Фильтр по тематике

Надёжность IoT в нелицензируемом диапазоне. Доказываем на примере LoRaWAN

Некоторых потенциальных клиентов до сих пор беспокоит вопрос надёжности и безопасности передачи данных на общедоступных частотах. В данной статье наглядно объясняется, почему эти опасения беспочвенны.

25.12.2019 909 0
Надёжность IoT в нелицензируемом диапазоне. Доказываем на примере LoRaWAN

Введение

В настоящее время в большинстве развитых стран в дополнение к сетям мобильной связи активно строятся сети Интернета вещей (IoT) класса LPWAN (Low Power Wide Access Network), работающие на нелицензируемых (т.е. общедоступных) радиочастотах. В Российской Федерации для этих целей выделен диапазон 868 МГц (частоты 864…869,2 МГц) [1], в котором уже построены сети как общемирового стандарта LoRaWAN (Long Range Wide Access Network), так и локальных спецификаций, например «Стриж» и «Вавиот».

Несмотря на миллионы уже подключённых к LPWAN-сетям устройств по всей планете, некоторых потенциальных клиентов до сих пор беспокоит вопрос надёжности и безопасности передачи данных на общедоступных частотах. Попробуем развеять сомнения на примере сети стандарта LoRaWAN, построенной в Российской Федерации АО «ЭР-Телеком Холдинг». 

Нелицензируемость – не синоним вседозволенности

Нередко приходится слышать мнение, что системы связи в общедоступных диапазонах частот не могут обеспечивать уверенную связь уже только потому, что любой желающий может вывести в эфир генератор ватт эдак на 20 и «положить» всё вокруг. На самом деле, в нелицензируемых диапазонах для средств радиоэлектронной связи (РЭС) действуют даже более строгие правила, чем в лицензируемых. В частности, в полосе 868 МГц согласно решению ГКРЧ [2] ограничены, во-первых, излучаемая мощность (на большинстве каналов – не более 25 мВт), во-вторых, время нахождения в эфире (как правило, не более 1%). И наказание за нарушения указанных величин точно такие же, как и за несанкционированное вещание на лицензируемых частотах.

Так что любые системы гражданского назначения вне зависимости от способа выделения спектра – по стандартным процедурам (лицензионный) или по упрощённым (нелицензионный) – могут пострадать от преднамеренных радиопомех. Однако это в равной мере незаконно, и способы борьбы с такими помехами известны и одинаково доступны всем пользователям радиоспектра.

В то же время, разумеется, даже работающие по закону устройства могут создавать помехи своему окружению. Рассмотрим, как с этим борется стандарт LoRaWAN [3]. 

Защита от внешних помех

Радиопротокол LoRaWAN использует импульсы линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) или в англоязычном варианте – CSS (Chirp Spread Spectrum) (см. рис.1).

В отличие от систем XNB (Extra Narrow Band) типа Sigfox, «Стрижа» и «Вавиота», использующих для связи узкую полосу в 100 Гц и фазовую модуляцию, данные в сетях LoRaWAN передаются датчиками в полосе шириной 125 кГц (т.е. более чем в 1000 раз шире).

Каждое устройство стандарта LoRaWAN излучает сигнал с изменяющейся частотой. Модуляция же LoRaWAN заключается в «обрыве» цикла на одной из промежуточных частот (см. рис. 2а) и новом его начале, именно это и кодирует передаваемый символ. Всего существуют 128 возможных различных частот «обрыва» цикла в каждом частотном канале (шириной, напомню, 125 кГц), а значит, один ЛЧМ-импульс кодирует 7 бит данных.
\

Поскольку частота сигнала LoRaWAN меняется в диапазоне 125 кГц, то узкополосная помеха практически не оказывает влияния на успешность декодирования сигнала LoRaWAN, чего нельзя сказать о системах XNB, сигнал которых может быть полностью уничтожен помехой шириной уже в несколько десятков герц. Ещё одно преимущество, вытекающее из особенности модуляции LoRaWAN, – устойчивая работа на движущихся объектах (поездах, автомобилях и т.п.), так как доплеровский сдвиг частоты заметно не влияет на успешность передачи сигнала.

И последнее: модуляция и канальное кодирование LoRaWAN (дополнение пользовательских данных контрольными битами с целью успешного восстановления сообщения в случае потери его части, не путать с шифрованием) позволяют осуществлять приём полезной информации даже при отрицательных значениях отношения сигнал/шум (SNR до –20 дБ). 

Борьба с внутренними коллизиями

С целью экономии заряда батарей абонентских устройств и ёмкости сети датчики LoRaWAN выходят в эфир на одном из восьми частотных каналов без предварительной синхронизации с сетью (в отличие от, скажем, GSM, где каждому абоненту сеть выделяет на время разговора персональный таймслот на определённом частотном канале). Это создаёт вероятность внутрисетевых «коллизий»: а вдруг две двери откроются одновременно и соответствующие сенсоры выйдут в эфир в один и тот же момент на одном частотном канале? Примет ли сеть сигнал от них, или они заглушат друг друга, или один заглушит другой? Давайте разбираться.

Стандартом LoRaWAN [3] определены так называемые Spreading Factors (SF), или «коэффициенты расширения спектра». Спецификацией [4] их предусмотрено всего шесть – от SF7 до SF12. SF – это «скорость» изменения частоты в ЛЧМ-импульсе: чем выше SF, тем медленней меняется частота (см. рис. 2б). Изменение SF на единицу означает увеличение длительности импульса в 2 раза. Для SF7 и полосы 125 кГц длительность импульса минимальна и составляет 1,024 мс.

Чем выше SF, тем медленней передаются данные, но тем выше способность системы распознать их без ошибок. SF каждому абонентскому устройству назначает сетевой сервер (NS – Network Server) по алгоритму ADR (Adaptive Data Rate – адаптивная скорость передачи данных) на основании измерений отношения сигнал-шум (SNR), выполненных базовой станцией. Если абонентские терминалы находятся в разных радиоусловиях относительно базовой станции (например, одно – рядом с БС, другое – далеко, или одно – у окна квартиры, второе – за капитальной стеной), то передавать данные они будут с разными SF. При этом они не будут друг с другом интерферировать даже в случае наложения сигналов друг на друга по времени на одном частотном канале. Магия? Вовсе нет, ведь в силу разной скорости изменения частоты у передатчиков с разными SF такие устройства будут представлять друг для друга лишь узкополосную помеху, что, как уже было сказано выше, легко компенсируется канальным кодированием.

А что будет, если базовая станция примет одновременные сообщения от двух устройств с одинаковым SF? Да, будет коллизия, и либо одно, либо оба сообщения будут потеряны в результате интерференции. Однако это произойдёт только на ОДНОЙ базовой станции, в то время как сигнал от каждого абонентского LoRaWAN в профессионально спланированной и грамотно построенной сети принимают минимум три БС (именно такое количество базовых станций необходимо для корректной работы опции геолокации методом TDoA (Time Difference of Arrival)). И если на одной БС возникнет коллизия, то приём сообщения успешно пройдёт через другие базовые станции. В сетевом сервере LoRaWAN даже существует специальный таймер (длительностью 250 мс), чтобы дождаться, пока сообщение от определённого абонентского устройства будет получено всеми возможными БС, с целью выбрать среди них наилучшую (с точки зрения SNR) на случай, если потребуется отправка сообщения от сети к датчику (подтверждение приёма или МАС-команда).

В исследовании [5], проведённом компаниями MachineQ и Semtech, установлено, что восемь восьмиканальных БС LoRaWAN за сутки в состоянии принять 1 млн сообщений от абонентских устройств. А если надо больше? Ответ простой: увеличивать количество базовых станций. Ведь в отличие от сотовых систем связи, БС LoRaWAN не ведут постоянного вещания пилотных (как в LTE) или широковещательных (как в GSM) сигналов, так что установка новых базовых станций не приводит к повышению внутрисетевой интерференции. Основную часть времени БС LoRaWAN работают на приём, а режим передачи включается лишь в редких случаях отправки команды управления или подтверждения приёма на абонентское устройство. Также для покрытия помещений можно использовать репитер LoRaWAN (его спецификация на момент написания этого материала находится на финальном утверждении в техническом комитете LoRa Alliance). Репитер позволит улучшить (т.е. уменьшить номер) SF для сообщений, отправляемых indoor-датчиками, что снизит вероятность коллизий (ведь, как было указано выше, сообщения с низким SF передаются многократно быстрее, чем сообщения с высоким SF).

Что касается безопасности передаваемых в сетях LoRaWAN сообщений (см. рис. 3), то в сетях рассматриваемого стандарта используется многоуровневая система шифрации пользовательской информации и проверки целостности данных с широчайшими возможностями кастомизации. Это позволяет построить систему с наивысшим уровнем защиты, в том числе для использования в КИИ (критическая информационная инфраструктура) [6]. Этот вопрос был подробно рассмотрен в материале [7].

Выводы

Системы IoT, использующие нелицензионный спектр, могут быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить безопасную и приемлемую для достаточно ответственных приложений (вплоть до КИИ) вероятность доставки сообщения. Ограничения из-за количества устройств теоретически возможны, однако они возникают при плотностях размещения датчиков, существенно превышающих реально прогнозируемые ситуации, и в случае необходимости легко устраняются увеличением числа базовых станций и установкой репитеров, что подтверждает международный опыт [5]. 

Литература

  1. Решение ГКРЧ № 07-20-03-001 от 07.05.2007 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия».
  2. Решение ГКРЧ № 18-46-03-1 от 11.09.2018 «О выделении полос радиочастот, внесении изменений в решения ГКРЧ и продлении срока действия решений ГКРЧ».
  3. LoRaWAN™ Specification, Version V1.0.3, 2018.
  4. LoRaWAN™ 1.0.3 Regional Parameters, 2018.
  5. Ross Gilson, Michael Grudsky. LoRaWAN Capacity Trial in Dense Urban Environment, 2018.
  6. Федеральный закон «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации» от 26.07.2017 № 187-ФЗ.
  7. А.Н. Экономов. «Аспекты безопасной передачи данных в сетях IoT и их практическая реализация в LoRaWAN». Современная электроника. 2019. № 5.

© СТА-ПРЕСС


Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

25.12.2019 909 0
Комментарии
Рекомендуем
Анализ зашумлённых сигналов на осциллографах VESNA серии OVS3

Анализ зашумлённых сигналов на осциллографах VESNA серии OVS3

В статье анализируются способы повышения качества результатов измерений сигналов в присутствии аддитивного шума различной природы. В работе выделены типовые источники шума, а также выполнен обобщающий анализ способов, реализация которых позволяет тем или иным образом снизить уровень шума либо повысить уровень полезного сигнала. Для одного из таких способов, основанного на построении автокорреляционных функций, оценена эффективность в части измерения амплитуды и частоты синусоидального сигнала на фоне гауссовского шума. Приведены примеры измерений зашумлённых сигналов, выполненных с использованием осциллографа VESNA OVS3, позволяющие наглядно судить о потенциальных возможностях снижения уровня гауссовского шума при усреднении осциллограмм, ограничении полосы пропускания и при использовании внешнего фильтра.
18.02.2026 СЭ №2/2026 691 0

ООО «ИнСАТ»  ИНН 7734682230  erid = 2SDnjdWbKyt
ООО «ИнСАТ»  ИНН 7734682230  erid = 2SDnje2F5cn
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться