LoRaWAN RU – стандарт родом из России

Статья посвящена стандарту интернета вещей LoRaWAN RU, разработанному для России. Описано своеобразие его топологии, указано отличие от международных стандартов.

CEO LoRa Alliance RU

скачать pdf >>

Интернет вещей (IoT) невозможен без стабильной беспроводной связи, однако известные технологии передачи данных вроде Wi-Fi или 5G для этого не слишком подходят из-за своей специфики. Поэтому в ми­ре существуют стандарты передачи данных в небольших объемах специально для многочисленных датчиков и приборов контроля и учета, такие как DLMS/SOCEM, LoRaWAN, ZigBee или NB-Fi. Понятно, что в на­ше время импортозамещения и свирепствующих санкций в России требуется свой подобный стандарт, но если DLMS/SOCEM уже замещается стандартом, более известным как ­СПОДЭС (ГОСТ Р 58940-2020), который является, по су­ти, адаптацией международного стандарта под российские нужды (описывает основные положения международных документов), то с LoRaWAN ситуация совсем другая.

Сам по себе Long Range WAN подразумевает общение оконечных устройств батарейного питания с накопителями данных по низкоскоростным протоколам (рис. 1). В нашей стране бы­ло решено создать собственный стандарт LoRaWAN RU со статусом государственного (ГОСТ). По­ка он называется ПНСТ 516-2021, то есть является предварительным национальным стандартом, хо­тя рекомендуется к применению как основной. Его авторами стали две организации: «Ассоциация участников рынка интернета вещей» и АО «Российская Венчурная Компания». На­до сказать, что интернету вещей посвящено несколько стандартов ПНСТ, однако каждый описывает свои ключевые понятия: общие положения, типовую архитектуру, совместимость различных систем, спецификации и т. д.

Рис. 1. Структура типичной сети из оконечных устройств и серверов стандарта LoRaWAN

Основным положением стандарта ПНСТ 516-2021 стала топология построения се­ти «звезда из звезд», напоминающая фрактал. Такая сеть содержит оконечные устройства (мо­ты, или микрокомпьютеры), шлюзы и серверы. Областью применения технологии является обмен данными с бытовым и промышленным оборудованием: различными датчиками, электронными пломбами, исполнительными механизмами и т. д. Приборы, поддерживающие LoRaWAN RU, должны иметь следующие свойства:
- низкие требования к пропускной способности канала связи;
- высокие требования к времени автономной работы конечного устройства (до 10 лет и выше);
- высокую помехоустойчивость канала связи;
- возможности для хранения и передачи информации, в том числе ограниченного доступа, не содержащей гостайну;
- не предназначены для хранения и передачи информации, содержащей гостайну.

Обеспечивается обратная совместимость со стандартами LoRaWAN v.1.0.2 и LoRaWAN v.1.1 (кроме уст­ройств класса B).

Предусмотрена передача данных от оконечных устройств с преимуществом перед данными, двигающимися в обратную сторону (оно и понятно: информация с датчиков важнее сигналов управления, к то­му же она больше по объему). В стандарте подробно описан весь процесс передачи данных, задержки, структура передаваемых пакетов, скорость. Любопытно, что устройства в системе ПНСТ 516 делятся на два класса: базовый (класс А) и класс с дополнительными функциями (класс С). При этом имеющийся в оригинальном стандарте класс B не используется в отечественном аналоге. Класс В в западном стандарте предусматривает возможности класса А, но с возможностью приема данных от се­ти по расписанию. Это деление по классам позволяет дистанцировать устройства по функциональности: подразумевается, что класс А должно поддерживать любое устройство, но некоторые из них могут поддерживать и протоколы класса С. Отличия двух классов заключаются в более широкой функциональности оконечных устройств в классе С, такой, например, как расширенные окна приема данных, уменьшенное время передачи данных к серверу. Все это позволяет сделать сеть более гибкой. Так, устройства класса А – двунаправленные, то есть за каждой передачей восходящего сообщения следуют два коротких окна для приема нисходящих сообщений от се­ти, причем интенсивность передачи может зависеть от собственной потребности устройства в связи. Класс А обеспечивает малый расход энергии и приемлем в случаях, когда нужна связь от сервера только после передачи данных от оконечного устройства (по восходящей линии), то есть сервер сети в этом случае дожидается сообщения от устройства и только после этого передает ему нужные данные. Класс А хорош для использования в различных датчиках и сигнализаторах.

Устройства класса С характеризуются максимальными окнами приема: у оконечных устройств класса С большую часть времени открыто одно из окон приема: это дает минимальную задержку приема данных от сервера, однако в худшую сторону влияет на экономичность устройства. Класс С больше подходит для таких устройств, как удаленно управляемые сервоприводы с датчиками исполнения.

Сеть LoRaWAN RU дает возможность оконечным устройствам гибко настраивать любые из допустимых скоростей передачи данных и мощность передатчика, это позволяет оптимизировать параметры передачи для стационарных и малоподвижных мотов. При этом адаптивное управление скоростью передачи невозможно, когда затухание сигнала в радиоканале постоянно меняется, в этом случае главенствующую роль в обработке берет на се­бя уровень приложения на оконечном устройстве.

Скоростные характеристики канала передачи с частотами 864–869 МГц и полосами частот 125 кГц предусматривают диапазоны от 250 до 5470 бит/с для служебных команд и от 11 до 50 кбит/с для основных данных, причем предусмотрены резервные каналы для увеличения скорости передачи в будущем. Стоит отметить, что этот диапазон в России нелицензируемый и выделен в отдельный проект. Также к отличительным особенностям канала передачи российского стандарта нужно отнести помехоустойчивую линейно-частотную модуляцию, которая обеспечивает уверенный прием сигналов оконечных устройств на уровнях ни­же уровней шумов. Неоспоримым преимуществом указанных свойств является быстрота и дешевизна развертывания системы практически любой сложности.

Но не только топологии построения се­ти уделяется внимание в новом российском стандарте, особое значение имеет безопасность. Защита передачи данных регламентируется требованиями ­ФСТЭК РФ по защите информации в сфере информационных технологий. Конечно, в самом ПНСТ 516 нет подробной информации о применении методов защиты информации, только упомянуто, что производитель и эксплуатант устройств се­ти могут выбрать уровень криптографической защиты ли­бо методы шифрования передаваемых данных сообразно собственным требованиям в данной сфере, которые описаны в ФЗ № 149 и № 182, ГОСТ Р 50922-96, ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408 и да­же ПНСТ 799-2022. Этот предварительный стандарт посвящен именно криптографической защите с описанием терминов и процедур криптографического шифрования. Причем в криптографической защите должны учитываться не только российские требования к хранению и передаче информации, но и зарубежный опыт.

Проблемы с поставками электроники на российский рынок вынуждают производителей и потребителей устройств интернета вещей обращаться к отечественным производителям электроники, а также зарубежным – из стран, не поддерживающих санкций, в частности, это производители из Китайской Народной Республики, где электронная промышленность сильно развита. Однако в активе российских разработчиков имеются новейшие технологии и идеи, которые могут быть успешно реализованы. Поэтому при создании и внедрении новых устройств для использования в промышленности и бытовой сфере следует ориентироваться именно на новые российские стандарты и российских же производителей электроники. Отрадно, что в Подмосковье уже начали строить фабрику по производству отечественных микросхем, не говоря уже об имеющихся на сегодняшний день мощностях.

Создание единого государственного стандарта для интернета вещей в России – один из важных и необходимых шагов в области импортозамещения и технологической независимости нашей страны. Конечно, друзья из Поднебесной помогут отечественным специалистам с технологиями, но в будущем в России ожидается не только свой путь в области коммуникаций на коротких дистанциях, но и развитие технологий и элементной базы для стандартов мобильной связи и дальних коммуникаций. Ждем с нетерпением.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 2(104)_2023

К. В. Якушков, 
CEO LoRa Alliance RU,
тел.: +7 (495) 241-1923,
e-mail: kj@lora-alliance.ru

Иллюстрации предоставлены компанией «Группа LoRa LPWAN «Ассоциации участников рынка интернета вещей»