Cisco Interface Module for LoRaWAN™

1. Олег Саенко
osaenko@cisco.com
2 ноября 2016
Cisco Club – Обзор решений Cisco для сетей LoRaWAN
Cisco Interface Module for LoRaWAN™

2. Памятка
 Введение в технологии сетей LoRaWAN™ доступно по ссылке:
https://www.lora-alliance.org/What-Is-LoRa/Technology
 Описание решения Cisco® для LoRaWAN™ – www.cisco.com/go/lorawan

3. Long
Range
Short
Range
Long
Range
Medium
Range
RF
Mesh
WiFi
RF
Mesh
Serial WiFi RF
Mesh
PLC
Беспроводные технологии мира IoT
Сеть мобильного
оператора связи
Pub/Priv
outdoor WiFi
Носимые
Умное здание Умный город
P
Энергетика
ISA
100
Pub/Priv
Outdoor WiFi
Промышленность
B-LE Сельское
хоз-во,
шатхы
WiFi2G
3G
Connecting the Unconnected
P
Backhaul LPWAN-сети
Backhaul
• Стоимость: OPEX vs CAPEX, конечное устройство,
инфраструктура,…
• Радио : стандарты, лицензируемые частоты, ограничения
регуляторов, …
W’less
HART

4. LPWAN: Где же применимо?
LPWAN обеспечивает автономную работу в течении нескольких лет и
предназначено для датчиков и приложений, оперирующих с небольшим
объемом данных, передаваемых не большие расстояния с небольшой
частотой

5. Параметры сети LPWA
Параметр Порядок величины Значение
Спектр лицензируемый (3GPP) и
нелицензируемый (ISM)
2.4GHz
и Sub-GHz (433/868/915 MHz)
Дальность действия большая 1-15 км
Объекты много тысячи
Полоса данных малая (upstream vs downstream) несколько килобайт в день
(upstream)
Скорость низкая (upstream vs downstream) от 60 bps до100kbs
Полезные данные мало от 10 до 200 байт
Период работы от низких до высоких до нескольких минут
Автономность большая от месяцев до 20 лет
Стоимость модуля низкая <$5
Стоимость сервиса низкая <$10 в год

6. LPWAN: определяющие факторы
При построении сети LPWAN определяющими являются:
• Максимальная дальность радиосвязи
• Автономность датчиков
• Устойчивость к помехам
• Емкость сети (кол-во узлов сети LPWA)
• Безопасность
• Односторонний и двусторонний обмен данными
• Универсальность применения самой сети

7. LPWAN: технологии-конкуренты
C-UNB (Cooperative Ultra Narrowband) SIGFOX (France)
868.8 MHz
Развернута в Европе: Франция, Италия, Англия, Испания, Бельгия, Португалия, Нидерланды,
Дания.
CIoT (Cellular Internet of Things)
Extended Coverage GSM (EC-GSM), Ericsson
Narrowband GSM (N-GSM), Nokia
LTE MTC 3GPP, Nokia
Narrowband M2M (NB-M2M), Huawei/Neul
Narrowband OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), Qualcomm
Narrowband Cellular IoT (NB-CIoT), NB-M2M и NB-OFDMA
Narrowband LTE (NB-LTE), Alcatel-Lucent, Ericsson и Nokia
Фокус на мобильных операторов SP: нужно добавить только RF-трансиверы и обновить ПО
Sub-GHz лицензируемые частоты.

8. LPWAN: технологии-конкуренты
WiFi HaLow
Анонсирована в январе 2016 года WiFi Alliance (http://www.wi-fi.org/) как новый стандарт на базе
IEEE802.11ah. Sub-GHz частотный диапазон.
и LoRa (Long Range)…
разработан компанией Semtech
LoRa Alliance (с января 2015г)

9. • Semtech один из лидеров в разработке и производстве микроэлектроники.
• Семейство чипов от Semtech (SX127X) - это готовое решение для сетей LPWAN; ультранизкое собственное
энергопотребление от 9,7 мА в режиме приема и 200 нА в режиме ожидания со сверхбыстрым переходом в
рабочий режим
http://www.semtech.com/wireless-rf/lora.html
• Для модуляции LoRa используется технология расширения спекта, при которой данные кодируются
широкополосными импульсами с линейно-частотной модуляцией (Chirp Spread Spectrum) с частотой,
увеличивающейся или уменьшающейся на некотором интервале времени.
• Используется упреждающий метод коррекции ошибок - forward error correction (FEC). Т.о. демодулятор LoRa
может работать ниже уровня собственного шума -20дБ
• Низкая скорость передачи данных 0.3 kbps (SF12) и до 10 kbps (SF7)
• Размер пакетов до 250 байт
• чипы LoRa от Semtech (SX127x) работают на частотах ISM 169, 433, 770, 868, 915MHz
• На рынке доступны чипы от другого производителя - Microchip.
Semtech LoRa (Long Range)

10. • Открытый альянс компаний производителей электроники (Cisco, IBM, Kerlink,
IMST, Semtech, Microchip Technology и др), операторов связи (Bouygues Telecom,
KPN, SingTel, Proximus, Swisscom и др) и услуг сети (Actility, Orbiwise и др):
https://www.lora-alliance.org
• Задача: разработка стандартов для Low Power Wide Area Networks (LPWAN) и его
популизация для повсеместного применения в различных областях интернета
вещей, M2M-взаимодействия, в умных городах и промышленных предприятиях.
• LoRa Alliance определяет спецификацию протокола LoRa (LoRaWAN – выше
физического уровня), сетевую архитектуру, гарантированное взаимодействие
между устройствами и операторами данных.
Спецификация LoRaWAN v1.0 выпущена (январь 2015)
LoRa Alliance

11. Классы устройств LoRaWAN
Класс Особенности
A
(« all »)
Автономные датчики, или исполнительные механизмы, не
имеющие ограничения на время ожидания.
Максимально эффективно с точки зрения длительности
работы.
Поддерживается всеми типами устройств
B
(« beacon »)
Исполнительные механизмы с внешним питанием
Более энергозатратный тип устройств. Заданная частота
обратной связи.
C
(« continuous »)
Приводы с сетевым питанием
Устройства, постоянно имеющие открытое окно для
коммуникации с сервером сети.

12. Области применения LoRaWAN™
Умные счетчики Умное освещение Умное здание Умная парковка
Трекинг объектов Умное земледелие
Контроль уровня воды и
течений
Умная энергетика
(контроль повреждений)
Безопасность
(пожарные датчики)
Умное ЖКХ Умная мусорка
Управление
траспортными потоками

13. Многоуровневая архитектура LoRaWAN
Приложения
CoAP MQTT
IPv6/6LoWPAN
(IETF 6LPWA WG)
Raw другие
LoRaWAN™ MAC
Модуляция LoRa
868MHz 915MHz другие региональные частоты
Спецификация LoRa Alliance
Модуляция Semtech HW
Региональные профили

14. Архитектура LoRaWAN™
App Data
LoRaWAN™
Radio PHY
LoRaWAN™
MAC
IP
Tunnel
IP Transport App Data
LoRaWAN™
устройства
сертификация в
LoRa Alliance
Gateway (шлюз)
Semtech HW
reference design ver
2.0
Network Servers
MAC decaps, Security
Network/Radio management
Message scheduling, ZTD etc…
Application Servers
Приложения для
паркинга, умного ЖКХ,
Эко-мониторинга
Backhaul API
Роуминг
(LoRaWAN™
1.1)
RF

15. Решение от Cisco для сетей LoRaWAN™
IoT Infrastructures IoT Applications
LoRaWAN™
Network Server
LoRaWAN™ App
Router
App
Connector
App
Connector
VPN Connectivity
Field
Network
Director
AAA/CA
Cisco Field Network Director -
LoRaWAN™ Gateway MGMT
LoRaWAN™ Mgmt.
Subsystem
Cisco IoT Back End – LoRaWAN™ Solution
Internet
IR8x9
LoRaWAN™
LoRa Endpoints
Private Network
IR8x9
LoRaWAN™
LoRa Endpoints
Public NetworkUnlicensed ISM Radio Unlicensed ISM Radio
GW ZTD and LRR
Initial Provisioning
LoRaWAN™ Network
Mgmt. and Application
Enablement

16. LoRaWAN™ Interface Reference Design v2 Layout
Reference design v2
Увеличения кол-ва каналов до 16
Устройчивость к помехам
Geo-локация (30нс таймер)
Повышение стабильности и
скорости работы: 2 RF-антенны,
одновременная передача и прием

17. LoRaWAN Adaptive Data Rate

18. Позиционирование решения Cisco
IR809
IR829
PoE+
IP67
SP и Enterprises
V2 reference design
(Macro-GW)
Consumers Indoor
(3rd party)
v1 reference design
(Pico-GW)
Source: Orange
Enterprise Deep Indoor
V1.5 reference design-based
(3rd party)

19. Cisco Interface Module для LoRaWAN™
 Cisco LoRaWAN Interface Module - это LoRaWAN Gateway для
Cisco® IoT маршрутизаторов
– IR809, IR829, CGR 1000 (в будущем)
– Выполнен на основе Semtech reference design version 2.0, Geo-позиция
(обновление ПО в Q4 CY16)
– Индустриальное исполнение: IP67 rating, PoE+ power, GPS, main and
diversity antennas,…
 Cisco LoRaWAN Interface Module полностью соответствует
спецификации LoRaWAN 1.0.1
– 868 MHz и 915 MHz SKUs – региональные профили в Thingpark LoRa
Network Server
– LoRaWAN поддержка типов устройств класса A, B и C
– Тесная интеграция с Actility Thingpark LoRa Network Server
 Различные варианты развертывания – до нескольких модулей
Cisco LoRaWAN Interface на IR800
 Новая версия Cisco IOS® Software: “Virtual-LPWA” интерфейс
управления и поддержка в Cisco IoT FND 3.1

20. Преимущества Cisco Interface LoRaWAN™
 Встроенная Cisco IoT routing-платформа
– IPv4/IPv6 routing, QoS (including LTE QoS), IP SLA (RX1/RX2 latency), security, VPN,…
– Выбор backhaul: Ethernet (медь/оптика), 3G/4G, Wi-Fi,...
– Индустриальные сертификаты, Secured boot, IEEE 802.1ar Secure Device Identity (ACT2 chipset), chassis
intrusion detection,...
– простота использования интерфейсного модуля LoRaWAN™ будущими версиями Cisco IOS
 Простота использования
– Несколько интерфейсных модулей LoRaWAN™ на один IR809 или IR829
– Питание по PoE+ для Cisco Interface Module для LoRaWAN™
– Короткий антенный кабель, снижение потерь
 Маштабируемая платформа управления и мониторинга
– Cisco IoT FND – управление тысячами устройств IR8x9
 Многосервиснаое внедрение технологий для IoT
– Простая поддержка беспроводных технологий: . Wi-Fi, LoRa, CG-Mesh,…
– Fog computing для других сервисов и задач IoT одновременно с сервисами для сети LoRa

21. Типичная установка оборудование IR809 с одним
интерфейсным модулем LoRaWAN™
Power
source
Cisco® IR809
Enclosure or
Ground cabinet
GPS antenna
(optional)
4G antennas
(if cellular backhaul)
LoRaWAN™ Interface Omni
Antenna x 2
Main and Diversity
Antenna Feeder RF Cable x 2
Lightning arrestor x 2
LoRaWAN™ Interface GPS
Antenna and cable
Ethernet PoE+ cable
PoE+ Injector and
10kV surge protector
Cisco Interface Module for LoRaWAN™
Ethernet
backhaul

22. Power source
AC or DC?
Ethernet Backhaul
Copper or Fiber? IR809
or
IR829 ?
PoE+ Injector and
10kV surge protector
 DC Power Source
– IR809: native 48VDC support
– IR829: requires 48VDC to 12-32VDC
adapter
 AC Power Source requires IR809 or
IR829 AC-DC power adapter
 Ethernet backhaul: copper or fiber
– IR809: 10/100/1000Mbs RJ-45 copper
– IR829: SFP (Optic or copper) and
10/100/1000Mbs RJ-45 copper
 LoRaWAN™ Interface PoE+
– IR809: PoE+ Injector (AC or DC model)
and 10kV surge protector
– IR829: PoE option (IR800-IL-POE) or
PoE+ Injector and 10kV surge protector
Selection criteria for Cisco® IR809
or IR829 in single LoRaWAN™
interface use case
LoRaWAN™ Interface
Enclosure or
Ground cabinet
Типичная установка оборудование IR809 с одним
интерфейсным модулем LoRaWAN™

23. Установка IR829 с несколькими
интерфейсными модулями LoRaWAN™
Ethernet backhaul Power source
Enclosure
Cisco®
IR829
• 1 x GPS Antenna and cable
per LoRaWAN™ interface
• 2 x Antenna Feeder RF Cable
+ Lightning arrestor per
LoRaWAN™ interface
• 1 x PoE+ Injector and
10kV surge protector per
LoRaWAN™ interface
 2 x third-party sectorized
Antennas
(Main and Diversity) per
LoRaWAN™ interface
GPS antenna
(optional)
4G antennas
(if cellular backhaul)
Крыша здания

24.  LoRaWAN™ Interfaces Ethernet connectivity
– IR809: requires front-end Ethernet switch
(may already exists on side). One
dedicated VLAN per LoRaWAN™ interface.
IR809 configured with sub-interface per
LoRaWAN™ interface
– IR829: directly connects each IXM LoRa
interface. One VLAN per LoRaWAN™
interface.
 PoE+ injector
– IR809: required if the front-end switch
doesn’t offer PoE+
– IR829: required because PoE option can’t
power more than one LoRaWAN™
interface.
Секторные антенны
(main and diversity)
Критерии выбора Cisco® IR809 или IR829
PoE+ Injector and
10kV surge protector
GE Sub-Interface
Per LoRaWAN™
VLAN per
LoRaWAN™
IR809 or
IR829 ?
несколько модулей
LoRaWAN™ Interfaces
IE1000
with PoE+?
Установка IR829 с несколькими
интерфейсными модулями LoRaWAN™

25. Архитектура LoRaWAN™
App Data
LoRaWAN™
Radio PHY
LoRaWAN™
MAC
IP
Tunnel
IP Transport App Data
LoRaWAN™
устройства
сертификация в
LoRa Alliance
Gateway (шлюз)
Semtech HW
reference design ver
2.0
Network Servers
MAC decaps, Security
Network/Radio management
Message scheduling, ZTD etc…
Application Servers
Приложения для
паркинга, умного ЖКХ,
Эко-мониторинга
Backhaul API
Роуминг
(LoRaWAN™
1.1)
RF

26. Cisco LoRaWAN™ Interface Software Components
LoRaWAN™ Interface
LXC
Thingpark LRR
• LoRaWAN packet
forwarder
• RF channel
management
• OSS RF stats
• Downlink Routing
Management
RX1/RX2
• IEC 104 WAN
Connectivity
LoRaWAN™
Management
• IPv4/IPv6 stack
• IPsec to secure
communications
with IR800
• Semtech HAL
driver
• Firmware
management
Linux-based
firmware
10/100Mbs RJ-45
LoRaWAN™
Management
Cisco IOS
Software CLI
Virtual-LPWA x
Intelligent
Layer 3
Forwarding
Cisco IOS
Software
GI x (IR809)
VLAN x (IR829) VPN Connectivity
Field
Network
Director
AAA/CA
GW MGMT Subsystem
LoRaWAN™
Network Server
LoRaWAN™
App Router
App
Connector
App
Connector
LoRaWAN™
Mgmt. Subsystem
 Cisco IOS LoRaWAN™ Interface Management: отвечает за настройку и управление ПО и аппаратной части
 Thingpark LRR: LoRaWAN™ управление радио и форвардинг пакетов данных через Cisco IOS® Software Layer-3