Способ сетевого взаимодействия между беспроводным устройством и удаленным сервером приложения
METHOD FOR NETWORKING BETWEEN A WIRELESS APPARATUS AND A REMOTE APPLICATION SERVER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области коммуникационных технологий, а именно к способам сетевого взаимодействия между беспроводным устройством и удаленным сервером приложения. Изобретение может быть использовано в распределенных сетях телеметрии, межмашинного взаимодействия, интернета вещей.
Уровень техники
Ragnoli M. et al. An Autonomous Low-Power LoRa-Based Flood-Monitoring System // Journal of Low Power Electronics and Applications. – 2020. – Т. 10. – №. 2. – С. 15.
Известен подход к оптимизации энергопотребления устройств LoRa, описанный в работе В этой работе описаны устройства LoRa, питание которых обеспечено посредством аккумулятора или солнечных панелей, при этом каждое устройство состоит из модуля датчика и модуля передатчика LoRa. При начальных условиях модуль датчика активен, а модуль передатчика введен в спящий режим. Модуль передатчика переходит в активный режим только при появлении определенного значения на модуле датчика. Таким образом достигается уменьшение сеансов связи, предполагающих отправку сетевых пакетов от передатчика на базовую станцию.
Bouguera T. et al. Energy consumption model for sensor nodes based on LoRa and LoRaWAN // Sensors. – 2018. – Т. 18. – №. 7. – С. 2104
Известна модель работы устройства LoRa, описанная в работе . В описанном подходе оценивают потребляемую мощность каждого датчика, затем создают полную энергетическую модель, учитывающую затраты датчиков на связь и сравнивают различные режимы LoRaWAN для этой модели, после чего осуществляется выбор режима работы устройства, при котором потребляется минимальное количество энергии, в зависимости от объема данных, которые требуется передать. Модель учитывает тип датчика, тип подключения (AC/DC), тип чипа LoRa, класс авторизации, фактор распространения (SF). Выходными данными являются тонкая настройка мощности передатчика, выбор фактора распространения и полосы пропускания.
Известно беспроводное устройство LoRa, раскрытое в патенте РФ на полезную модель № 187822 (дата приоритета 22.10.2018, МПК G01F 1/00). Известное устройство представляет собой датчик газа, на котором показания о расходе газа упаковывают в пакеты протокола LoRaWAN и отправляют их в модем LoRa, который встроен в датчик. Модем направляет пакеты на базовую станцию через радиочастотный канал связи. В ответ на принятый пакет базовая станция направляет пакет подтверждения приема на модем датчика. Модем работает в режиме передачи краткие промежутки времени, после которых открывается временное окно на прием данных, остальное время модем LoRa находится в спящем режиме. Однако способ работы этого датчика характеризуется недостаточной надежностью информационного обмена между датчиком и сервером приложения, ответственным за обработку данных телеметрии. Подтверждение приема сообщения базовой станцией не гарантирует успешной доставки этого сообщения на удаленный сервер. Потеря сообщения в сети между базовой станцией и сервером негативно влияет на процесс мониторинга показаний датчика. Датчик может вернуться в режим сниженного энергопотребления в случае получения подтверждения от базовой станции, но не от сервера приложения, на котором ведется учет его показаний.
Раскрытие сущности изобретение
Техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в обеспечении надежного сетевого взаимодействия между беспроводным устройством LoRa и сервером приложения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в снижении потребления энергии беспроводным устройством LoRa за счет сокращения времени приема-передачи.
Дополнительный технический результат – увеличение срока службы этого беспроводного устройства.
Изобретение раскрывает способ сетевого взаимодействия между по меньшей мере одним беспроводным устройством и удаленным сервером приложения, в котором сетевое взаимодействие между каждым беспроводным устройством и обслуживающей их базовой станцией реализовано на базе протокола LoRaWAN. В заявленном способе выводят по меньшей мере одно беспроводное устройство LoRa из режима сниженного энергопотребления, формируют на нем сетевой пакет и направляют его от этого устройства на граничный сервер, с которого в ответ каждому устройство направляют подтверждение приема, после получения которого на этом устройстве его возвращают в режим сниженного энергопотребления. Граничный сервер снабжен функциями сервера приложения, необходимыми для обработки полезной информации из полученного сетевого пакета и размещен ближе к базовой станции, обслуживающей беспроводные устройства, чем сервер приложения. Периодически с граничного сервера направляют обработанную информацию на сервер приложения.
Вывод устройств LoRa из режима сниженного энергопотребления может быть осуществлен в соответствии с предопределенным расписанием.
Обработанная информация, которую направляют от граничного сервера на сервер приложения, может быть представлена в агрегированном виде, учитывающим информацию от нескольких устройств одновременно.
Граничный сервер может быть реализован на базе технологии MEC.
Сервер приложения может быть представлен облачным сервером.
Под термином «MEC» понимается технология граничный вычислений Mobile EDGE Computing.
Под термином «LoRa» понимается сетевой протокол Long Range, являющийся протоколом физического уровня в модели ISO/OSI.
Под термином «LoRaWAN» понимается набор сетевых протоколов Long Range low-power wide-area network, являющихся протоколами высших уровней в модели ISO/OSI.
Термин «устройство LoRa» относится к произвольному устройству, поддерживающему протоколы LoRa/LoRaWAN.
Спецификации протоколов LoRa/LoRaWAN разрабатываются и поддерживаются организацией LoRa Alliance, Inc.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 схематически иллюстрирует вычислительную сеть, обеспечивающую взаимодействие между беспроводными устройствами и сервером приложения;
ФИГ.2 схематически иллюстрирует последовательность сетевого взаимодействия между беспроводным устройством, базовой станцией, граничным сервером и сервером приложения;
ФИГ.3 схематически иллюстрирует уровень силы тока на беспроводном устройстве при информационном обмене.
Описание варианта осуществления изобретения
В соответствии с ФИГ.1, вычислительная сеть объединяет беспроводные устройства 101 и обслуживающую их базовую станцию 102, которая выступает шлюзом для доступа к сети Интернет 103. Вблизи базовой станции расположен и подключен к ней граничный сервер 104. Посредством сети Интернет 103 базовая станция и граничный сервер 103 подключены к серверу приложения 105.
Беспроводное устройство LoRa 101 состоит непосредственно из устройства, которое выполняет произвольную функцию, модема, поддерживающего модуляцию/демодуляцию сообщений в соответствии с сетевыми протоколами LoRa/LoRaWAN, и радиочастотного приемопередатчика. Примером такого устройства может являться цифровой датчик, соответственно, полезная информация, передаваемая от этого устройства, представлена показаниями датчика. Установка датчиков обычно осуществляется в местах, где подведение к нему электропитания затруднительно. Поэтому датчик как правило снабжен автономным электропитанием от встроенной в него батареи. Срок службы датчика напрямую зависит от длительности его нахождения в режиме сниженного энергопотребления. Чем меньшим по длительности является его активный режим, в котором датчик открывает окно приема-передачи, тем дольше он прослужит без необходимости замены батареи.
Особенность протоколов LoRa/LoRaWAN состоит в высокой дальности поддерживаемого радиоканала между устройством 101 и базовой станцией 102, вплоть до нескольких километров при обслуживании одной базовой станцией, что позволяет снимать данные телеметрии на труднодоступных участках мониторинга. Однако увеличение расстояния, на котором устройства могут взаимодействовать с базовой станцией 102, влечет за собой снижение скорости передачи данных и стабильности сетевого соединения. Обычная скорость передачи данных для сети LoRaWAN составляет 300 бит/сек – 5,5 Кбит/сек, что является приемлемым диапазоном значений для сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия, в которых обмен данными характеризуется низкой интенсивностью. Источниками сообщений как правило выступают датчики, которым необходимо передать свои показания для их последующего учета, обработки. Большую часть времени датчики находятся в режиме сниженного энергопотребления, открывая окно информационного обмена только для отправки сообщения и получения подтверждения о его получении. Обмен происходит один или несколько раз в сутки. В результате технология обмена сообщениями на базе LoRaWAN становится менее энергетически затратной в сравнении с другими беспроводными технологиями связи, например, WiFi или LTE, которые могут обеспечить большую пропускную способность для канала связи, но работают на меньших расстояниях.
Базовая станция 102, обслуживающая устройства 101, работает в том же диапазоне частот, что и устройства 101. В случае применения нескольких базовых станций 102 для обслуживания большого количества устройств 101, в сети может быть предусмотрен сетевой сервер, управляющий работой базовых станций 102. Базовая станция 102 модулирует сетевые пакеты с заголовками протокола LoRaWAN в сетевые пакеты для передачи по каналам связи Ethernet или LTE, по которым такие пакеты направляют на граничный сервер 104.
Граничный сервер 104 снабжен функциями сервера приложения 105, которые необходимы для обработки полезной информации из полученных сетевых пакетов. Для этого сервер 104 может быть реализован посредством технологии контейнеризации, например, Docker, для виртуального воспроизведения сервисов сервера приложения 105, который является «облачным» сервером. Помимо этого, расстояние от базовой станции 102 до граничного сервера 104 меньше, чем до сервера приложения 105. Предпочтительно, граничный сервер 104 реализует концепцию «граничных вычислений», в рамках которой виртуализированные сервисы облачного сервера 105 размещают непосредственно вблизи потоков генерации данных, на границе инфраструктуры оператора связи.
В соответствии с ФИГ.2, сетевое взаимодействие осуществляют следующим образом.
Устройство 101 выводят из режима сниженного энергопотребления, формируют на нем сетевой пакет 201 и направляют 202 его на базовую станцию 102, выступающую шлюзом LoRaWAN. Базовая станция 102, обработав пакет 201 на физическом/канальном уровне, направляет 203 его на граничный сервер 104. Сервер 104 формирует подтверждение приема и направляет 204 его в ответ на базовую станцию 102, которая обрабатывает сетевой пакет и направляет 205 его на устройство 101. Устройство 101, получив подтверждение приема, возвращается в режим сниженного энергопотребления. Периодически с граничного сервера 104 направляют обработанную информацию на сервер приложения 105, таким образом синхронизируя информацию на каждом из них. Соответственно, решается задача сетевого взаимодействия между устройством 101 и сервером приложения 105, работающим в «облаке».
Информационный обмен, обеспеченный через граничный сервер 104, позволяет снизить значение для времени приема-передачи, затраченного на отправку сообщения от базовой станции 102 к адресату и получения подтверждения приема. Непосредственным адресатом сообщения в сети, проиллюстрированной ФИГ.1, является граничный сервер 104, а не сервер приложения 105. Обработка информации от устройства 101 осуществляется вблизи обслуживающей его базовой станции 102, без необходимости пересылки сообщения на сервер 105 через сеть WAN 103, что всегда увеличивает время приема-передачи. Соответственно, чем меньше значение времени приема-передачи, тем меньше устройство 101 проводит в ожидании подтверждения приема прежде, чем вернуться в режим сниженного энергопотребления.
ФИГ.3 схематически иллюстрирует значения силы тока на устройстве 101. Когда устройство 101 находится в режиме сниженного энергопотребления, то значение силы тока на нем является минимальным. Увеличение этого значения происходит при выполнении устройством 101 функции 301, например, измерений учетных показателей. После выполнения функции, устройство открывает временное окно 302 приема-передачи, направляет сетевой пакет и ожидает 303 получения подтверждения приема от адресата. После получения подтверждения устройство возвращается обратно в режим сниженного энергопотребления, значение силы тока на нем, соответственно, возвращается на минимальный уровень.
Отметим, что ожидание ответа от сервера приложения 105 занимает большее время, чем в случае с ожиданием ответа от граничного сервера 104. В этом случае задержка получения ответа обуславливается в большей степени обменом на участке канала связи между устройством 101 и базовой станцией 102, исключая необходимость обращения к серверу 105 через сеть WAN 103. Таким образом, при осуществлении изобретения удается сократить период активности устройства 101 и уменьшить его энергопотребление.