V roce 2012 se na úpatí Alp zrodila technologie, která umožňuje zpracovat signály okolo hladiny šumu při provozu v bezlicenčních pásmech. Jak LoRa (Long Range) a LoRaWAN fungují, jaké jsou jejich výhody a nevýhody a jak je použít v praxi?
IoT technologie: LoRa a LoRaWAN (3/5)
V roce 1960 vznikla v Kalifornii společnost Semtech. Už přes půl století se tak zabývá vývojem celé škály nejrůznějších technologií a postupně v jednotlivých oblastech pohlcuje své konkurenty. Mezi nimi najdeme řadu zvučných jmen, které ovšem většině běžné populace nic neřeknou. Pro nás je zajímavá společnost Cycleo, kde francouzští inženýři od roku 2009 vyvíjeli zcela unikátní protokol – ten by umožňoval pracovat se signály na prahu šumu a přinesl tak nízké energetické nároky a bezprecedentní dosah.
Dnes víme, že se jim to podařilo a spojení se Semtechem přineslo zcela nové možnosti právě v době, kdy vznikaly první LPWAN. V roce 2012 tak spatřily světlo světa technologie LoRa (Long Range) a LoRaWAN.
Zatímco LoRa je technologie, která moduluje data do elektromagnetických vln na fyzické vrstvě (rádio) umožňující komunikaci na velké vzdálenosti, LoRaWAN je komunikační protokol a architektura celé sítě.
Jak to funguje?
Fyzická vrstva LoRa využívá modulaci s rozprostřeným spektrem (Spread Spectrum Modulation), respektive její variantu nad CSS (Chirp Spread Spectrum).
Při použití CSS modulace je generován takzvaný chirp signál, který lineárně s časem zvyšuje svoji frekvenci od spodní hranice pásma po horní hranici pásma (chirp-up), anebo svoji frekvenci snižuje (chirp-down). Po dosažení horní hranice se frekvence vrací na spodní hranici a proces se opakuje. Na tento signál je následně přerušováním (chirp) modulována přenášená informace.
Jaké jsou výhody LoRa technologie?
Díky jednoduché linearitě chirp pulzů jsou frekvenční rozdíly mezi vysílačem a přijímačem shodné s časovými rozdíly, které lze jednoduše eliminovat. Pozorný čtenář odvodí, že to činí CSS modulaci odolnou vůči Dopplerovu jevu a předurčuje LoRaWAN mimo jiné ke komunikaci s pohybujícím se zařízením.
Frekvenční rozdíl může být až 20 % šířky pásma bez vlivu na schopnost dekódovat signál, což pomáhá snížit cenu LoRa modulů – není nutné implementovat vysoce přesné krystaly, které zvyšují koncovou cenu. Není ani nutné aplikovat komplexní algoritmy, což snižuje energetickou náročnost.
Aby nebylo výhod CSS málo, dosah s jejím použitím je v praxi běžně v jednotkách kilometrů. V jasném zorném poli běžně přes 10 km a zaznamenána byla i spojení na vzdálenosti přesahující stovky kilometrů. Ta se však uskutečňují za neobvykle příznivých klimatických podmínek a zpravidla pouze za účelem zlomení rekordu (více zde).
V minulosti se proto CSS používala v radarové komunikaci a ve vesmírném průmyslu, ale to bylo v době, když ještě většina z nás – autora článku nevyjímaje – tahala kačera.
Stejně jako u IQRF a Sigfoxu, o kterém si budeme povídat příště (případně dalších technologií využívajících bezlicenční rádiové pásmo) je možné i v LoRaWAN použít pro vysílání pouze 1 % času. LoRaWAN se tomuto omezení elegantně vyhýbá podporou komunikace na více kanálech, což umožnuje provádět delší přenosy dat a přijímat až 7 různých vysílání současně.
Mezi parametry přenosu, které je možné v LoRaWAN předem konfigurovat, patří citlivost přijímače, přenosová rychlost a protichybový kód. Obvykle je volen kompromis, při kterém se přenosová rychlost bude pohybovat kolem 5 kbps.
Bezpečnost byla evidentně také důležitým aspektem vývoje LoRaWAN. Využívány jsou dvě vrstvy zabezpečení: jedna pro síť a jedna pro aplikaci. Zabezpečení sítě zajišťuje autentičnost uzlu v síti, zatímco aplikační vrstva zabezpečení zajišťuje, že provozovatel sítě nemá přístup k datům aplikace koncového uživatele. Při výměně klíčů se používá šifrování AES. Signály vysílané s nízkým výkonem při použití CSS je navíc velmi obtížné detekovat a zachytit.
Jaké jsou nevýhody LoRa technologie?
Potud samé výhody, světlé zítřky a tak dále. Pojďme se podívat na stinné stránky. První z nich je rozhodně dostupnost a cena modulů.
LoRa technologie zahrnuje nejen způsob modulace, ale také další patentované postupy. Semtech tak působí současně jako jediný výrobce LoRa čipů. Někteří výrobci z nich udělali certifikované moduly, které lze koupit za cca 7 €, takže ani cena není vůbec špatná třeba ve srovnání s IQRF. Při větších odběrech bude velmi podobná jako cena třeba u Sigfoxu.
LoRaWAN má typicky topologii hvězdy, v jejímž středu je gateway, která převádí rádiový signál na IP a obráceně. Stejně jako u IQRF, i tady může být poměrně laciná a postavená třeba na Raspberry Pi s LoRa modulem. Přináší s sebou ale nevýhodu nutnosti její správy a středobod možného selhání. Po celém světě ale dnes najdete více než stovku operátorů, alespoň jednoho v každé byť jen trošku komerčně zajímavé zemi. Je tedy dost možné, že si pouze zaplatíte za přístup do sítě a nebudete muset řešit budování a správu vlastní gatewaye. Tu si postavíte pouze tam, kde zatím nikdo LoRaWAN neprovozuje – a můžete se tak stát v dané lokalitě prvním operátorem!
Podobně jako u několika dalších LPWAN technologií, LoRa Alliance podporuje a doporučuje certifikaci zařízení. Při certifikaci se – ve zkratce – testuje kompatibilita zařízení se stackem LoRaWAN. Aliance sdružuje řádově přes 500 firem a institucí, certifikovaných zařízení jsou tisíce.
Kromě toho, že je certifikace vyžadována u většiny typů zařízení, tak taky každý větší zákazník bude certifikaci požadovat, než od vás něco objedná. Takže jestli to myslíte se svým zařízením vážně, připravte si řádově tisíce dolarů a nějaký ten týden času. Benefitem vám bude zalistování zařízení na seznamu certifikovaných produktů a můžete si na něj dát hezkou nálepku. Pro výrobce je povinné členství v LoRa Alliance, přičemž roční poplatek je $ 3.000. Školy a jim podobné instituce mají členství zdarma.
Zdroj: https://lora-alliance.org/about-lorawan
Použití LoRaWAN v praxi
LoRaWAN se dnes využívá na trackování objektů (s docela obstojnou přesností i bez GPS) a především na předávání telemetrických dat z nejrůznějších vedení, strojů a budov, respektive místností. Výborně se hodí do každého prostředí, kde v širším okruhu s poloměrem v řádu kilometrů potřebujete rozmístit desítky až třeba stovky tisíc bateriemi (nebo třeba solárními články) napájených senzorů.
Používá se s úspěchem v logistice, zemědělství i v mnoha dalších oblastech.
Počet zařízení, výrobců i operátorů navíc stoupá tak rychle, že se nebojím označit LoRaWAN za nejrychleji rostoucí LPWAN v bezlicenčním pásmu.
Všechny články série:
IoT technologie: LPWAN, IQRF, LoRa, Sigfox, NB-IoT a jiná podivná slova (1/5)
