DESIGN OF AN INTELLIGENT SENSOR NODE BASED ON LORA TECHNOLOGY

Full Text

Введение В цифровой экономике [1] для сбора и пере- дачи сенсорных данных требуются интеллек- туальные сетевые элементы, обеспечивающие требуемые параметры обмена данными с уче- том условий передачи. Особое значение имеет телекоммуникационная инфраструктура для «по- следней мили», которая должна обеспечить пере- дачу с требуемым качеством и защищенностью, например в рамках эволюции стандарта LTE- Advanced [2]. Однако для передачи телеметрии целесообразно рассмотреть альтернативные ре- шения в виде радиотехнологий маломощных гло- бальных радиосетей LPWAN (Low Power Wide Area Network) [3]. Далее в настоящей статье рас- сматривается разработка прототипа сенсорного узла LPWAN, способного в зависимости от про- граммного обеспечения выполнять как функции шлюза, так и функции оконечного устройства. Анализ технологий маломощной беспроводной связи В связи с развитием технологий Интерне- та вещей IoT, межмашинного взаимодействия M2M существенно увеличивается объем пере- дачи телеметрической информации. Для этого требуется сравнительно дешевая с точки зрения затрат, оперативно разворачиваемая радиоли- ния доступа с функциями «последней мили». В рамках развития стандарта LTE-Advanced для решения рассматриваемой задачи предлагаются «узкополосные» сети Интернета вещей NB-IoT (NarrowBand Internet of Things), которые поддер- живаются существующей инфраструктурой ба- зовых станций сотовых сетей связи в частотных диапазонах 700…2,2 ГГц, 452,5…467,5 МГц со скоростью передачи до 200 Кбит/с. Технология узкополосного Интернета вещей NB-IoT была разработана Партнерством третьего поколения (3GPP). NB-IoT развернут в лицензируемом диа- пазоне радиочастотного спектра (РЧС) и исполь- зует существующие сотовые (мобильные) сети GSM, защитные полосы несущей LTE или неис- пользованные блоки в диапазоне LTE. Трансиве- ры NB-IoT имеют выходную мощность до 23 дБм и чувствительность входа 135 дБм [4]. Для случаев, когда инфраструктура сотовых сетей не обеспечивает требуемого покрытия либо при разворачивании беспроводных сетей Интер- нета вещей в условно-свободных от лицензиро- вания диапазонах нет требуемой интеллектуаль- ной инфраструктуры когнитивных сетей, можно использовать альтернативные технологические решения в виде маломощных радиосетей с ши- роким покрытием LPWAN (Low Power Wide Area Network) [5-9], которые не требуют специально- го частотного выделения и не привязаны к базо- вым станциям сетей 3G/4G/5G. Среди техноло- гий, использующих нелицензируемый диапазон РЧС, рассмотрим Sigfox и LoRaWAN. Технология Sigfox использует ультраузкую полосу РЧС (Ultra-Narrow Band, UNB) с двухпо- зиционной или двоичной фазовой модуляцией «Infokommunikacionnye tehnologii» 2021, Vol. 19, No. 2, pp. 179-186 Таблица. Данные для выбора технологии LPWAN Показатель технологии LoRaWAN Sigfox Частота несущей, МГц 433, 868 868, 902-920 Чувствительность 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 Sigfox использует диапазон ISM 868 МГц, а в остальных странах выделяется полоса частот в диапазоне 902…920 МГц. Максимальная выходная мощ- ность составляет 14 дБм, а максимальная ско- рость передачи данных указана 600 бит/с. Такая скорость считается достаточной для большин- ства применений датчиков и телеметрии. Воз- можны сообщения как по условно восходящим, так и нисходящим каналам, в результате чего интервалы для нисходящей линии связи для ко- нечных устройств указываются непосредственно после отправки сообщения на шлюз. К технологиям LPWAN также относится тех- нология LoRaWAN, которая предложена альян- сом производителей LoRa (LoRa Alliance) и предусматривает создание оконечных приёмо- передающих узлов и шлюзов сбора данных. Око- нечные узлы подразделяются на узлы класса A с дуплексной асинхронной передачей c минималь- ной мощностью; на узлы класса B с дуплексной передачей с синхронизацией с сетью, с провер- кой наличия входящего трафика; узлы класса C c дуплексной передачей с наименьшей задержкой, поскольку средство связи постоянно находится в режиме приема. Для передачи радиосигнала в LoRa применя- ется модуляция с расширенным спектром и вари- ацией линейной частотной модуляции CSS (Chirp Spread Spectrum) с применением прямой кор- рекции ошибок FEC (Forward Error Correction). В результате в LoRa значительно увеличивается чувствительность приемника и существует воз- можность использования всей доступной шири- ны полосы пропускания канала. Другим досто- инством LoRa следует считать устойчивость к канальным шумам и достаточная инертность в отношении девиаций, обусловленных расстрой- кой частот опорных кварцевых резонаторов. Дальность связи при использовании LoRa со- ставляет для пары корреспондирующих узлов до 3-5 км в городе со среднеэтажной застройкой, и до 15 км в равнинных местностях согласно ча- стотному плану RU868, то есть в условно-свобод- ном (нелицензируемом) диапазоне радиочастот 867,8…869,2 МГц и в аналогичном диапазоне 866…868 МГц. Для ширины полосы пропуска- ния канала в 125 кГц скорость передачи данных составляет до 50 кбит/с. Возможность использования LoRaWAN в сравнении с технологиями-аналогами для пере- дачи телеметрии особенно выигрышна для ми- нимизации затрат на поддержку беспроводной инфраструктуры Интернета вещей с возможно- стью организации надежного радиосоединения при условии наличия препятствий на пути рас- пространения сигнала. Международный опыт показывает возмож- ность использования LoRa на коротких и длин- ных дистанциях, в условиях чрезвычайных ситу- аций, для поддержки инфраструктуры Интернета вещей с надежным радиосоединением и с воз- можностью преодоления препятствий на пути распространения сигнала [10; 11]. Структура и схема сетей Sigfox и LoRa оди- наковы, причем конечные узлы LPWAN не при- вязаны 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, пересы- лаемых несколькими шлюзами - оконечными устройствами. Такой подход увеличивает надеж- ность сети. Наиболее существенные характеристики для конструирования сенсорного узла и выбора про- граммного обеспечения управления представле- ны в таблице. По результатам анализа далее для создания лабораторного прототипа интеллектуального сенсорного узла в качестве базовой технологии радиодоступа выбирается технология LoRaWAN. Шлюзы LoRa взаимодействуют с сетевым шлюзом-сервером с использованием протокола IP. Шлюзы сети LoRa могут быть территориаль- но совмещены с базовой станцией сотовой сети, если это соответствует требованиям электромагнитной совместимости. Сетевой сервер сети LoRa управляет трафи- ком, устраняет дубликаты пакетов, управляет расписанием передачи и адаптирует скорость передачи данных. Применение принципов про- граммно определяемого радио SDR позволяет реализовать оконечное устройство и шлюз на од- ной аппаратной основе. Рисунок 1. Функциональная схема интеллектуального сенсорного узла «ЛоРа-С» Разработка конструкции сенсорного узла с технологией LoRa и защитой трафика Для изучения на практике возможностей тех- нологии LoRaWAN, проведения экспериментов для определения помехоустойчивости, защищен- ности и дальности действия технологии автора- ми в инициативном порядке был разработан экс- периментальный прототип сенсорного узла под шифром «ЛоРа-С». Устройство собрано из готовых серийных ком- понент, включает мобильную вычислительную платформу (бортовой компьютер) Raspberry Pi3 и радиомодуль LoRa RFM95W (см. рисунок 1). В компоновку входит съемный аккумулятор в виде батареи для автономной работы в режиме класса А/B/С. Для стабилизации электропитания и использования режима энергоэффективности применяется микроконтроллер, позволяющий использовать различные типы съемных аккуму- ляторов, в том числе батареи от ноутбуков, вклю- чая режим снижения электропотребления в нера- бочем режиме. С помощью дополнительных адаптеров WiFi 802.11n и Bluetooth 4.1 Low Energy (BLE) есть техническая возможность собирать данные от 10 до 100 сенсоров различного назначения в ради- усе до 50 м без дополнительных средств связи, обрабатывать эти данные и передавать их кор- респондирующему устройству/шлюзу в режиме «точка - точка», «точка - много точек», ячеистая сеть, ad-hoс сеть. Разработка практически может использоваться компаниями со множеством удаленных объектов, поскольку снижаются затраты на сбор первич- ных данных за счёт низкой себестоимости гото- вого решения, особенно при массовой установке узлов, в том числе в удаленных и труднодоступ- ных районах. Разработка может применяться, если требуется организовать контроль и монито- ринг 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 допол- нительных затрат на развертывание сети, в том числе при стихийных бедствиях, для дистанци- онного обслуживания и контроля больных и ма- ломобильных граждан. Узел «ЛоРа-С» использует свободно распро- страняемое программное обеспечение, Raspbian или Debian Linux. Для настройки программного обеспечения «ЛоРа-С» достаточно подключить только дисплей и клавиатуру. В целом лабора- торный прототип «ЛоРа-С» имеет открытую и масштабируемую программно-аппаратную архи- тектуру, способную к развитию, расширению и изменению функциональности за счет програм- много управления. Преимуществом решения является комплек- сирование радиомодулей и микрокомпьютера для сбора и передачи информации вместе с автоном- ным источником электропитания и программным обеспечением для сбора, анализа и защиты сен- сорных 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 за- щищенных приема-передачи сенсорной инфор- мации в сетях LoRaWAN для городских и поле- вых условий. Одновременно проводятся эксперименты по выбору типа приемо-передающей антенны с контролируемым направленным и ненаправлен- ным (всесторонним) излучением и определение Рисунок 2. Компоновка оконечного интеллектуального сенсорного узла «ЛоРа-С» рекомендуемого типа антенны для конкрет- ных условий применения. Также с помощью «ЛоРа-С» можно исследовать применение раз- личных способов защиты информации, посколь- ку при использовании технологии LoRaWAN и разработанного узла применяются различные протоколы безопасности для аутентификации, обеспечения конфиденциальности, предотвраще- ния сетевых атак, обнаружения вредоносных уз- лов и обеспечения бесперебойной IP-сессии. С точки зрения безопасности контур защиты технологии LoRaWAN и разработанного узла можно описать следующим образом [12; 13]. Контур защиты устройства - здесь обеспе- чивается доступ к устройству LoRaWAN только для приложений авторизованного пользователя, в том числе для подконтрольного изменения дан- ных устройства пользователя. Контур доверенного доступа к сети обе- спечивает функционирование в сети только ав- торизованных 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 конфи- денциальность и целостность данных сети LoRa. Контур сети предназначен для обеспечения безопасности сетевой инфраструктуры в целом, включая IP-обмен низкоскоростным трафиком между устройствами, безопасность межсетевых стыков, например при передаче данных из сети LoRaWAN в магистральную сеть. Контур IP-приложений обеспечивает работу на узле только безопасных и доверенных приложений, в результате чего информационный обмен становится безопасным. Обеспечение защищенной связи для узлов LoRaWAN является сложной задачей, посколь- ку в рамках стандарта имеются относительно ограниченные возможности обработки данных, достаточно низкая пропускная способность ка- налов и ограниченная доступная мощность бата- реи электропитания. В этой связи на перспективу рассматривается вариант конструкции сенсорно- го узла с возможностью использования солнеч- ных батарей. В целом с точки зрения безопасности в сети LoRaWAN потенциально возможны следующие модели безопасности. Модель без специальных мер защиты, ко- торая используется в тех случаях, когда сеть LoRaWAN работает в высоконадежной и защи- щенной зоне безопасности, например с исполь- зованием виртуальной частной сети VPN (Virtual Private Network) или аппаратного шифрования. При этом режиме на канальном уровне не долж- но быть нарушений услуг безопасности обмена и защиты информации, но кадры при этом пере- даются без проверки целостности или контроля доступа. Модель со списком контроля доступа, ког- да такой список создается на каждом устройстве LoRaWAN и предотвращает доступ неавторизо- ванных устройств к сетевым ресурсам и данным. Этот режим допускает прием кадра только теми устройствами, которые внесены в список досту- па. В результате услуги безопасности характери- зуются как ограниченные, поскольку криптогра- фическая защита в этом режиме не используется. Рисунок 3. Использование предлагаемой конструкции сенсорного узла «ЛоРа-С» с учетом защищенности [12] Модель безопасности с ключом безопас- ности, например с AES с 128-битным шифрова- нием, 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 при- ложения. С точки зрения рассмотренных подходов далее применяется базовая архитектура безопасности на основе модели с ключом безопасности и шиф- рованием. Для подключения к сети LoRaWAN каждое оконечное устройство должно быть рас- познано и активировано. Активация производится двумя способами: либо через активацию по беспроводному ин- терфейсу OTAA (Over-The-Air Activation), либо персонализированная активация ABP (Activation By Personalization). Каждое устройство LoRа ис- пользует 64-битный расширенный уникальный идентификатор сети (EUI64) для обеспечения безопасности на сетевом уровне, 64-битный рас- ширенный уникальный идентификатор для обе- спечения безопасности на уровне приложений и собственный 128-битный уникальный идентифи- катор, как это показано на рисунке 3. Для осуществления OTAA может использо- ваться специальный сервер участия в сети, Join Server, который осуществляет функцию регистра- ции устройства LoRaWAN, прежде всего шлюза, в сети LoRa с помощью специального идентифи- катора JoinEUI. Также возможна идентификация оконечного устройства LoRaWAN с помощью идентификатора EUI128. Указанные идентифи- каторы могут быть заменены иными идентифи- кационными признаками, которые потенциально могут использоваться для уникального обозначе- ния узлов LoRaWAN. Рисунок 4. Использование управляемой ориентируемой антенны для сенсорного узла «ЛоРа-С» Разработка алгоритма калибровки приемо-передающей антенны «ЛоРа-С» Для обеспечения применения комплекса «ЛоРа-С» в полевых и близких условиях, в от- личие от штыревой антенны [14], разработана управляемая ориентируемая антенна, показанная на рисунке 4. За основу конструкции была взята антенна Харченко «двойной биквадрат» из двух квадра- тов, соединенных в одной из их вершин разом- кнутыми сторонами. Электропитание антенны осуществляется из пунктов соединения квадра- тов. В точке соединения квадратов друг с другом входное сопротивление антенны 50 Ом. В каче- стве отражателя используется лист омедненного текстолита. Подвижная конструкция реализуется на двух- шаговых сервоприводах MG995, в активном ре- жиме способных выдерживать нагрузку, для 4,8 В равную 8,5 кг/см, либо 6 В с нагрузкой 10 кг/см. В данном случае стабильная работа сервоприво- дов достигается на 4,8 В. Угол поворота составля- ет до 120º. Двигатели закрепляются относительно друг друга по двум осям с целью организации по- воротного механизма и сканирования простран- ства для поиска наилучшего направления пере- дачи на узел-сервера LoRa по двум плоскостям. Алгоритм функционирования данного решения показан на рисунке 5. Каждый из моторов сервопривода выполняет цикл калибровки, после прохождения которо- го выполняется смещение в каждой плоскости 10 градусов. После прохождения всех циклов калибровки А и Б сервоприводы автоматически устанавливаются 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 расстоя- нии до 100 м для оконечного узла составляет до 10 дБ и в направлении на сервер. Заключение Представлен лабораторный прототип сенсор- ного узла на базе технологии LoRa с ориентиру- емой антенной. Сенсорный узел поддерживает протоколы безопасности и является платформой для проведения дальнейших исследований бес- проводных сенсорных сетей.

About the authors

A. Y Grebeshkov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: grebeshkov-ay@psuti.ru
Samara, Russian Federation

D. M Daraev

Jet Infosystems Joint-Stock Company

Email: d.daraev@yandex.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files