Разработка интеллектуального сенсорного узла на базе технологии LoRa

В цифровой экономике [1] для сбора и передачи сенсорных данных требуются интеллектуальные сетевые элементы, обеспечивающие требуемые параметры обмена данными с учетом условий передачи. Особое значение имеет телекоммуникационная инфраструктура для «последней мили», которая должна обеспечить передачу с требуемым качеством и защищенностью, например в рамках эволюции стандартa LTE-Advanced [2]. Одʜaко для передaчи телеметрии целесообрaзно рaccмoтреть aльтерʜaтивные решения в виде рaдиотехнологий мaлoмoщных гло-бaльных рaдиосетей LPWA^ (Low Power Wide Area ^etwork) [3]. Дaлee ʙ ʜacтоящей стaтье рac-cмaтриʙaeтся рaзрaботкa прототипa ceʜcoрного узлa LPWA^, способного в зaʙиcимocти от про-грaммʜoгo oбеспечения выполнять кaк функции шлюзa, тaк и функции оконечного устройстʙa.

Анализ технологий маломощной беспроводной связи

В связи с рaзвитием технологий Интерне-тa ʙeщей ІоТ, межмaшинного взaимoдействия M2M существенно увеличиʙaeтся объем пере-дaчи телеметрической информaции. Для этого требуется срaʙʜительно дешeʙaя с точки зрения зaтрaт, оперaтивно рaзворaчиʙaeмaя рaдиоли-ния доступa с функциями «последней мили». В рaмкax рaзвития стaʜдaртa LTE-Advanced для решения рaссмaтриʙaeмoй зaдaчи предлaгaются

«узкополосные» сети Интернетa ʙeщей ^В-ІоТ (^arrowBand Internet of Things), которые поддер-жиʙaются существующей инфрaструктурой бa-зовых стaʜций сотовых сетей связи в чaстотных диaпaзoʜax 700…2,2 ГГц, 452,5…467,5 МГц со скоростью передaчи до 200 Кбит/с. Технология узкополосного Интернетa ʙeщей ^В-ІоТ былa рaзрaботaʜa Πaртнерством третьего поколения (3GPP). ^В-ІоТ рaзвернут в лицензируемом диa-пaзоне рaдиочaстотного спектрa (Р^С) и использует существующие сотовые (мобильные) сети GSM, зaщитные полосы несущей LТE или нeис-пользовaнныe блоки в диaпaзонe LТE. Трaнсивe-ры ^В-ІоТ имeют выходную мощность до 23 дБм и чувствитeльность входa 135 дБм [4].

Для случaeʙ, когдa инфрaструктурa сотовых сeтeй нe обeспeчивaeт трeбуeмого покрытия либо при рaзворaчивaнии бeспроводных сeтeй Интeр-нeтa ʙeщeй в условно-свободных от лицeнзиро-вaния диaпaзонaх нeт трeбуeмой интeллeктуaль-ной инфрaструктуры когнитивных сeтeй, можно использовaть aльтeрнaтивныe тeхнологичeскиe рeшeния в видe мaломощных рaдиосeтeй с широким покрытиeм LPWA^ (Low Power Wide Area ^etwork) [5–9], которыe нe трeбуют спeциaльно-го чaстотного выдeлeния и нe привязaны к бaзо-вым стaнциям сeтeй 3G/4G/5G. Срeди тeхноло-гий, использующих нeлицeнзируeмый диaпaзон Р^С, рaссмотрим Ѕigfох и LoRaWA^.

Teхнология Ѕigfох используeт ультрaузкую полосу Р^С (Ultra-^arrow Band, U^B) с двухпозиционной или двоичной фaзовой модуляциeй

Таблица. Данные для выбора технологии LPWA^

Показатель технологии	LoRaWA^	Sigfox
^астота несущей, МГц	433, 868	868, 902–920
^увствительность приемника	–148 дБм	–130 дБм
Скорость передачи	37,5 кбит/с	600 бит/с
Максимальная длина пакета	255 байт	12 байт

BPSK (Binary Phase Shift Keying). В Европе Sigfох использует диапазон ISM 868 МГц, а в остальных странах выделяется полоса частот в диапазоне 902…920 МГц. Максимальная выходная мощность составляет 14 дБм, а максимальная скорость передачи данных указана 600 бит/с. Такая скорость считается достаточной для большинства применений датчиков и телеметрии. Возможны сообщения как по условно восходящим, так и нисходящим каналам, в результате чего интервалы для нисходящей линии связи для конечных устройств указываются непосредственно после отправки сообщения на шлюз.

К технологиям LPWA^ также относится технология LoRaWA^, которая предложена альянсом производителей LoRa (LoRa Alliance) и предусматривает создание оконечных приёмопередающих узлов и шлюзов сбора данных. Оконечные узлы подразделяются на узлы класса А с дуплексной асинхронной передачей с минимальной мощностью; на узлы класса В с дуплексной передачей с синхронизацией с сетью, с проверкой наличия входящего трафика; узлы класса С с дуплексной передачей с наименьшей задержкой, поскольку средство связи постоянно находится в режиме приема.

Для передачи радиосигнала в LoRa применяется модуляция с расширенным спектром и вариацией линейной частотной модуляции CSS (Chirр Sрread Sрeсtrum) с применением прямой коррекции ошибок FEC (Forward Error Correсtion). В результате в LoRa значительно увеличивается чувствительность приемника и существует возможность использования всей доступной ширины полосы пропускания канала. Другим достоинством LoRa следует считать устойчивость к канальным шумам и достаточная инертность в отношении девиаций, обусловленных расстройкой частот опорных кварцевых резонаторов.

Дальность связи при использовании LoRa составляет для пары корреспондирующих узлов до 3–5 км в городе со среднеэтажной застройкой, и до 15 км в равнинных местностях согласно частотному плану RU868, то есть в условно-свободном (нелицензируемом) диапазоне радиочастот 867,8…869,2 МГц и в аналогичном диапазоне 866…868 МГц. Для ширины полосы пропускания канала в 125 кГц скорость передачи данных составляет до 50 кбит/с.

Возможность использования LoRaWA^ в сравнении с технологиями-аналогами для передачи телеметрии особенно выигрышна для минимизации затрат на поддержку беспроводной инфраструктуры Интернета вещей с возможностью организации надежного радиосоединения при условии наличия препятствий на пути распространения сигнала.

Международный опыт показывает возможность использования LoRa ʜa коротких и длинных дистанциях, в условиях чрезвычайных ситуаций, для поддержки инфраструктуры Интернета вещей с надежным радиосоединением и с возможностью преодоления препятствий на пути распространения сигнала [10; 11].

Структура и схема сетей Sigfox и LoRa одинаковы, причем конечные узлы LPWA^ не привязаны к конкретным шлюзам. Таким образом, несколько шлюзов могут получать и пересылать сообщения с помощью сервера или серверного программного обеспечения, которое отвечает за фильтрацию одинаковых сообщений, пересылаемых несколькими шлюзами – оконечными устройствами. Такой подход увеличивает надежность сети.

Наиболее существенные характеристики для конструирования сенсорного узла и выбора программного обеспечения управления представлены в таблице.

По результатам анализа далее для создания лабораторного прототипа интеллектуального сенсорного узла в качестве базовой технологии радиодоступа выбирается технология LoRaWA^.

Шлюзы LoRa взаимодействуют с сетевым шлюзом-сервером с использованием протокола IP. Шлюзы сети LoRa могут быть территориально совмещены с базовой станцией сотовой сети, если это соответствует требованиям электромагнитной совместимости.

Сетевой сервер сети LoRa управляет трафиком, устраняет дубликаты пакетов, управляет расписанием передачи и адаптирует скорость передачи данных. Применение принципов программно определяемого радио SDR позволяет реализовать оконечное устройство и шлюз на одной аппаратной основе.

о

RFM95W
vcc
GND	MOSI
DOO1	CLK
ANT	NSS
	RESET

1	1
	-A?
	3
2	4
3	5
4	6
5	7

Raspberry Pi ^vcc Model 3 GND DOO1 MISO MOSI CLK NSS RESET

^DCl — DC2

Рисунок 1. Функциональная схема интеллектуального сенсорного узла «ЛоРа-С»

Разработка конструкции сенсорного узла с технологией LoRa и защитой трафика

Для изучения на практике возможностей технологии LoRaWA^, проведения экспериментов для определения помехоустойчивости, защищенности и дальности действия технологии авторами в инициативном порядке был разработан экспериментальный прототип сенсорного узла под шифром «ЛоРа-С».

Устройство собрано из готовых серийных компонент, включает мобильную вычислительную платформу (бортовой компьютер) Rasр^erry Pi3 и радиомодуль LoRa RFM95W (см. рисунок 1). В компоновку входит съемный аккумулятор в виде батареи для автономной работы в режиме класса А/В/С. Для стабилизации электропитания и использования режима энергоэффективности применяется микроконтроллер, позволяющий использовать различные типы съемных аккумуляторов, в том числе батареи от ноутбуков, включая режим снижения электропотребления в нерабочем режиме.

С помощью дополнительных адаптеров WiFi 802.11n и Вӏuetooth 4.1 Low Energy (BLE) есть техническая возможность собирать данные от 10 до 100 сенсоров различного назначения в радиусе до 50 м без дополнительных средств связи, обрабатывать эти данные и передавать их корреспондирующему устройству/шлюзу в режиме «точка – точка», «точка – много точек», ячеистая сеть, ad-һос сеть.

Разработка практически может использоваться компаниями со множеством удаленных объектов, поскольку снижаются затраты на сбор первичных данных за счёт низкой себестоимости готового решения, особенно при массовой установке узлов, в том числе в удаленных и труднодоступных районах. Разработка может применяться, если требуется организовать контроль и мониторинг состояния производственных помещений и зданий непроизводственного назначения.

Общий вид размещения и монтажа компонент узла представлен на рисунке 2. Разработка при использовании влаго- и ударопрочных корпусов может использоваться в полевых условиях, для организации связи «по требованию» без дополнительных затрат на развертывание сети, в том числе при стихийных бедствиях, для дистанционного обслуживания и контроля больных и маломобильных граждан.

Узел «ЛоРа-С» использует свободно распространяемое программное обеспечение, Rasр^ian или De^ian Linux. Для настройки программного обеспечения «ЛоРа-С» достаточно подключить только дисплей и клавиатуру. В целом лабораторный прототип «ЛоРа-С» имеет открытую и масштабируемую программно-аппаратную архитектуру, способную к развитию, расширению и изменению функциональности за счет программного управления.

Преимуществом решения является комплек-сирование радиомодулей и микрокомпьютера для сбора и передачи информации вместе с автономным источником электропитания и программным обеспечением для сбора, анализа и защиты сенсорных данных.

Основной задачей исследования с помощью комплекса из двух и более оконечных узлов «ЛоРа-С» и сервера на базе «ЛоРа-С» являются определение и выбор оптимальных режимов защищенных приема-передачи сенсорной информации в сетях LoRaWA^ для городских и полевых условий.

Одновременно проводятся эксперименты по выбору типа приемо-передающей антенны с контролируемым направленным и ненаправленным (всесторонним) излучением и определение

Рисунок 2. Компоновка оконечного интеллектуального сенсорного узла «ЛоРа-С»

рекомендуемого типа антенны для конкретных условий применения. Также с помощью «ЛоРа-С» можно исследовать применение различных способов защиты информации, поскольку при использовании технологии LoRaWA^ и разработанного узла применяются различные протоколы безопасности для аутентификации, обеспечения конфиденциальности, предотвращения сетевых атак, обнаружения вредоносных узлов и обеспечения бесперебойной ІР-сессии.

С точки зрения безопасности контур защиты технологии LoRaWA^ и разработанного узла можно описать следующим образом [12; 13].

• 1.    Контур защиты устройства – здесь обеспечивается доступ к устройству LoRaWA^ только для приложений авторизованного пользователя, в том числе для подконтрольного изменения данных устройства пользователя.

• 2.    Контур доверенного доступа к сети обеспечивает функционирование в сети только авторизованных устройств. Сетевые службы будут доступны только авторизованным узлам, где под узлом понимаются шлюз, узел-координатор, или оконечный сенсорный узел. В пределах контура доверенного доступа к сети сохраняются конфиденциальность и целостность данных сети LoRa.

• 3.    Контур сети предназначен для обеспечения безопасности сетевой инфраструктуры в целом, включая ІР-обмен низкоскоростным трафиком между устройствами, безопасность межсетевых стыков, например при передаче данных из сети LoRaWA^ в магистральную сеть.

• 4.    Контур ІР-приложений обеспечивает работу на узле только безопасных и доверенных прило-

• жений, в результате чего информационный обмен становится безопасным.

Обеспечение защищенной связи для узлов LoRaWA^ является сложной задачей, поскольку в рамках стандарта имеются относительно ограниченные возможности обработки данных, достаточно низкая пропускная способность каналов и ограниченная доступная мощность батареи электропитания. В этой связи на перспективу рассматривается вариант конструкции сенсорного узла с возможностью использования солнечных батарей.

В целом с точки зрения безопасности в сети LoRaWA^ потенциально возможны следующие модели безопасности.

• 1.    Модель без специальных мер защиты, которая используется в тех случаях, когда сеть LoRaWA^ работает в высоконадежной и защищенной зоне безопасности, например с использованием виртуальной частной сети VP^ (Virtual Private ^etwork) или аппаратного шифрования. При этом режиме на канальном уровне не должно быть нарушений услуг безопасности обмена и защиты информации, но кадры при этом передаются без проверки целостности или контроля доступа.

• 2.    Модель со списком контроля доступа, когда такой список создается на каждом устройстве LoRaWA^ и предотвращает доступ неавторизованных устройств к сетевым ресурсам и данным. Этот режим допускает прием кадра только теми устройствами, которые внесены в список доступа. В результате услуги безопасности характеризуются как ограниченные, поскольку криптографическая защита в этом режиме не используется.

• 3.    Модель безопасности с ключом безопасности, например с АЕЅ с 128-битным шифрованием, который используется для защиты данных перед их передачей в сети. В этом режиме на устройстве может быть включена любая из служб безопасности в зависимости от критичности приложения.

Рисунок 3. Использовaние предлaгaeмой конструкции сенсорного узлa «ЛоРa-C» с учетом зaщищенности [12]

С точки зрения рассмотренных подходов далее применяется базовая архитектура безопасности на основе модели с ключом безопасности и шифрованием. Для подключения к сети LoRaWA^ каждое оконечное устройство должно быть распознано и активировано.

Активация производится двумя способами։ либо через активацию по беспроводному интерфейсу ОТАА (Over-The-Air Activation), либо персонализированная активация АВР (Activation By Personalization). Каждое устройство LoRa использует 64-битный рaсширенный уникaльный идентификaтор сети (EUI64) для обеспечения безопaсности нa сетевом уровне, 64-битный рaс-ширенный уникaльный идентификaтор для обеспечения безопaсности нa yровне приложений и собственный 128-битный уникaльный идентифи-кaтор, кaк это покaзaно нa рисунке 3.

Для осуществления ОТАА может использо-вaться специaльный сервер учaстия в сети, Join Server, который осуществляет функцию регистрa-ции устройстʙa LoRaWA^, прежде всего шлюзa, в сети LoRа с помощью специaльного идентифи-кaторa JoinEUI. Taкже возможʜa идентификaция оконечного устройстʙa LoRaWA^ с помощью идентификaторa EUI128. Укaзaʜʜые идентифи-кaторы могут быть зaменены иными идентифи-кaционными призʜaкaми, которые потенциaльно могут использовaться для уникaльного обозʜaче-ния узлов LoRaWA^.

Рисунок 4. Использовaние упрaвляемой ориентируемой aʜтенны для сенсорного узлa «ЛоРa-C»

Разработка алгоритма калибровки приемо-передающей антенны «ЛоРа-С»

Для обеспечения применения комплексa «ЛоРa-C» в полевых и близких условиях, в отличие от штыревой aʜтенны [14], рaзрaботaʜa упрaвляемaя ориентируемaя aʜтeʜʜa, покaзaʜʜaя ʜa рисунке 4.

Зa основу конструкции былa взятa aʜтeʜʜa Xaрченко «двойной биквaдрaт» из двух квaдрa-тов, соединенных в одной из их вершин рaзом-кнутыми сторонaми. Электропитaниe aʜтенны осуществляется из пунктов соединения квaдрa-тов. В точке соединения квaдрaтов друг с другом входное сопротивлениe aʜтенны 50 Ом. В кaче-стве отрaжaтеля используется лист омедненного текстолитa.

Подвижʜaя конструкция рeaлизуется ʜa двух-шaговых сервоприводaх MG995, в aктивном режиме способных выдерживaть ʜaгрузку, для 4,8 В рaвную 8,5 кг/см, либо 6 В с нaгрузкой 10 кг/см. В дaнном случae стaбильʜaя рaботa сервоприводов достигaeтся ʜa 4,8 B. Угол поворотa состaвля-eт до 120º. Двигaтели зaкрепляются относительно друг дрyгa по двум осям с целью оргaнизaции поворотного мехaнизмa и скaнировaния прострaн-ствa для поискa ʜaилучшего нaпрaвления пере-дaчи нa yзел-серверa LoRa по двум плоскостям. Алгоритм функционировaния дaнного решения покaзaʜ ʜa рисунке 5.

Кaждый из моторов сервоприводa выполняет цикл кaлибровки, после прохождения которого выполняется смещение в кaждой плоскости 10 грaдусов. После прохождения всех циклов кaлибровки А и Б сервоприводы aвтомaтически устaʜaвливaются в положение, где соотношение

Рисунок 5. Алгоритм калибровки ориентируемой антенны комплекса «ЛоРа-С»

сигнал/шум обеспечивает минимальное время отклика сервера LoRa на рисунке 3.

Начальные эксперименты показали выигрыш от применения антенны на рисунке 4 на расстоянии до 100 м для оконечного узла составляет до 10 дБ и в направлении на сервер.

Заключение

Представлен лабораторный прототип сенсорного узла на базе технологии LoRa с ориентируемой антенной. Сенсорный узел поддерживает протоколы безопасности и является платформой для проведения дальнейших исследований беспроводных сенсорных сетей.

Публикация подготовлена при поддержке Фонда содействия инновациям (договор № 166ГУЦЭС8-О3/56235 от 24.12.2019)