Как работают сети LPWAN и чем LoRa отличается от LoRaWAN

LPWAN — Low-power Wide-area Network, «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия». Это радиосети для устройств, которым нужно передавать очень мало данных, редко и издалека: счётчиков воды, датчиков температуры, охранной сигнализации. Объясняем без формул, как они устроены и почему для этого не годятся обычные Wi-Fi и LTE.

Медленно, зато далеко

В основе LPWAN простое свойство радиосвязи: чем ниже скорость передачи, тем больше энергии приходится на каждый бит и тем легче выделить его из шума. Отсюда и характеристики. Скорость в таких сетях — от 0,3 до 50 килобит в секунду на канал. Зато дальность — от нескольких километров в городе до десяти и больше за городом, а сигнал добирается до датчиков в подвалах и под землёй.

Возьмём новый жилой дом на 400 квартир. В каждой стоят счётчики горячей и холодной воды и электросчётчик — всего 1200 устройств. Допустим, каждому раз в час нужно отправить показания — несколько десятков байт. Держать ради этого в каждом счётчике сотовый модем дорого, а батарейка в нём сядет быстро. LPWAN-датчик большую часть времени спит, просыпается, отправляет короткий пакет и снова засыпает.

Сеть строится по схеме «звезда»: каждое устройство говорит с базовой станцией напрямую, без посредников. Станция передаёт принятые данные на сервер по любому доступному каналу — проводному интернету, сотовой связи, спутнику. Для радиоканала обычно берут нелицензируемые частоты, за которые не нужно платить и получать разрешение.

LoRa и LoRaWAN — не одно и то же

Эти названия часто путают. LoRa (от Long Range) — способ модуляции, то есть то, как сигнал выглядит в эфире. Его разработала компания Cycleo, в 2012 году её купила американская Semtech, и технология остаётся её собственностью. Сигнал LoRa — это серия «чирпов», коротких посылок с плавно меняющейся частотой. Благодаря этому приёмник выделяет полезный сигнал, даже когда шум в эфире сильнее его.

LoRaWAN — протокол и устройство сети поверх этого радиосигнала: как датчики, шлюзы и серверы обмениваются данными и кто чем управляет. Его развивает некоммерческая LoRa Alliance, первая версия спецификации вышла в январе 2015 года. В 2023 году сетей LoRaWAN было около двухсот почти во всех странах мира.

В Европе LoRa работает в диапазоне 863–870 МГц, в США — 902–928 МГц. Ширина канала чаще всего 125 кГц, скорость — от 0,3 до 27 кбит/с в зависимости от настроек. Чем медленнее, тем дальше: по данным портала разработчиков LoRa, в городе связь держится до 4,8 км, а на открытой местности при прямой видимости — до 16 км и дальше.

Как пакет доходит от датчика до приложения

Датчик не устанавливает соединение заранее: появились данные — отправил. Пакет ловят все шлюзы, до которых он долетел, и каждый, ничего не разбирая, пересылает его на сетевой сервер. Сервер выбрасывает дубликаты, отдаёт данные приложению и следит за самими датчиками: если устройство рядом со шлюзом кричит слишком громко, сервер подскажет ему снизить мощность или поднять скорость, чтобы сберечь батарейку. Принимать совет или нет, решает сам датчик.

Производители LPWAN-устройств обещают годы и даже десятилетия работы от встроенной батареи. Реальные полевые испытания этого пока не подтвердили: многое зависит от того, как часто датчик выходит в эфир и насколько далеко он от шлюза.

Кто ещё есть на рынке

LoRa — не единственный вариант. В сотовых сетях есть NB-IoT — стандарт узкополосной связи для интернета вещей, который консорциум 3GPP утвердил в июне 2016 года. Он работает в сетях операторов, а не на свободных частотах. Рядом с ним — LTE-M, вариант LTE для подключённых устройств.

Французская Sigfox строила собственную сверхузкополосную сеть, но в январе 2022 года объявила о банкротстве. В апреле того же года её технологию и французскую сеть купила сингапурская UnaBiz, по сообщениям — примерно за 25 млн евро. По тому же сверхузкополосному принципу устроен протокол NB-Fi компании WAVIoT.

А в самой LoRaWAN-экосистеме тоже бывают уходы: в октябре 2024 года Cisco объявила, что уходит из этого направления и не будет предлагать замену своим шлюзам.