Dodatkowo LoRa wykorzystuje kodowanie nadmiarowe.
Mamy okazję zapytać firmę Etteplan o wnioski z wdrożenia LoRa we Wrocławiu oraz skonfrontować teorię z praktyką LPWAN.
elektroda.pl: Czym zajmuje się firma Etteplan, co skłoniło Państwa do podjęcia projektu związanego z LoRa?
Etteplan: Etteplan jest międzynarodowym biurem projektowym R&D (Badania i Rozwój) zajmującym się systemami wbudowanymi dla różnych sektorów gospodarki, takich jak przemysł, telekomunikacja, medycyna, branża zbrojeniowa, motoryzacja, automatyka budynków oraz AGD. Firma powstała w 1983 roku i obecnie Etteplan ma swoje biura w 8 krajach świata: Finlandii, Szwecji, Polsce, Niemczech, Holandii, Rosji, Chinach i USA, gdzie łącznie zatrudnia ponad 2500 specjalistów w dziedzinie elektroniki, radiokomunikacji, oprogramowania, systemów wbudowanych, Internetu przemysłowego oraz dokumentacji technicznej. W Polsce firma ma biura we Wrocławiu, gdzie funkcjonuje od 2010 roku i od tego czasu zbudowała zespół ponad 150 doświadczonych specjalistów oraz nowo otwarte biuro w Poznaniu.
elektroda.pl: Ile bramek LoRa udało się uruchomić, jakie typowe i maksymalne zasięgi udało się uzyskać?
Etteplan: Na bazie projektów realizowanych dla naszych Klientów uruchomiliśmy kilkanaście sieci prywatnych realizujących dedykowane zadania. Aktualnie publicznie dostępne są nasze 2 bramki we Wrocławiu, a kolejną planujemy w najbliższym czasie uruchomić w okolicach nowego biura w Poznaniu.
W ramach naszego rozwiązania wykorzystujemy bramkę MultiConnect Conduit, zbudowaną przez naszego partnera - firmę Multitech, zmodyfikowaną o obudowę klasy IP67, odpowiedni zasilacz PoE i oprogramowanie.
Jeżeli chodzi o część antenową to wybraliśmy antenę firmy Taoglas - antena Barracuda OMB.868.B08F21.
Dla ww. konfiguracji sprzętowej otrzymaliśmy 100% pokrycie terenu na dystansie 3.5 – 4.5km od bramki w zależności od zurbanizowania terenu. W przeprowadzonych testach pojawiały się również transmisje na dystansach 6 do 8 km przy urządzeniu końcowym umieszczonych w pojeździe.
elektroda.pl: Jakiego rodzaju urządzenia IoT brały udział w testach sieci, jaka jest pojemność zbudowanej sieci?
Etteplan: W testach wykorzystujemy zarówno własne rozwiązania, w tym płytkę ewaluacyjną ELMO (ELMO – Etteplan LoRa MOdule) dla której oprogramowanie jest dostępne w ramach platformy mbed firmy ARM (której jesteśmy partnerem), jak i gotowe rozwiązania dostarczane przez naszego partnera technologicznego - firmę Multitech (Conduit, mDot, xDot) oraz urządzenia firm trzecich jak np. Semtech, Microchip czy Airly.
Jeżeli chodzi o ilość obsługiwanych urządzeń to warto ten temat rozpatrywać w kontekście „pojemności” pojedynczej bramki. Ilość obsługiwanych urządzeń przez bramkę zależy od wielu aspektów:
- używanej szerokości kanału transmisyjnego,
- ilości przesyłanych danych,
- częstotliwości z jaką dane są wysyłane
- używania lub nie funkcjonalności ADR (Adaptive Data Rate – dostosowywania parametrów transmisji urządzeń końcowych przez bramkę, do której są podłączone na podstawie parametrów odbieranych danych) i powiązanego z nim parametru nazywanego SF (Spreading Factor).
Wszystkie te parametry powodują, że pojemność danej sieci waha się od kilkuset to dziesiątek tysięcy urządzeń, które mogą być obsłużone w ramach jednej bramki.
elektroda.pl: Jaka jest konstrukcja mechaniczna i elektroniczna bramki, ile kanałów obsługuje transceiver oraz jak zrealizowane jest połączenie z Internetem?
Etteplan: Urządzenie typu bramka to komputer przemysłowy wyposażony w moduł rozszerzający jego funkcjonalność o komunikację w technologii LoRa. W tego typu modułach wykorzystuje się dedykowany układ radiowy SX1301, który ma możliwość równoczesnego odbioru danych na 8 różnych kanałach / częstotliwościach. Komputer ten, dodatkowo może być rozszerzony o moduły umożliwiające podłączenie go do Internetu z wykorzystaniem połączenie przewodowego czy bezprzewodowego – karty WiFi lub modemu 3G.
elektroda.pl: Jakie jest obecne zastosowanie dla zbudowanej sieci LPWAN, kto może się z nią połączyć i jak może ją wykorzystać, czy planowana jest rozbudowa sieci?
Etteplan: Bramka uruchomiona przez Etteplan jest jedną z setek bramek dostępnych w ramach open-source’owej inicjatywy The Things Network – bramka została skonfigurowana tak, aby cały ruch był przekazywany do platformy TTN, która m.in. zarządza zasobami danej bramki, umożliwia zarządzanie urządzeniami, a także pełni funkcję brokera odbieranych danych.
Każda osoba ma możliwość założenia konta na TTN i utworzenia aplikacji, do której będą przekazywane dane z urządzeń. Oczywiście urządzenia te musza znajdować się w zasięgu dowolnej bramki obsługującej TTN.
elektroda.pl: Czy LoRa zapewnia poufność oraz integralność dla danych przesyłanych przez urządzenie IoT?
Etteplan: Zabezpieczenia zdefiniowane na poziomie standardu gwarantują poufność oraz integralność danych. Standard definiuje dwa typy symetrycznych kluczy unikalnych dla każdego urządzenia:
- klucz sieciowy (NwkSkey) używany na warstwie sieciowej podczas transmisji z urządzenia do serwera/bramki i wykorzystywany jest do sprawdzenia poprawności/integralności odebranych danych;
- klucz aplikacji (AppSkey) – AES-128 - używany do szyfrowania danych na poziomie aplikacji.
Wyżej wymienione klucze są kluczami unikalnymi generowanymi dla każdego urządzenia każdorazowo gdy wykona operację przystąpienia (JOIN’a) do sieci. Na poniższych rysunkach przedstawiono jak ww. klucze wykorzystywane są do szyfrowania poszczególnych fragmentów całej ramki oraz które klucze na jakim poziomie sieciowym.
W praktyce często funkcjonalność serwera LoRa jest uruchomiona na bramce. To samo dotyczy funkcjonalności serwera aplikacyjnego. Bezpieczeństwo przechowywania ww. kluczy powinno być zaimplementowane zarówno przez producentów bramek czy operatorów danej sieci, jak i przez producentów urządzeń końcowych (node’a).
elektroda.pl: Czy możemy wykluczyć możliwość podszycia się pod nasze urządzenie IoT, czy możemy mieć pewność że dane pochodzą od naszego urządzenia?
Etteplan: Urządzenia komunikujące się w technologii LoRa zabezpieczone są unikalnymi kluczami generowanymi każdorazowo w momencie połączenia urządzenia do sieci, więc ataki typu „man-in-the-middle” nie powinny mieć miejsca. Natomiast istnieje wiele innych zagadnień dotyczących bezpieczeństwa zarówno po stronie serwera jak i urządzeń końcowych takich jak:
- zabezpieczenie klucza ABP związanego z aktywacją przez personalizację (Activation By Personalization). Klucze tego typu generowane są najcześciej na etapie produkcji urządzenia, zapisywane zarówno w jego pamięci jak i po stronie serwera. Klucze te powinny być bezpiecznie przechowywane, najlepiej z wykorzystaniem dedykowanego układu szyfrującego po stronie urządzenia końcowego,
- zabezpieczenie kluczy podczas dynamicznej aktywacji typu OTAA (Over The Air Activation) - urządzenie końcowe wysyła do bramki AppKey, który musi być przekazany do serwera sieciowego LoRa z wykorzystaniem bezpiecznego połączenia np. HTTPS. Na podstawie tego klucza generowane są 2 klucze sesyjne,
- zarządzanie kluczami - standard LoRa definiuje klucze symetryczne na potrzeby szyfrowania I autentykacji. Klucze te muszą być przechowywane zarówno po stronie serwera, jak i urządzenia końcowego - dwa miejsca, które muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenia,
- osoba mająca dostęp do kluczy (appKey, NwkSKey oraz AppSKey) dla danego urządzenia może się łatwo pod nie podszyć. Dlatego też klucze muszą być bezpiecznie przechowywane, a pamięć w której są przechowywane zabezpieczona przed odczytem z zewnętrznego urządzenia.
Ww. zagadnienia powinny być każdorazowo rozpatrzone w ramach implementowanego rozwiązania, a zagrożenia w miarę możliwości i potrzeb zminimalizowane lub wykluczone.
elektroda.pl: Czy każda zainteresowana osoba może uruchomić swoją otwartą dla wszystkich lub prywatną bramkę LoRa czy też występują jakieś ograniczenia?
Etteplan: Oczywiście, że tak - nie ma żadnych ograniczeń prawnych co do możliwości uruchomienia takiej bramki, niezależnie czy będzie ona prywatna czy publiczna. Trzeba zwrócić jednak uwagę na stosowanie certyfikowanych urządzeń spełniających wymagania zarówno samego standardu LoRa jak i norm europejskich (w tym normy EN300220 dotyczących komunikacji w paśmie poniżej 1 GHz), które definiują m.in. dopuszczalne moce nadawania, częstotliwości użytkowe, zajętość pasma itd.
elektroda.pl: Jak z punktu widzenia wykonanego wdrożenia można ocenić przyszłość i zastosowania LoRa w Polsce i globalnie oraz innych sieci LPWAN?
Etteplan: W ujęciu globalnym liderami we wdrażaniu technologii LoRa jest Francja oraz Holandia, a także Finlandia. W tych krajach operatorzy komórkowi dostrzegli duży potencjał tej technologii i rozszerzają istniejącą infrastrukturę dla technologii komórkowych (GSM/WCDMA/LTE) o sprzęt, umożliwiający komunikację w technologii LoRa.
W Polsce na chwile obecną nie zauważamy większego zainteresowania wśród dużych operatorów komórkowych. Pojawiają się natomiast mniejsze firmy zainteresowane budową sieci działających w technologii LoRa w ujęciu lokalnym.
elektroda.pl: Można zauważyć, że operatorzy komórkowi wdrażają rozwiązania dedykowane do komunikacji IoT/M2M czy jest miejsce na koegzystowanie łączności LTE-M/5G NB-IoT i sieci LPWAN typu LoRa/SIGFOX/Bluetooth 5.0?
Etteplan: Wymienione technologie będą ze sobą koegzystowały pod względem fizycznym jak i użyteczności. Jeżeli chodzi o rożne technologie – w tym LoRa i SIGFOX – działające na częstotliwościach 868/915 MHz z pewnością ich im więcej technologii tym większe ograniczenia co do swobodnej dostępności kanałów transmisyjnych i więcej potencjalnych oddziaływań zakłócających. W tym kontekście na korzyść technologii LoRa przemawia wykorzystywana w niej technika rozpraszania widma DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) z wykorzystaniem ciągów kodowych. Transmisja może odbywać się poniżej poziomu szumu co dodatkowo zwiększa skuteczność w przesyłaniu danych.
Z pewnością każda z technologii posiada swoje plusy i minusy (zasięg, pobór prądu, przepustowość, koszty wdrożenia, dostępność infrastruktury itd.), które w zależności od potrzeb i funkcjonalności danego urządzenia czy rozwiązania będą musiały być wzięte pod uwagę w celu wybrania najbardziej odpowiedniego rozwiązania.
elektroda.pl: Dziękujemy za rozmowę oraz dostarczenie sporej dawki praktycznych informacji o LoRa.
Dajcie znać o wynikach swoich eksperymentów z LoRa, być może osobom zamieszkałym we Wrocławiu lub Poznaniu uda się przesłać dane z wykorzystaniem bramek uruchomionych przez firmę Etteplan?
Cool? Ranking DIY
