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