Обзор и сравнительный анализ базовых станций для организации сети LoRaWAN

Введение

Базовая станция — привычный элемент многих беспроводных систем, включая беспроводные сети IoT. Применительно к сетям LoRaWAN (как и во многих других беспроводных сетях) базовые станции (БС) выполняют функцию сопряжения и взаимодействия с абонентскими терминалами в беспроводной сети и централизацию нагрузки от групп терминалов. В документации «LoRaAlliance» они называются шлюзами и/или концентраторами. Однако в текстах обычно используется более широко распространенное понятие «базовая станция».

Сигнал от одного терминала может быть принят несколькими базовыми станциями. Набор БС оператора связи обеспечивает зону радио покрытия для сети и прозрачную двустороннюю передачу данных между конечными устройствами и сетевым сервером. Базовые станции оснащены передающей и приемной антеннами (секторными или всенаправленными), а также (опционально) GPS/ГЛОНАСС антеннами для точной синхронизации внутренних часов и определения точных координат.

Основные характеристики БС

Стандарты LoRaWAN определяют так называемый Spreading Factor (SF) — коэффициент расширения спектра. В спецификации указано шесть видов, от SF7 до SF12. SF — это скорость изменения частоты в ЛЧМ-импульсе. Чем выше значение SF, тем медленнее передаются данные, но тем выше шанс системы распознавать их без ошибок. Связь между шлюзом и оконечным устройством является двунаправленной, но предполагается, что от оконечного устройства к шлюзу будет передаваться большой объем данных. Технология LoRa обеспечивает скорость беспроводной передачи данных от 0,3 до 50 кбит/с. В России и Европе LoRaWAN использует частоту 868 МГц (т.н. полоса частот ISM). При этом Технический комитет «LoRa Alliance» в 2018 году согласовал для России региональные параметры RU 864–870 МГц Базовая станция, как и любой другой электроприбор имеет свой показатель уровня защищенности, который измеряется степенью защиты «IP». Степень необходимой защищенности зависит от месторасположения станции. Важной характеристикой базовой станции, является способ передачи данных. В современных моделях, часто можно встретить LTE или 3G, что позволяет сокращать издержки, связанные с обеспечением доступа в интернет базовой станции.

Сделаем обзор на базовые станции, которые предлагает российский рынок.

OrionGateway

Базовая станция ORIONGATEWAY транслирует данные от компонентов сети предприятия, т. е. приборов учета электроэнергии, различных датчиков, навигационных устройств, систем охранной и пожарной сигнализации, интеллектуального освещения и т. д., по беспроводному каналу через протокол LoRaWAN, а затем передает данные на главный сервер управления сетью или платформу IoT.

Характеристики:

• Оперативная память 512 Мб

• Энергонезависимая память (eMMC) 4 Гб

• Максимальная потребляемая мощность, не более 15 Вт

• Тактовая частота 700 МГц

• Тип антенны GPS Встроенная керамическая

• Обмен информацией с внешними устройствами LoRaWAN радиоканал ISM 868MHz, 25 мВт

• Диапазон рабочих температур от -50 до +60

• Время работы батареи питания 9ч

• Габаритные размеры 150x195x110 мм

• Степень защиты корпуса IP67

RHF2S008P4G 8-канальный шлюз LoRaWAN

Уличная базовая станция, в металлическом корпусе. Для связи с сервером используется Ethernet или 4G.GPS может быть установлен в качестве дополнительной опции. Все антенны базовой станции выносные и могут быть установлены в закрытом боксе; питание от POE; ОС-Linux. Базовая станция поставляется с предустановленными антеннами и программным обеспечением для пересылки пакетов.

Характеристики:

• Максимальная выходная мощность 27 дБм

• Высокая чувствительность с -141 дБм при 300 бит / с

• Полудуплексный режим связи LoRaWAN

• Канал связи LoRaWAN: 8 обычных каналов с несколькими SF (от SF7 до SF 12525 кГц), 1 канал высокоскоростной передачи данных SF и 1 канал GFSK

• Нисходящий канал LoRaWAN: 1 нормальный канал (125 кГц / 250 кГц / 500 кГц, конфигурируемый LoRa или GFSK)

• Скорость передачи данных 292 бит / с ~ 50 кбит / с

• Поддержка LoRaWAN класса A / B / C

• LoRaWAN антенна усиления: 3dBi по умолчанию

• Совместим с PoE IEEE 802.3

• 10 / 100M Ethernet или 4G модем (WCDMA / TD-LTE / GPRS / EDGE) для работы в сети

• Синхронизация с сигналом GPS pps

• Расширенная промышленная рабочая температура: от -40   C до + 75   C.

• Использование на улице: IP66 и простота установки

• Защита от электростатического разряда: контакт 8кВ

• Волна (LAN / PoE): 4 кВ (обычный режим)

• 3 кВ (дифференциальный режим)

• Рабочие полосы частот (опционально): 434 МГц, 470 МГц / 510 МГц, 780 МГц, 868 МГц, 915 МГц

Kerlink Wirnet Station 868 LoRaWAN

Диапазон 868 МГц обеспечивает надежное развертывание сети LoRa,а прочный корпус IP67 позволяет Kerlink Wirnet Station работать в суровых условиях (влажность, пыль, ветер, мороз).Kerlink Wirnet Station может создать двунаправленную сеть LoRaWAN с пропускной способностью до 700 000 пакетов в день.

Характеристики:

• Класс защиты IP67

• Диапазон рабочих температур, Сот -40 до +60

• Операционная система Linux

• Частота ISM 868, 915, 923, 433 МГц

• Измерение 315 x 170 x 215 (включая монтажный комплект)

• Вес ~ 2 кг (включая монтажный комплект)

RHF2S208 Открытый шлюз LoRaWAN

Шлюз подключается через 10/100MEthernet или LTE; встроенный модуль GPS позволяет использовать сигналы PPS для синхронизации. Встроенный веб-интерфейс позволяет быстро конфигурировать, анализировать и диагностировать неисправности. Преимущество WIFI-интерфейса RHF2S208 в том, что клиенты могут подключаться напрямую с помощью ПК, ноутбука или другого устройства для первоначальной настройки и отладки по мере необходимости. dc Устройство поддерживает различные способы питания, включая инжекторы, PoE и встроенные батареи LiFePO4. Устройство также может питаться от батареи, подключив солнечную панель.

Характеристики:

• Максимальная выходная мощность 25 дБм

• Высокая чувствительность -140 дБм при 300 бит / с

• Полудуплекс или полный дуплекс (опционально)

• Канал связи LoraWAN (опционально)

• Нисходящий канал LoRaWAN: 1 нормальный канал (125 кГц / 250 кГц / 500 кГц, конфигурируемый LoRa или GFSK)

• Усиление антенны LoRaWAN 2 дБи

• Совместим с PoE IEEE 802.3 af / at

• 10 / 100M Ethernet или 4G модем (WCDMA / TD-LTE / GPRS / EDGE) для работы в сети

• Синхронизация с сигналом GPS PPS

• Быстрая настройка и обслуживание через WiFi

• USB интерфейс для отладки

• Источник питания: разъем постоянного тока, PoE и внутренняя батарея LiFePO4

• Продолжительность работы до 4 часов с резервной батареей

• Поддержка аккумулятора, заряжаемого солнечными батареями

• Водонепроницаемый степень защиты IP67

• Защита от перенапряжения 10 кА

Наношлюз WIRNET IFEMTOCELL от KERLINK

Wirnet iFemtocell — это конфигурируемый внутренний шлюз LoRaWAN для интеллектуальных сетей IoT. Этот шлюз подходит для расширения внутренних сетей общего пользования или для частного использования в помещениях, на производстве и в промышленности. Он работает в большинстве частотных диапазонов и представляет собой недорогое устройство с компактным и функциональным корпусом. Он легко конфигурируется и предлагает несколько вариантов связи, включая Ethernet, WiFi и WWAN. Шлюз может использоваться в качестве концентратора для подключения оконечных устройств, а также может быть базой для различных корпоративных программных приложений, таких как мониторинг энергии и безопасность, а также сбор критически важных данных в различных областях применения (здания, заводы, промышленные объекты, фермы, порты, аэропорты, шахты и т.д.).

Характеристики:

• Sniffer для LBT

• Чувствительность Rx: -141 дБм (SF12)

• Мощность передачи настраивается от 5 дБм до 27 дБм

• Температурный диапазон: от -20   C до + 55   C (только для шлюза, без источника питания)

• Влажность от 5% до 95%

• Размер: 160 х 90 х 35 мм

• Вес: 163 г (только шлюз); 372 г (с упаковкой)

• Соответствие спектрального анализа

• Корпус: IP30

• Процессор: ARM Cortex A9

• DDRAM 256 МБ

• 8 ГБ eMMC (6 ГБ доступно для пользователя)

Вега БС-3 Базовая станция

Базовая станция Вега БС-3 предназначена для развертывания сетей LoRaWAN в диапазоне 863–870 МГц. Базовая станция является центральным элементом в построении сети LoRaWAN, выступая в качестве прозрачного шлюза между оконечными устройствами и серверами.

Базовая станция Вега БС-3 имеет 16 каналов одновременной работы, которые могут быть увеличены до 64 каналов путем установки дополнительных модулей.

Связь с сервером осуществляется как по каналам Ethernet, так и по сетям 3G/LTE.

Дюралевый корпус имеет антивандальное исполнение и оснащен датчиками вскрытия и громоотводами.

Кроме того, базовая станция третьего поколения предлагает совершенно новую функцию - геолокацию, которая определяет местоположение оконечного оборудования по сигналам базовых станций, когда оконечное оборудование одновременно находится в зоне покрытия не менее трех базовых станций Вега БС-3.

Характеристики:

• ГНСС модуль - да, с поддержкой GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, QZSS, SBAS и Galileo

• LTE модем, Quectel EC21-E

• Операционная система Linux

• Канал связи с сервером Ethernet, 3G/LTE

• USB-порт - да

• Диапазон рабочих температур -40…+70

• Количество каналов LoRaWAN® 16 с возможностью расширения до 64

• Частотный диапазон 863–870 МГц

• Дальность радиосвязи в сельской местности до 15 км

• Дальность радиосвязи в плотной городской застройке до 5 км

• Напряжение питания 24 В

• Потребляемая мощность до 30 Вт (16-канальная)

• Размеры корпуса, не более, мм 285 х 213 х 67

• Степень защиты корпуса IP67

Вега БС-2.2 Базовая станция

Базовая станция Вега БС -2.2 предназначена для развертывания сетей LoRaWAN в диапазоне 863–870 МГц. Базовая станция имеет питание и обменивается данными с сервером по каналу Ethernet. Кроме того, она может взаимодействовать с сервером по каналу 3G. Базовая станция Вега БС -2.2 поставляется с предустановленным программным обеспечением для пересылки пакетов, встроенной GPS-антенной и встроенным 3G-модемом. Рекомендуется использовать антенну A10-868 производства ООО "Фирма "Радиал".

Характеристики:

• GPS приемник со встроенной антенной

• 3G модем

• Операционная система Linux

• Канал связи с сервером Ethernet, GSM 3G

• USB-порт

• Диапазон рабочих температур от -40 до+70

• 8 каналов LoRaWAN™

• Частотный диапазон 863–870 МГц

• Мощность передатчика до 500 мВт (27 dBm)

• Антенный разъём N-Type female

• Дальность радиосвязи в сельской местности до 15 км

• Дальность радиосвязи в плотной городской застройке до 5 км

• Потребляемая мощность не более 5 Вт

• Тип питания Passive POE 4,5(+) 7,8(-) 15Вт

• Размеры корпуса 190 х 183 х 75 мм

• Степень защиты корпуса IP67

• Крепление на балки/мачты

Беспроводной шлюз Outdoor Micro Gateway WAPS-232N/RUSRD

Беспроводной шлюз Outdoor - это портативная базовая станция, предназначенная для обмена телеметрическими данными с промышленными сетевыми терминалами с использованием технологии LoRa по сети LoRaWAN. Встроенное программное обеспечение шлюза обеспечивает быстрое подключение и последующее управление из TrackCentral (TrackNet Inc). Обмен данными между шлюзом и сервером осуществляется с помощью интерфейса Ethernet или встроенного GSM-модема. Шлюз имеет встроенный модуль GNSS, который обеспечивает функциональность сетевого сервера A-GPS. Полностью металлический корпус с защитой IP-67 позволяет использовать шлюз в суровых погодных условиях.

Характеристики:

• Частотный диапазон 864–865 и 868.7-869.2 МГц

• Мощность передатчика +25 dBm

• Чувствительность приемника -142 dBm

• WAN модем SX1301 и SX1257

• 8 каналов

• Дальность передачи до 15км (LoRa SF12)

• Электропитание 55VDC/0.6A через PoE адаптер

• Степень защиты IP67

• Допустимая температура -40 0C ~ 85 C

• Допустимая влажность <95%

• Размер 230 x 200 x 68 мм

• Вес 2.05 кг

• Поддержка 3G/4G LTE FDD B1/B3/B5/B7/B8/ B20; LTE TDD B28/B40/B41; WCDMA B1/B5/B8; GSM B3/B8

• Поддержка GNSS GPS; GLONASS

Сравнительные обзор

Сравним базовые станции по следующим характеристикам:

• Радиус действия (км)

• Максимальная потребляемая мощность (Вт)

• Диапазон рабочих температур

• Степень защиты

• ОС

• Связь с сервером

• Наличие предусмотренного сервера

В заключении, можно сказать что рынок базовых станций LoRaWAN активно развивается, большинство устройств имеет доступ к интернету по сети LTE или 3G, надёжно защищено от пыли и влаги, имеют радиус действия около 15 км и потребляемую мощность в районе 10-30 Вт. Большим плюсом для быстрого развертывания сети является наличие от компании производителя ПО, а так же предустановленной ОС. Все станции имеют широкий диапазон рабочих температур, что позволяет использовать их в разных условиях, и на улице, и в помещении.

Список источников

1. Оборудование для карбонового полигона, принципы отбора и назначение.

2. Официальный сайт «Oriongateway»

3. RisingHF RHF2S208 Руководство пользователя

4. Официальный сайт «Вега»

5. RisingHF RHF2S008P4G Руководство пользователя

6. Практический опыт эксплуатации сети LoRaWAN. Заметки IoT-провайдера

7. LoRaWAN как надежная и безопасная технология связи

8. Базовые станции Multi-Tech позволяют развернуть сеть LoRaWAN за пару кликов

9. Спецификация LoRaWAN. Введение. Основные понятия и классы оконечных устройств

10. Станция Wirnet