra Narrow Band) беспроводной связи для передачи данных в диапазонах 868 и 902 МГц. Сеть развернута в 21 стране мира(во Франции, Италии, Великобритании, Испании, Бельгии, Ирландии, в США и странах Латинской Америки), к концу 2016 года компания планирует расширить свое присутствие до 30 стран. Количество устройств, подключенных к Sigfox, превышает 7 млн. штук, решения разработаны для “умных городов”, интеллектуальных зданий, дистанционного мониторинга, контроля и учета энергоресурсов и множества других приложений.
     В отличие от Sigfox технологии Стриж и LoRaWAN охватывают некоторые города в России, а первая из них, к тому же, является отечественной разработкой. Сеть Стриж, осуществляющая передачу данных с 2014 года, только разворачивается в России и странах СНГ, сейчас она насчитывает более 200 базовых станций, расположенных на территории Москвы и Московской области, Санкт-Петербурге, Уфе, Грозном, Ставрополе, Ростове-на-Дону и других крупных городах. Эта система реализуется компанией “Стриж-Телематика”, для построения используется узкополосная модуляция и собственный протокол связи Marcato 2.0. В основе сетей LoRaWAN(Long Range Wide Area Networks) лежит использование запатентованного компанией Semtech метода модуляции LoRa, реализуемого в железе и обеспечивающего рекордные показатели бюджета канала связи (до 168 дБ).
     Разработкой и стандартизацией LoRaWAN занимается некоммерческая организация LoRa Alliance [3]. Помимо основателей альянса, компаний IBM и Semtech, в это объединение входят известные производители электроники, такие как Cisco, Kerlink, IMST, Microchip Technology, а также лидирующие телекоммуникационные операторы (Bouygues Telecom, Inmarsat, SingTel, Proximus, Swisscom), при этом количество зарегистрированных членов постоянно увеличивается. Согласно данным альянса, по итогам 1 квартала текущего года сети LoRaWAN были запущены в эксплуатацию в 13 и тестировались порядка в 60 странах, крупнейшие из них развёрнуты в Нидерландах, Бельгии, Франции, Швейцарии и Австралии, Финляндии, Италии, Германии, Дании и Чехии.
     Общая черта всех перечисленных технологий в том, что они позволяют организовать низкоскоростную беспроводную передачу данных на дальностях в единицы или десятки километров, не выходя при этом за ограничения безлицензионных радиодиапазонов (как правило, такие системы работают на частотах 864-869 МГц с мощностью до 25 мВт). Однако в том, как именно происходит использование радиочастотного спектра, они достаточно существенно различаются: у широкополосных (UWB) LoRaWAN сетей один канал занимает полосу 125 или 250 кГц, в то время как у узкополосных Sigfox или Стриж его ширина составляет 100 Гц.
     У каждого из способов есть свои плюсы и минусы. В России для неспециализированных устройств официально доступны две полосы частот: 864,0-865,0 МГц с периодом активной работы не более 0,1% и запретом на работу вблизи аэропортов и 868,7-869,2 МГц без таких ограничений. То есть, по сути, имеется всего лишь 500 кГц доступной полосы частот, в которую теоритически умещаются всего три LoRaWAN канала шириной 125 кГц и, с другой стороны, несколько тысяч каналов Sigfox или Стриж. Но при практической реализации это преимущество UNB-системне столь очевидно.
     В UNB-системах, использующих частотное разделение каналов, приёмник базовой станции в один момент времени может принимать данные только от одного узла сети. В сетях LoRaWAN используется не только частотное и временное, но и кодовое разделение каналов, базовая станция способна разделять потоки данных от нескольких устройств, одновременно работающих с разными схемами модуляции на одном частотном канале. Кроме того, UNB-системы крайне чувствительны к точности установки частоты. Например, хороший кварцевый резонатор имеет погрешность 10 ppm (0,001%) при комнатной температуре, также можно добавить еще 15 ppm (0,0015%) сверху при изменении температуры в диапазоне от -40 до +85 °С. Даже такое малое изменение может значительно превысить номинальную ширину 100 Гц канала и выбросить рабочую частоту оконечного устройства за пределы заданной ему полосы. Частично эта проблема решается при помощи термостабилизированных генераторов (TCXO), позволяющих уменьшить погрешность примерно в 10 раз, но стоимость узлов сети при этом значительно возрастает.
     Более продвинутый вариант, применяемый в современных базовых станциях (БС), подразумевает оцифровку, спектральный анализ радиоэфира и поиск абонентских устройств. Такая система действительно эффективна, но цифровая обработка сигналов в режиме реального времени является сложной вычислительной задачей, требующей от БС весьма серьёзных аппаратных и программных ресурсов. Практическое следствие этого – трудность создания бюджетных станций, например, у компании Sigfox она стоит примерно 3000 евро. К тому же, реализовать такие же алгоритмы на уровне маленького, дешёвого и экономичного оконечного устройства проблематично, поэтому двунаправленность связи в UNB-системах присутствует не всегда и не везде. В отличие от них сеть LoRaWAN гарантирует симметричный канал связи. Благодаря полосе, шириной в сотни кГц, обеспечивается симметричная связь при уходе частоты на 25% от ширины канала (31,25 кГц при ширине 125 кГц), что в диапазоне 868 МГц означает допустимую погрешность резонатора в 35 ppm.
     По скорости передачи данных преимущество также имеет LoRaWAN технология. UNB-системы работают на фиксированной низкой скорости, не превышающей 100 бит/с, на практике это приводит к довольно жёстким ограничениям. Так, в Sigfox максимальный объём пользовательских данных составляет12 байт, их передача занимает несколько секунд, а условия подключения к сети определяют, что один объект может отправлять не более 140 сообщений в сутки. Скорость передачи данных в сетях LoRaWAN – адаптивная, может меняться от 30 бит/с до 50 кбит/с. Из-за сложной системы модуляции длина сетевого пакета больше, чем у UNB-систем (длиннее преамбула), но это с лихвой компенсируется большей пропускной способностью.
     Отдельного внимания заслуживает вопрос помехозащищенности, здесь в более выгодном положении находятся узкополосные системы, обладающие возможностью перестройки частоты на десятки кГц в любую сторону. Базовая станция, анализирующая широкий диапазон, все равно поймает сигнал от абонентского устройства. С другой стороны, каждый узел сети может перед отправкой сообщения прослушать эфир и переключиться в другую полосу, если на его полосе слишком шумно. Устройства LoRaWAN достаточно чувствительны к помехам, но на практике избыточность кодирования позволяет им спокойно функционировать, например, по соседству с узкополосными системами.
     Энергопотребление конечных устройств определяется технологическим совершенством чипов передатчиков и временем, в течение которого они находятся в активном режиме. Во всех перечисленных технологиях обеспечивается работа на одной батарейке в течение 5 лет и более. UWB-сети имеют преимущество над UNB при работе на небольших дистанциях, когда их скорость может превышать 1 кбит/с, а время активности и энергопотребление передатчика значительно сокращается вследствие быстрой передачи данных.
     Дальность связи – примерно одинаковая и сильно зависит от условий на местности, в целом можно считать, что все перечисленные технологии обеспечивают радиус действия 1-3 км в городской застройке и 15-20 км на открытой местности. Некоторым преимуществом LoRaWAN является то, что на фоне конкурентов это довольно открытая технология, в мире есть много занимающихся ей компаний, а потому сравнительно нетрудно найти различные отзывы с указанием реально достигнутой дальности.
     Отдельно стоит упомянуть об открытости сравниваемых систем, являющейся немаловажным фактором при выборе конкретной технологии ИВ. Любая реализованная сеть содержит несколько типовых уровней, изображенных на рис. 2.

Сравнение открытости технологий Sigfox, LoRaWAN и «СТРИЖ»
     Как видно Sigfox представляет собой довольно закрытую систему. Для ее использования необходимо приобрести у компании базовые станции и заключить с ней договор на разворачивание сети, к которой будет предоставляться платный доступ сторонним абонентам. Серверы Sigfox с ПО верхнего уровня также принадлежат компании. Положительным моментом является доступность чипов и оконечных устройств, их производят компании Texas Instruments, SiLabs и ряд других изготовителей. Технология Стриж отличается абсолютной закрытостью – компания “Стриж-телематика” сама производит и устанавливает базовые станции и конечные устройства, предоставляет сервер сети и с каждого подключённого устройства взимает абонентскую плату. Чипы компания не выпускает, но разрабатывает прошивки для готовых трансиверов Semtech и Axsem, реализующие особенности технологии. Очевидно, что такой безальтернативный подход представляет серьёзный риск для реализуемых проектов, так как пользователь по всем уровням оказывается привязан к единственному поставщику.
     Владелец технологии LoRaWAN – компания Semtech, зарабатывает только на полупроводниковых изделиях, а все детали технической реализации проекта отдает на полное усмотрение заказчика. Чипы LoRaWAN для конечных устройств присутствуют в свободной продаже, документация на них открыта, делать устройства на них могут все желающие. Две библиотеки, представляющие собой программные реализации стека протокола LoRaWAN: LoRaMACот компании Semtech и LMiC (LoRaWANinC) от IBM, также находятся в открытом доступе. Такой поход оправдывает себя, например, в Европе с появлением LoRaWAN экспансия Sigfox значительно замедлилась.

АРХИТЕКТУРА СЕТИ LoRaWAN
     Типичная сеть LoRaWAN имеет базовую топологию “звезда” и состоит из оконечных узлов, шлюзов, сетевого сервера и сервера приложений [4]. Принцип работа прост – базовые станции (шлюзы) передают зашифрованные данные, полученные от оконечных устройств, на центральный сервер сети провайдера и далее на сервер приложений сервис-провайдера, с которого информация поступают пользователям (рис. 3).

Типовая архитектура сети LoRaWAN
     Центральный сервер LoRaWAN осуществляет общее управление сетью, в частности принимает решение о необходимости адаптации скорости передачи данных, изменения мощности передатчика, выборе канала передачи, ее начале и продолжительности по времени, измеряет заряд батарей конечных узлов, т.е. полностью контролирует каждое абонентское устройство в отдельности. Каждый LoRaWAN пакет данных, отправляемых конечным узлом, имеет в своем составе уникальный идентификатор приложения, соответствующий определенному приложению на сервере провайдера и используемый для его дальнейшей маршрутизации. В лабораторных условиях сервер приложений, сетевой сервер и единственный шлюз (в виде одноканального трансивера) могут быть объединены для построения упрощенной модели сети.

ОКОНЕЧНЫЕ УЗЛЫ СЕТИ
     Оконечные устройства (конечные узлы, end-node) являются элементами, выполняющими функции измерения, управления и/или контроля, обмен данными двухсторонний, как от конечных точек к серверу, так и обратно. Узлы сети осуществляют передачу не постоянно, а лишь через определенные промежутки времени согласно заданному графику. Остальное время их трансиверы находятся либо в неактивном состоянии (режиме сна), либо в состоянии приема для получения ответа от сервера, режим работы зависит от класса устройства (A, B или С):
     • Устройства класса А имеют наименьшую мощность потребления энергии и поэтому наиболее распространены на практике. Инициатором обмена выступает сам конечный узел, как правило, не требующий подтверждения получения своего сообщения сервером (сообщения без квитирования). Обратная передача данных от сервера конечному узлу возможна только после выхода узла на связь, до этого момента сервер только накапливает сообщения для определенных адресатов.
     • Основное отличие устройств класса B от класса А заключается в выделении дополнительного окна приёма, которое узел сети открывает по расписанию. Для этого конечные устройства синхронизируют свое внутреннее время с временем сети при помощи специальных сигналов, которые они регулярно получают от базовой станции. В заранее известный момент открытия приемного окна сервер может начать передачу сообщения.
     • Устройства класса С характеризуются максимальным приемным окном, почти непрерывным, закрывающимся только на период кратковременной передачи данных. Сервер может инициировать обмен в любое время, и передать сообщения узлу с наименьшими задержками, по мере их появления. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных, потребляет наибольшее количество энергии (по сравнению с классами A и B), поэтому обычно не использует батарейное питание.

Основные характеристики серийно выпускаемых модулей для сети LoRaWAN
     С распространением LoRaWAN растет и число производителей, предлагающих свои варианты модемов, основные технические характеристики наиболее популярных версий промышленно выпускаемых модулей для узлов сети приведены в таблице 3, а внешний вид показан на рис.4.
     Оконечный узел сети LoRaWAN, как правило, представляет собой беспроводной модуль, объединяющий в своем составе приемопередатчик с необходимой для заданной частоты пассивной обвязкой и отдельный микроконтроллер для хранения стека протокола LoRaWAN [5, 6]. В большинстве случаев все преимущества модуляции LoRa реализуются при помощи трансиверов SX1272 или SX1276, выпускаемых компанией Semtech. Исключение составляют модули RN2483 и RN2903, разработанные компанией Microchip по лицензии Semtech. Как видно из таблицы предлагаемые варианты имеют схожие характеристики, поэтому при выборе подходящего решения стоит обратить внимание на дополнительные характеристики – конструктивные особенности, габаритные размеры, наличие необходимой периферии, дополнительных интерфейсов на борту и т.д.

Внешний вид некоторых беспроводных модулей для оконечных узлов сети LoRaWAN

БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ LoRaWAN
     Базовые станции (шлюзы, концентраторы) сети LoRaWAN формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети с помощью Ethernet, WiFi, GSM или других телекоммуникационных каналов связи путём организации стандартного IP-соединения. В зависимости от желаемой канальной ёмкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут монтироваться как внутри помещений, так и на вышках или зданиях.
     Большой плюс технологии LoRaWAN – дешевизна, простота и абсолютная симметричность решений для абонентских устройств и БС. В отличие от UNB-систем одноканальную базовую станцию можно быстро изготовить самому из связки трансивера серии SX127x и управляющего контроллера с соответствующей прошивкой, и этого более чем достаточно для большинства задач мониторинга.
     В сетях с высокой плотностью абонентских устройств в качестве шлюзов выступают специальные многоканальные концентраторы с несколькими аппаратными демодуляторами, принимающие данные от множества узлов одновременно. Для полноценных базовых станций компания Semtech предлагает чип SX1301, содержащий 49 “виртуальных” демодуляторов. Под “виртуальными”демодуляторами подразумевается сложная схема, в которой есть 9 физических демодуляторов, при этом один работает с фиксированным SF (Spreading Factor), а каждый из остальных восьми – с любым полученным из эфира SF, да ещё и на своей собственной частоте. ИС SX1301 требует сложной внешней обвязки (у него нет интегрированного радиотракта) и продаётся только напрямую самим производителем. Для радиочастотной части шлюза компанией рекомендуется трансивер SX1257. Эта связка обычно и используется в массово выпускаемых базовых станциях LoRaWAN сети, в таблице 4 приведены их отличительные особенности, а на рис. 5 внешний вид отдельных моделей.

Отличительные характеристики популярных базовых станций сети LoRaWAN
     Конфигурируемый шлюз MultiConnectConduit компании Multitech представляет собой гибкое и масштабируемое решение, в котором путём установки дополнительных модулей из серии mCard организуется мост между 4G-LTE, 3G, 2G, Ethernet с одной стороны и WiFi, GNSS, Bluetooth, RS-232, LoRaWAN с другой. Базовая станция LL-BST-8 компании Link Labs изготавливается на основе одноплатного компьютера со следующими параметрами: процессорAMDx64 с тактовой частотой 800 МГц, RAM размером 2 Гб, гигабитный Ethernet, встроенный SSD диск и модуль с ИС SX1301, подсоединенный к материнской плате через разъем mini-PCIe. Шлюз Toti-LoRa-pico от Calao Systems выполнен в анодированном металлическом корпусе, предназначенном для крепления на DIN рейку. Диапазон рабочих температур – от -20 до +70°С, в основе управляющей части лежит RaspberryPi.
     Базовые станции серии WirNet от компании Kerlink, отличающиеся возможностью эксплуатации вне помещений, рассчитаны на различные диапазоны частот. Производимые в водонепроницаемых корпусах с классом защиты IP67 они в основном устанавливаются на крышах высотных зданий и антенных вышках. В настоящее время предлагается четыре варианта шлюзов, протестированных в сетях крупных провайдеров Loriot, Orbiwise, Stream Technologies, The Things Network и сертифицированные на соответствие требованиям CE/FCC/IC/KC.

Внешний вид отдельных базовых станций LoRaWAN

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ LoRaWAN.
     Учитывая ключевые особенности LoRaWAN сетей, а именно длительный срок эксплуатации узлов сети без обслуживания и большой радиус их действия, можно отметить наиболее привлекательные области внедрения. Прежде всего, это сфера ЖКХ. Применение интеллектуальных беспроводных счетчиков помогает легко организовать автоматизированный учет расходов энергоресурсов (воды, тепла, газа, электроэнергии) в масштабе крупного микрорайона, а также в режиме реального времени отслеживать состояние применяемого оборудования. В энергетике построение автоматизированных умных сетей электроснабжения позволяет повысить эффективность использования электроэнергии в зданиях и на производственных предприятиях. В промышленности уже функционируют сотни миллионов устройств, готовых к подключению. Среди них особый интерес представляют системы технического обслуживания и ремонта, управления технологическими процессами, умные насосы, компрессоры, клапаны и т.д.
     Также сеть LoRaWAN может быть полезна при осуществлении разнообразных функций коммуникации в транспортных системах, построении систем контроля загруженности автодорог, “умных парковок”, логистических систем, а также контроле безопасности на дорогах и беспроводном мониторинге состояния техники на крупных открытых площадках. Большую популярность в последнее время приобретает концепция “умного города”, в рамках которой объединяются не зависящие ни от системы электропитания, ни от коммуникаций беспроводные устройства, выполняющие мониторинг механических, электрических и электронных систем, используемых в современных зданиях.
     Несмотря на новизну стандарта LoRaWAN, на рынке сетевых приложений уже доступно множество примеров его практического применения, в том числе и на территории России. В мире несколько крупных операторов уже запустили сети LoRaWAN, в их числе Bouygues Telecom (Франция), KPN (Нидерланды) и Proximus (Бельгия), информация о внедрении появляется практически ежемесячно. Так, в июле 2016 года LoRaWAN заработала в Южной Корее, в августе Европейский оператор связи Orange приступил к развертыванию сети, состоящей из 15 тыс. базовых станций, для покрытия всей Франции, в сентябре компания Digital Catapult ввела в эксплуатацию 50 LoRa концентраторов, расположенных по всему Лондону.
     В России решения на базе LoRaWAN активно продвигают несколько провайдеров. Компания Lace, входящая в LoRaальянс, работает на данный момент в 13 крупных городах (Москве, Санкт-Петербурге и т.д.). Например, в мае 2016 года сеть вещей стандарта LoRaWAN в тестовом режиме заработала в Иннополисе – IT-городе в 40 километрах от Казани. С помощью технологии LoRaWAN была выполнена автоматизация практически всех внутригородских процессов, в том числе сбор данных со счетчиков ЖКУ, учет использования коммунальной техники, организация парковочных мест, уличного освещения и безопасности движения. Для оценки реальной дальности связи и возможности применения предлагаемых устройств в определенных проектах компания периодически проводит натурные испытания нового, появившегося на рынке, LoRaWAN оборудования [7]. Так, в начале этого года Lace совместно с компанией AURORA Mobile Technologies провела опытное развертывание и тестирование системы мониторинга технологических параметров объектов тепло- и водоснабжения города Перми. Аппаратную часть эксперимента составили базовая станция собственного изготовления, построенная на основе ИС SX1301, беспроводные модули производства Adeunis RF и электросчетчики Санкт-Петербургского завода измерительных приборов с LoRa трансивером SX1272 “на борту”. Результатам испытаний посвящена отдельная статья [8].
     В январе 2016 года о тестировании своей сети в Москве заявили представители компании SenLabRus. Пилотный проект включает в себя базовые станции производства фирмы Kerlink, специальное ПО от Actility, датчики температуры и счетчики потребления воды компании Sensing Labs для использования внутри зданий и наружного применения. Одновременно с развертыванием базовых станций компания ведет работу по локализации выпуска датчиков, работающих в сетях LoRaWAN с целью уменьшения стоимости конечного оборудования для российских клиентов.
     Ещё один представитель отечественного рынка ИВ – компания “Сеть868”, являющаяся членом LoRa альянса. Коммерческий старт проекта состоялся в середине июня 2016 года на юге страны, сеть была развернута в Краснодаре, Ростове-на-Дону и Самаре. На этапе становления компания объединила в себе функции оператора сети, разработчика, системного интегратора и производителя оконечных устройств. С ростом покрытия часть этих функций постепенно перейдет партнёрам и другим заинтересованным лицам в соответствии с их компетенциями. В компании производят всё необходимое для развития сети: и операторское оборудование (базовые станции), и клиентские устройства (универсальные модемы, датчики, счётчики, трекеры, различные приборы со встроенными радиомодулями для работы в сети LoRaWAN). Собственная инфраструктура (серверы сети и серверы приложений) находится в России. Также разработано облачное приложение для безопасного и быстрого сбора и удобного анализа данных от конечных узлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     Дальнейшее развитие рынка “Интернета Вещей” идет по двум основным направлениям, первое связано с адаптацией существующих сотовых сетей для целей ИВ, второе – с применением специализированных LPWAN устройств. Среди LPWAN технологий в настоящее время наиболее популярны конкурирующие сети Sigfox, LoRaWAN и Стриж, и хотя во многих случаях они применимы в равной степени, существуют заметные отличия, которые могут сыграть в пользу того или иного решения. На узкополосных Sigfox и Стриж может быть реализована быстрая перестройка рабочей частоты устройств для ухода от коллизий и помех. Широкополосная сеть LoRaWAN обладает существенно большей гибкостью параметров, обеспечивает высокие скорости передачи данных, симметричную двунаправленную связь, менее чувствительна к перепадам температур. При выборе подходящего решения также стоит учитывать доступность устройств, их конструктивные особенности, наличие покрытия сети в заданном районе и т.д.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson
2. Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. / Блог компании Unwired Devices
3. Официальный сайт LoRa альянса // https://www.lora-alliance.org/
4. Архитектура LoRaWAN сетей / Сайт сообщества LoRaWAN / http://lorawan.lace.io/lorawan-networks/
5. Сайт сообщества разработчиков LoRa / http://lo-ra.ru/forum/resources/
6. Сайт сети Loriot // https://www.loriot.io/lora-end-nodes.html
7. LoRa модуляция — тест на дальность передачи данных / Сайт сообщества LoRaWAN / http://lorawan.lace.io/lora-range-test/
8. Гусев. О. Эксперимент по созданию системы мониторинга хозяйственных объектов с использованием LoRaWAN. / Беспроводные технологии, №2 2016, с. 72-76.

LoRaWAN: От трансивера до базовой станции