LPWAN желілерінің технологияларын салыстырмалы талдау

Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 47 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Нуржаубаев Акниет Алибиевич

LoRaWAN технологиясын оқып үйренуге арналған Заттар Интернеті курсына арналған оқу зертханалық стендін жасау

ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА

5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы

Нұр-Сұлтан 2020
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Қорғауға жіберілді
Радиотехника, электроника және
телекоммуникациялар
кафедрасының меңгерушісі
т.ғ.к., профессор
Бурамбаева Н.А. ________________
__ __________ 20___ ж.

ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА

Тақырыбы: LoRaWAN технологиясын оқып үйренуге арналған Заттар Интернеті курсына арналған оқу зертханалық стендін жасау

5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
мамандығы бойынша

Орындаған: Нуржаубаев А.А

Ғылыми жетекші: Сеилов Ш.Ж.
э.ғ.д., т.ғ.к., профессор

Нұр-Сұлтан 2020
Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті
Мамандығы 5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар кафедрасы

Бекітемін
Радиотехника, электроника және
телекоммуникациялар
кафедрасының меңгерушісі
т.ғ.к., профессор
Бурамбаева Н.А. _______________
2020 ж.

Диплом жобасын орындауға арналған
ТАПСЫРМА

5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығының күндізгі бөлімінің РЭТ-45 тобының 4 курс студенті Нуржаубаев А.А.

1 Диплом жобасының тақырыбы LoRaWAN технологиясын оқып үйренуге арналған Заттар Интернеті курсына арналған оқу зертханалық стендін жасау 2019 жылдың 27 қарашасында берілген № 1935-n ректордың бұйрығымен бекітілген.

2 Диплом жобаның тапсырмасына сәйкес:
Есеп берудің бірінші аралық кезеңі - 08.01.2020
Есеп берудің екінші аралық кезеңі - 20.03.2020
Есеп берудің үшінші аралық кезеңі - 13.05.2020
Алдын-ала қорғауға дипломдық жобаны әкелу мерзімі - 02.05.2020
Норма бақылау тексерісі - 04.05.2020
Дипломдық жобаның соңғы нұсқасын әкелу мерзімі - 22.05.2020
Дипломдық жобаны қорғау мерзімі - 28.05.2020
Аяқталған жобаны тапсыру мерзімі - 22.05.2020
3 Жұмысты орындаудағы бастапқы деректер:
oo Қазақстан Республикасының 2004 жылдың 5 шілдесінен № 567-II Байланыс туралы заңы;
oo Радиотолқындар, олардың жіктелуі және таралу ортасы;
oo Радиоарналардың параметрлері мен сипаттамалары;
oo Цифрлық радиобайланысты дамыту мен жетілдірудегі әлемдік үрдістерге шолу;
4 Диплом жобасын әзірлеудегі сұрақтар тізімі:
4.1 Жұмыстың мақсаты.
4.2 Жұмыстың өзектілігі
4.3 Қойылған тапсырмасы:
4.3.1 LPWAN желілерін ұйымдастырудың теориялық негіздері мен ерекшеліктерін қарастыру;
2.0.2 LoRaWAN қолданумен Заттар Интернеті стендінің архитектурасын жобалау;
3.0.3 LoRaWAN желісінің қауіпсіздік құралдарын зерттеу;
4.0.4 Заманауи сымсыз байланыс технологияларын салыстыру.

5 Графикалық материалдың тізімі (сызбалар, кестелер, диаграммалар және тағы басқалары):
5.1 Әлемде желіге қосылған құрылғылар саны;
5.2 NB-IoT технологиясының жалпы функционалдық архитектурасы;
5.3 IT-alem желілік тренажерының компоненттерін қосу схемасы;
5.4 LoRaWAN технологиясын қолдану арқылы Заттар Интернеті стендінің топологиясы.

6 Негізгі ұсынылатын әдебиеттер тізімі:
6.1 J. Schlienz and D. Raddino, "Narrowband internet of things whitepaper," IEEE Microwave Magazine, vol. 8, no. 1, pp. 76 - 82, 2016.
6.2 Petrie, C.: The Future of the Internet is Coordination. In: Proceedings of FES-2010: Future Enterprise Systems Workshop (2010).
6.3 LoRa Alliance. LoRaWAN R1.0. Open Standard Released for the IoT; LoRa Alliance: Fremont, CA, USA, 2015.
6.4 LoRa Alliance. LoRaWAN Regional Parameters v1.0; LoRa Alliance: Fremont, CA, USA, 2016.
6.5 LoRa Alliance. LoRaWAN Specifications v1.0; LoRa Alliance: Fremont, CA, USA, 2015.
6.6 Кучерявый А. Е., Кучерявый Е. А., Прокопьев А. В. Самоорганизующиеся сети. СПб.: Любавич. 2011. 312 с.
6.7 Kirichek R. The Model of Data Delivery from the Wireless Body Area Network to the Cloud Server with the Use of Unmanned Aerial Vehicles 30th European Conference on Modelling and Simulation Proceedings (ECMS). 2016. Pp. 603 - 606.
6.8 Centenaro, M., Vangelista, L., Zanella, A., Zorzi, M. Long-Range Communications in Unlicensed Bands: the Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios IEEE Wireless Communications. 2016. Vol. 23. Iss. 5. pp. 60 - 97.
6.9 Centenaro, M., Vangelista, L., Zanella, A., Zorzi, M. Long-Range Communications in Unlicensed Bands: the Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios IEEE Wireless Communications. 2016. Vol. 23. Iss. 5. pp. 60 - 97.
6.10 Алексеев Г., Бриденко И.И., Верболоз Е.И. Дмитриченко М.И. Основы разработки электронных учебных изданий. СПб: Лань, 2016. - 144с

7 Жоба бойынша тиісті бөлімдерді көрсетілген кеңестер (оларға қатысты жоба бөлімдерінің көрсетілуімен):
Нөмір, бөлімнің, бөлімшенің аты
Ғылыми жетекші, кеңесші
Тапсырманы алу уақыты
Тапсырма бердім
(қолы)
Тапсырма
алдым
(қолы)
Кіріспе
Сеилов Ш.Ж.
08.01.2020

Негізгі бөлім
Сеилов Ш.Ж.
08.01.2020

Практикалық бөлім
Сеилов Ш.Ж.
20.03.2020

Дипломдық жобаның техникалық - экономикалық негіздеме бөлімі
Сеилов Ш.Ж.
22.04.2020

Еңбекті қорғау бөлімі
Сеилов Ш.Ж.
24.04.2020

Қорытынды
Сеилов Ш.Ж.
27.04.2020

Қолданылған әдебиеттер тізімі
Сеилов Ш.Ж.
27.04.2020

Норма бақылау
Корғанбаева Л.Н.
04.05.2020

8 Дипломдық жұмысты орындау графигі

№Жұмыс кезеңдері
Жұмыс кезеңдерін орындау мерзімі
Ескерту
1
Дипломдық жобаның тақырыбын бекіту
27.11.2019

2
Дипломдық жобаны дайындау үшін мәліметтер жинау
21.11.2019 - 21.12.2019

3
Дипломдық жобаның теориялық бөлігін дайындау (1 Бөлім)
08.01.2020

4
Дипломдық жобаның аналитикалық бөлігін дайындау (2-3 Бөлім)
13.03.2020

5
Дипломдық жобаның толық мәтінінің қолжазбалық нұсқасын аяқтау
30.04.2020

6
Алдын-ала қорғауға жобаны әкелу
02.05.2020

7
Рецензияға дипломдық жобаны жіберу
04.05.2020

8
Ғылыми жетекшінің пікірі мен рецензиясы бар жобаның соңғы нұсқасын әкелу
22.05.2020

9
Дипломдық жобаны қорғау
28.05.2020

Тапсырманың берілген уақыты 29 қараша 2019 жыл

Ғылыми жетекшісі: ____________ Сеилов Ш.Ж.
э.ғ.д., т.ғ.к., профессор (қолы)

Тапсырманы орындаған
РЭТ-45 тобының студенті ____________ Нуржаубаев А.А. (қолы)

АҢДАТПА

Дипломдық жоба Internet of Things курсына LoRaWAN технологиясын зерделеу үшін оқу зертханалық стендін жасауға арналған. Стенд барлық білім беру ұйымдарына LoRaWAN желілерін қолдана отырып, IoT экожүйесін құруда практикалық дағдыларды алуға арналған.
Жоба Internet of Things базасындағы жобаларды іске асыру үшін сымсыз технологияларды пайдалануға салыстырмалы талдау нәтижелерін және LoRaWAN құрылғыларын қосу және конфигурациялау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар мен зертханалық жұмыстардың мысалдарын ұсынады. Сондай-ақ жобаны іске асыруға жұмсалған капиталдық шығындар есептелді.

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект посвящен разработке учебно-лабораторного стенда для изучения технологии LoRaWAN к курсу Интернет Вещей. Стенд предназначен всем образовательным организациям для получения практических навыков в построении экосистемы IoT с использованием LoRaWAN сетей.
В проекте приведены результаты сравнительного анализа использования беспроводных технологий для реализации проектов на базе Интернет Вещей и примеры методических указании и лабораторных работ по подключению и настройке LoRaWAN устройств. Также рассчитаны капитальные затраты для реализации проекта.

ABSTRACT

This thesis is dedicated to the development of an educational laboratory stand for studying LoRaWAN technology for the course "Internet of Things". The stand is intended for all educational organizations to gain practical skills in building the IoT ecosystem using LoRaWAN networks.

The project presents the results of a comparative analysis of the use of wireless technologies for the implementation of projects based on the Internet of Things and examples of guidelines and laboratory work on connecting and configuring LoRaWAN devices. Also calculated capital costs for the implementation of the project.
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР

1 СМК Дипломдық жұмыс туралы ережелер П ЕНУ 33-18 - 2018.
2 05.07.2004 жылдан бастап Қазақстан Республикасының №567-2 байланыс туралы заңы.
3 ҚР СТ 1953-2010 Қазақстан Республикасы телекоммуникация ортақ желісі. Терминдер мен түсініктер.
4 Қазақстан Республикасының кейбір заңнамалық актілеріне ақпарат және байланыс мәселелері бойынша өзгерістер мен толықтырулар енгізу туралы 2017 жылғы 28 желтоқсандағы № 128-VI ) ҚР заңы
5 МСТ 7.1-84. Ақпараттық, кітапханалық және баспалар бойынша стандарттар жүйесі. Құжаттың кітапханалық жазбасы. Қолданылған әдебиеттер тізімін жазудың жалпы талаптары мен ережелері. М.: Стандарттар, 1984.
6 ҚР СТ 1.48-2005 Қазақстан Республикасының техникалық реттеудің мемлекеттік жүйесі. Стандарттарға өзгерістер енгізу тәртібі

АББРЕВИАТУРАЛАР

ABP
Activation By Personalization
ADR
Adaptive Data Rate
AES
Advanced Encryption Standard
AMF
Access and Mobility Management Function
API
Application session key
AppSKey
Application session key
AUSF
Authentication Server Function
DL
DownLink
GPRS
General Packet Radio Service
GTP
GPRS Tunneling Protocol
IoT
Internet of Things
IP
Internet Protocol
IPsec
IP Security
ISM
Industrial, Scientific, Medical
LoRaWAN
Long Range Wide Area Network
LPWAN
Low-power Wide Area Network
LTE
Long-Term Evolution
NB IoT
NarrowBand IoT
NwkSKey
Network Session Key
OTAA
Over The Air Activation
PGW
Packet Data Network Gateway
QoS
Quality of Service
RAN
Radio Access Network
RFID
Radio Frequency Identification
SCEF
Service Capability Exposure Function
SF
Spreading Factor
SGW
Serving Gateway
SMF
Session Management Function
TLS
Transport Layer Security
UDM
Unified Data Management
UE
User Equipment
UL
UpLink
UPF
User Plane Function
ХЭБО
Халықаралық электр байланыс одағы

Мазмұны

Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
11
1
Заттар Интернеті технологиясын іске асыру үшін сымсыз технологияларды пайдалануды талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

14
1.1
LPWAN желілерінің технологияларын шолу және салыстырмалы түрде талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
14
1.2
5G NB-IoT технологиясының тұжырымдамасы ... ... ... ... ... ... ...
17
1.3
LoRaWAN технологиясының тұжырымдамасы ... ... ... ... ... .. ... ..
19
1.4
LoRaWAN стандартты қауіпсіздік құралдары
26
2
LoRaWAN технологиясын зерттеу үшін зертханалық стенд әзірлеу
29
2.1
Зертханалық жұмыстарды орындау үшін оқу-әдістемелік нұсқауларды әзірлеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

29
2.2
Заттар Интернеті технологиясына арналған құрылғыларды қосу және күйге келтіру бойынша зертханалық жұмысты әзірлеу ... ... ...

37
3

Оқу-зертханалық стенд жобасының техникалық-экономикалық негіздемесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

49

Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
52

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53

Қосымша ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
55

КІРІСПЕ

Дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігі. Цифрлық Қазақстан мемлекеттік бағдарламасының негізгі мақсаттары еліміздің экономикасының даму қарқынын жеделдету және халықтың өмір сүру сапасын жақсарту, сондай - ақ экономиканың принципті жаңа траекторияға-болашақтың цифрлық экономикасына көшуі үшін жағдай жасау болып табылады.
Цифрлық экономиканы құру сымды және сымсыз байланыстың қазіргі заманғы стандарттарын, Заттар Интернеті тұжырымдамасын, өнеркәсіптік интернет технологиясын пайдалануды, кәсіпорындарға цифрлық технологияларды енгізуді көздейді.
Цифрлық технологияларды енгізу бойынша алғашқы қадамдардың бірі көптеген ұқсас объектілерден деректерді агрегациялау және визуализациялау мүмкіндігімен нақты уақыт режимінде бақыланып отырған объектіден деректерді жинау болып табылады. Алынған деректерді талдауға сүйене отырып, адам немесе автоматтандырылған жүйе бақылаудағы объектінің жұмысына араласуына немесе араласпауына байланысты қандай да бір шешім қабылдайды.
Мұндай жүйелерді құру үшін датчиктер, байланыс жүйелері және ақпаратты жинау және талдау жүйесі, сондай-ақ жобалау бойынша конструкторлық жұмыс, өрістету және пайдалану бойынша монтаждау жұмыстары қажет. Мұндай жұмыстарды кәсіпорындарда орындау білікті кадрлардың болуын талап етеді. Мамандардың шектеулі саны экономиканы жүзеге асыру қарқынын тежейді. Сонымен қатар, азаматтардың жаңа өзгерген цифрлық ортада жұмыс істеу және жұмыстан тыс уақыт кезінде де олардан енгізілетін технологиялардың ерекшеліктерін дайындауды және түсінуді талап етеді.
Сондықтан цифрлық экономиканы құруда білім беру жүйесін болашақ мамандардың да, қарапайым азаматтардың да енгізілетін технологиялар элементтерімен зертханалық жұмыстар курстарымен қамтамасыз ету маңызды рөл атқарады.
Дипломдық жобаны әзірлеудің мақсаты IoT технологиясы негізінде жобаларды іске асыру үшін сымсыз технологияларды пайдалануға салыстырмалы талдау жүргізу, LoRaWAN технологиясын зерттеу үшін Заттар Интернеті курсына зертханалық стенд жасау және дайындау болып табылады.
Дипломдық жобаның мақсатын негізге ала отырып, жүргізілген зерттеулер кешенін нақтылауға мүмкіндік беретін қосалқы міндеттер құрылды:
oo заманауи сымсыз байланыс технологияларына талдау;
oo LPWAN желілерінің технологияларын салыстырмалы талдау;
oo LoRaWAN желісінің қауіпсіздік құралдарын зерттеу;
oo оқу-зертханалық стендті әзірлеу үшін жабдықты таңдау негіздемесі;
oo LoRaWAN желісінің архитектурасын модельдеу;
oo LoRaWAN желілерінің тиімділігін және бағалауын жүргізу;
oo жобаның техникалық-экономикалық негіздемесі.
Дипломдық жобаның зерттеу нысаны. M2M, IoT технологиясы үшін деректермен алмасу үшін тамаша орта болып табылатын, сонымен қатар ақылды қала жобасын іске асыруға, деректерді қашықтықтан жинау бойынша барлық міндеттерді шешуге көмектесетін Заттар Интернеті үшін жоғары қашықтықты технология болып табылады.
Дипломдық жобаның практикалық маңыздылығы. LoRAWAN технологиясын зерттеу үшін кәсіпорынның сымсыз датчиктерінен деректерді жинау бойынша зертханалық стенд жасау және жасау жобасы қолданылатын IoT технологиялары туралы түсінік беру үшін қарапайым көрнекі шешім жасауды болжайды. Жобаның маңызды факторы - IoT экожүйесін құру кезінде пайдаланылатын өнеркәсіптік шешімдерді зертханалық стендіне қосу мүмкіндігі болып табылады.
Дипломдық жұмыстың теориялық негізі. Дипломдық жұмыстың теориялық негізін ғалымдардың, ресейлік және шетелдік профессорлардың зерттеулері құрайды, мұнда сымсыз байланыс технологиясының негізгі ерекшеліктері зерттелген, сипаттамаларға талдау жүргізу, сымсыз желілердің артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттелген: Кучерявый А. Е., Кучерявый Е. А., Прокопьев А. В. [2], Киричек Р. В., Парамонов А. И [3].,. шетелдік авторлардың арасында, М., Vangelista, L., Zanella, А.,Zorzi, M [8]., Guibene W., Kelly M. Y.[9] және т. б.
Дипломдық жұмыстың әдіснамалық негізі. Дипломдық жұмыстың әдіснамалық негіздерін радиотехникалық жүйелер мен бұйымдарды жобалаудың қазақстандық (СКТБ Гранит ЖШС) және шетелдік әзірлеушілер ретінде ғылыми концепциялар, әдістері мен процедуралары құрайды.
Дипломдық зерттеулерді жүргізу кезінде отандық Заттар Интернеті технологиясын жасау бойынша В. Н. Васильев пен шетелдік ғалымдар Г. Алексеев, И. И. Бриденко, Е. И. Верболоз М. И. Дмитриченко, Dashamir h., С. Л. Макаров және т. б. ғылыми зерттеулердің нәтижелері пайдаланылды.
Бұл авторлардың жұмыстарында сымсыз технологиялар жүйесі кеңінен қолданылады және IoT технологияларын енгізу кезінде оларды қорғауды қамтамасыз етудің маңыздылығы атап өтіледі.
Дипломдық жұмыс орындалуының практикалық базасы Қазақ инфокоммуникация академиясы АҚ, CISCO желілік академиясы, СКТБ Гранит ЖШС және Астел АҚ болып табылады.
Дипломдық жұмыстың құрылымы. Жұмыс кіріспе, 3 тарау, қорытынды, пайдаланылған әдебиеттер тізімі, аббревиатурадан тұрады. Жалпы, дипломдық жұмыс мәтіннің 56 беттерін құрайды, кіріспе - 3 бет, негізгі бөлім - 37, қорытынды - 1, қолданылған әдебиеттер тізімі - 2, қосымша - 2 бет, 9 кесте, 38 сурет.
Кіріспе - дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігін, практикалық маңыздылығын негіздеу, LoRaWAN технологиясын Заттар Интернеті курсына енгізу үшін оқу-зертханалық стендті әзірлеудің шешілетін ғылыми-практикалық есебінің қазіргі жағдайын бағалау, сондай-ақ оны білім беру үдерісіне енгізу. Дипломдық зерттеудің мақсаты, міндеттері және объектісі анықталды, дипломдық жобаның құрастырылатын конструкторлық есептерге зерттеу жүргізудің теориялық және әдістемелік негізі, тәжірибелік базасы сипатталған.
Бірінші тарау - Заттар Интернеті технологиясын іске асыру үшін сымсыз технологияларды пайдалануды талдау нәтижелері туралы ақпарат келтірілген. LAN желілерінің технологияларына шолу және салыстырмалы талдау жүргізілді және 5G NB-IoT және LoRaWAN технологиясының толық сипаттамасы ұсынылды.
Екінші тарау - әзірленген әдістемелік нұсқаулардың нәтижелері және LoRaWAN құрылғыларын қосу және баптау бойынша зертханалық жұмыстарға арналған.
Үшінші тарау - жобаның техникалық-экономикалық негіздемесінің нәтижелері және жобаны әзірлеу үшін қажетті шығындар туралы ақпарат ұсынылған. Сонымен қатар, бұл тарауда LoRaWAN SWOT-талдауының және әзірленетін жоба жабдықтарының құнын есептеудің нәтижелері келтірілген.
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі дипломдық жобаның тақырыбы бойынша пайдаланылған ғылыми мақалалар, оқулықтар, электрондық ресурстар тізімін көрсетеді. Оған сондай-ақ, 2015 жылдан бастап 2019 жылдың қыркүйегіне дейін жарияланған, LoRa және LoRaWAN пайдалану технологиялық аспектілеріне қатысты Заттар Интернеті технологиясын зерттеумен айналысатын корпорациялардың ең өзекті құжаттары енгізілген.
Қосымша А - LoRaWAN параметрлері қойындысының тармақтарын сипаттайтын кесте.

1 ЗАТТАР ИНТЕРНЕТІ ТЕХНОЛОГИЯСЫН ІСКЕ АСЫРУ ҮШІН СЫМСЫЗ ТЕХНОЛОГИЯЛАРДЫ ПАЙДАЛАНУДЫ ТАЛДАУ

1.1 LPWAN желілерінің технологияларын шолу және салыстырмалы түрде талдау

Жаңа инфокоммуникациялық технологияларда Заттар Интернеті технологиясының талабы болып табылатын үздіксіз байланысты қамтамасыз ету мәселесі қарастырылған. IoT технологиясында пайдаланылатын байланыс технологиялары энергия тұтынуының төмендігі, пайдаланылатын өткізу қабілетінің төмендігі, есептеу қуатының төмендігі, ортадағы құрылғылармен үздіксіз байланысы сияқты қабілеттерге ие, өйткені IoT тұжырымдамасы кез келген жерде, кез келген желіге және кез келген қызметке арналған [1].
Заттар Интернеті - датчиктер мен құрылғылардың Интернетке қосылуын қамтамасыз ететін маңызды жаңа тұжырымдамалардың бірі. IoT технологиясын тұрмыстық техникаға, көлік құралдарына және қоршаған ортаға қолдану басқа объектілерді қабылдауға қабілетті және адамдардың араласуынсыз немесе қатысуынсыз бір-бірімен қарым-қатынас жасауға және өзара іс-қимыл жасауға қабілетті зияткерлік нысандардың болуын талап етеді. IoT кез келген ресурстарды тұтынуды азайтуға және қосылған жүйелердің тиімділігін арттыруға мүмкіндік беретін деректердің үлкен көлемін өңдейді деп болжанады [3].
Machine Research мәліметтеріне сәйкес әлемде желіге қосылған құрылғылардың саны 2016 жылғы 7 миллиардтан 2023 жылға қарай 25 миллиардқа дейін артады [2].

Сурет 1 - Әлемде желіге қосылған құрылғылар саны, млрд., 2013-2023 (Machina Research, Мамыр 2015)

Заттар Интернеті термині алғаш рет Кевин Эштон 1991 жылы енгізілді. Технологиялардың жылдам дамуы мен идеяларының алға жылжуына қарай терминді анықтау да дамып келеді. IoT технологиясының екі көзқарасы бар: нәрсеге бағытталған көрініс және интернет-бағытталған көрініс. Бірінші көрініс - Auto-ID Lab бөлігі болу үшін қарапайым нәрсе ретінде RFID технологиясын қамтиды, екінші көрініс - семантикалық паутинаның жетекші негізгі технологиясы ретінде желіге негізделген. Жоғарыда келтірілген анықтамалар ХЭБО-ның IoT технологиясына анықтаған көзқарасына дәл келеді: кез келген жерден, кез келген уақытта және кез келген адам үшін, бізде енді кез келген қосылыстар үшін мүмкіндік болады [4 бет].
Біз құрылғылардың ішкі немесе сыртқы қарым-қатынасының ешқандай айырмашылығын сезінбеуіміз керек. Желі шексіз диапазонды, нөлдік кідірісті және шексіз өткізу қабілеті болуы тиіс. Екінші жағынан, ол экономикалық тиімді және энергия тұтынуның төмен қолданысы болуы тиіс. Сондай-ақ, құпиялылықты қорғауды қамтамасыз ету керек. IoT технологиясында инфокоммуникациялық технологиялар үшін талқыланатын талаптардың кейбірі [5]:
oo Тұтынылатын қуат. Өткізу қабілеттілігі төмен және алыс қашықтықты қамтамасыз ету үшін төмен қуатты тұтыну құрылғылары қажет.
oo Өткізу қабілеті. Өткізу қабілеттілігі жоғарылығының қажеттілігі батареяның тұрақты қуатын және жақсы жабын аймағын білдіреді.
oo Құрылғылар саны. Егер желіде көптеген құрылғылар пайдаланылса, олар көп ресурстарды тұтынады және есептеу өнімділігіне әсер етеді.
oo Апаттық ауысу мүмкіндігі. Желі істен шыққан жағдайда сақтық көшірме жасау үшін тез шешім қажет.
oo Қауіпсіздік және құпиялылық. Кез келген деректердің құпиялылығын бұзу үшін қауіпсіздікті қамтамасыз ету және рұқсатсыз қолжетімділіктің болмауы қажет.
2-суретте қазіргі бар сымсыз байланыс технологиясының радиосигнал қабылдағышының сезімталдығын салыстыру келтірілген.

Сурет 2 - Радиосигнал қабылдағышының сезімталдығын салыстыру [6, 31 бет]

Сондықтан IoT негізгі өсуі қолданыстағы ұялы желілерді жетілдірумен және 5G NB IOT және LoRaWAN сияқты LPWAN желілерінің жаппай таралуымен байланысты болады [8].

Сурет 3 - Сымсыз құрылғылар арасында технологияларды тарату [6, 37 бет]

LPWAN желісін ұйымдастыру үшін бірнеше заманауи технологиялар бар. LoRaWAN және 5G NB IoT-бұл IoT қосымшалар мен сервистерді жүзеге асыру үшін ең танымал LPWAN тобының өкілдері [7]. Төменде IoT талаптарының көпшілігін қанағаттандыратын жоғарыда аталған технологиялар тұжырымдамасының сипаттамасы келтірілген.

1.2 5G NB-IoT технологиясының тұжырымдамасы

Internet of Things қосымшалары 5G мобильді желілерінде пайдаланудың негізгі нұсқасы ретінде кеңінен қарастырылады және оларға 2024 жылы 5G-ге жаһандық (41 миллион) қосылымдардың төрттен бір бөлігі келеді [13, 2 бет].
Желі виртуализациясын пайдаланатын технологиялардың өсіп келе жатқан саны әдетте 5G қолдайтын трафик қызметтерін қолдау үшін бірнеше тасымалдаушылармен инкапсуляцияланады және инкапсуляцияланған трафикті тиімді басқару міндетін қояды. LTE және 5G сияқты, NB-IoT трафигі интеллектуалды нысандардың ұтқырлығын қамтамасыз ету үшін қажет болуы мүмкін, ол басқа инкапсуляцияның деңгейімен, мысалы, туннелдеу хаттамасы (GTP) және жалпы пакеттік радиобайланыс (GPRS) арқылы жұмыс істейді [14].
3GPP 13-шығарылымда машиналық типті трафик үшін оңтайландырылған тар жолақты Заттар Интернеті (NB-IoT) деп аталатын ұялы радиоқатынаудың жаңа интерфейсін анықтады. Спецификация IoT сценарийлері үшін өте маңызды, сондай-ақ осы экожүйелерде бар радиобайланыс жағдайындағы қиындықтарды ескере отырып, энергия тұтынуды азайту үшін мүмкіндігінше қарапайым болуға тырысады. NB-IoT LTE спецификациясымен тығыз байланысты. Шынында да, ол LTE стандартына біріктірілді, демек, ол 5G қолдауымен виртуализацияланған және көп пайдаланушы архитектуралармен біріктірілуі мүмкін [15].
NB-IoT спецификациясы радиобайланыс шығындарын азайтады және IP және IP емес деректерді жеткізуге қабілетті. 4-суретте көрсетілгендей, NB-IoT ұялы Заттар Интернеті үшін (CIoT) дәстүрлі LTE желісінде екі жаңа оңтайландыруды енгізеді, атап айтқанда: пайдаланушының CIOT жазықтығы (суреттегі үздіксіз сызықтар) және CIoT басқару жазықтығы ( суреттегі нүктелік сызықтар). Басқару жазықтығы жаңа IoT-арнайы қызмет мүмкіндіктерін (SCEF) басқару жазықтығы арқылы IP-деректерді жеткізу үшін қосады және аутентификация, кіруді бақылау немесе анықтау сияқты желілік қызметтерге арналған дерексіз интерфейсті ұсынады. Бұл процеске рұқсат беру үшін қазіргі дәстүрлі LTE - де бар объектің тұтастығын басқару үшін IP емес IoT трафигін жіберуге мүмкіндік беретін T6a жаңа интерфейсі кеңейтілді. CIoT пайдаланушы жазықтығы дәстүрлі LTE сияқты, қызмет көрсететін шлюз (SGW) және PDN (PGW) шлюзі арқылы деректер трафигін жіберуге мүмкіндік береді [16].

Сурет 4 - NB-IoT жалпы функционалдық архитектурасы [17, 7 бет].

5-суретте ұсынылған 5G архитектурасының жаңа сипатына байланысты жақшада жаңа 5G архитектуралық компоненттер мен қолданыстағы LTE компоненттерінің арасындағы өзара байланыс көрсетілген. Ол NB-IoT, 5G RAN, 5G архитектуралары және оларды біріктірудің табиғи стандарттау тәсілі бойынша барлық ағымдағы күш-жігерді талдау негізінде бейімделген [4, 8 бет].

Сурет 5 - 3GPP шығарылымдарында 5G NB-IoT функционалды архитектурасы [17, 8 бет].

5G инфрақұрылымның талап етілетін функционалдығы бойынша функционалдық бөлуді және күрделі және пайдалану шығындарын азайту үшін мамандандырылған жабдықты емес, коммерциялық компьютерлерді пайдалануды ұсынады. Болжанатын архитектура мынадай сәулеттік компоненттерден тұрады [18]:
oo Бөлінген блок (DU) және орталықтандырылған блок (СU) радиоқатынау желісінің (RAN) архитектура компоненттері болып табылады және олар өзара ұқсастығын тұрғысынан функционалдық мүмкіндіктерін қолданыстағы RRH LTE және модуль базалық жолақтар (BBU) тиісінше. 5G RAN әйнегінде қабаттардың динамикалық бөлінуіне ықпал ететін RAN функционалдық бөлінуін ұсынады. Ол екі DU және CU архитектуралық компонентінде хаттамаларын стегін өрістету талаптарына және қарастырылған пайдалану нұсқасына сәйкес өрістету арқылы қол жеткізіледі. CIoT NB-IoT ерекшеліктерінің радио қол жетімділігі интерфейсін қолдайтынын айта кету керек;
oo Қол жеткізу және ұтқырлық функциясы (AMF) аутентификацияны, авторландыруды және пайдаланушы жабдығының (UE) қозғалғыштығын пайдаланады;
oo Сеанстарды басқару функциясы (SMF) сеанстарды басқару үшін жауап береді және UE үшін IP адрестерін бөледі. Ол сондай-ақ деректерді жіберу үшін пайдаланушының (UPF) жазықтығын бағыттау функциясын таңдау және теңшеу үшін жауап береді;
oo Аутентификация сервері (AUSF) :: UE аутентификациясы үшін деректерді сақтайды;
oo Пайдаланушы деректерін басқару (UDM) UE-нің жазылым деректерін сақтайды;
oo Пайдаланушы жазықтығын қайта бағыттау (UPF) - UE ұтқырлығы үшін мобильділіктің байланыстырылуы және UE трафигін кері және алға Интернетке жіберу үшін жауап береді;
oo Қызмет мүмкіндіктерін анықтау (SCEF) функциясы IP деректерін басқару жазықтығы арқылы жеткізбейді және аутентификация, кіруді бақылау немесе анықтау сияқты желілік қызметтерге арналған дерексіз интерфейсті қамтамасыз етеді.
5G архитектурасының басқа негізгі аспектісі бірнеше жалға алушылардың бірлесіп пайдаланатын ресурстарын қауіпсіз пайдалану болып табылады, бұл күрделі және пайдалану шығындарын азайтуға мүмкіндік береді. Алайда, желідегі әртүрлі байланыс операторлары үшін бірнеше жалға алушылардың мұндай ұтқырлығы мен қолдауы желілік трафикті сүзуге жаңа талаптар қояды және бұл осы салымның негізгі уәждемесі болып табылады [19].

1.3 LoRaWAN технологиясының тұжырымдамасы

LoRa физикалық деңгейінде радиотолқындарды модуляциялау технологиясы 2010 жылы Semtech компаниясы сатып алған Cycleo Француз стартапымен әзірленген болатын. Semtech компаниясы осы модуляция технологиясы стандарт ретінде бекітіліп, MAC-деңгей хаттамасымен толықтырылды, бұл LoRaWAN (LoRa of Wide Area Network) протоколын - ақпараттық желілерді құру үшін LoRa технологиясын пайдалануға мүмкіндік берді [20].
LoRaWAN спецификациясының қолдауын LoRa Alliance жүзеге асырады. LoRaWAN протоколы шифрлеу және қорғау, деректермен алмасудың адаптивті жылдамдығы, ұсынылатын қызметтің сапасын бақылауды қолдау (QoS) және басқа да бірқатар негізгі ерекшеліктерге ие [21, 17 бет].

Сурет 6 - LoRaWAN желісін құрудың принциптік схемасы [21, 18 бет]

LoRaWAN желісінің NB-IoT - дан негізгі айырмашылықтары [22]:
oo NB-IoT - мен салыстырғандағы LoRa құрылғыларында төмен энергия тұтынуы бар, өйткені LoRa технологиясы-асинхронды;
oo Lora модулінің төмен құны;
oo 868 МГц лицензиясыз диапазонындағы жұмысы: желіні кез келген ұйымдарды іске қоса алады.
LoRaWAN желілері, әдетте, базалық станциялар деректерді соңғы құрылғылардан желі ядросына дейін беретін жұлдыз топологиясына негізделеді. Барлық базалық станциялар стандартты IP қосылымдары арқылы желі ядросына қосылады, ал соңғы құрылғылар бір немесе бірнеше базалық станциялармен тікелей LoRa қосылымдарын пайдаланады[21, 15 бет] .
LTE желілерінің ерекшеліктеріне байланысты соңғы құрылғылардан желілік серверге бір бағыттағы хабарлар басым болады. Жұлдыз типті топологиясы желі жабынының ауданы, антенналар саны мен құрылғының батареядан жұмыс істеу мерзімі арасындағы ең жақсы қатынасты береді. Желінің типтік топологиясы 7-суретте келтірілген.

Сурет 7 - Желілердің типтік топологиясы [22, 7 бет]

Соңғы құрылғылар мен желінің базалық станциялары арасында деректермен алмасу әртүрлі жиілік арналарын және деректерді беру жылдамдығын пайдалануға негізделеді. Деректер берудің ең оңтайлы жылдамдығын таңдау желінің базалық станциясына дейінгі қашықтыққа және жіберілетін хабар өлшеміне байланысты болады [22, 15 бет].
Әр түрлі сигнал коды бар, яғни деректерді беру жылдамдығы интерференцияға әкелмейді. LoRaWAN 125 кГц жиіліктік спектр жолағын пайдалану кезінде 300 битс бастап 5 кбитс дейінгі жылдамдықпен деректерді беруді қолдайды. Құрылғының автономды қуат көзінен жұмыс істеу мерзімін ұлғайту және жүйенің сыйымдылығын арттыру үшін LoRaWAN желісінің инфрақұрылымы деректермен алмасу жылдамдығын жеке басқару және әрбір соңғы құрылғы үшін радиоарнаны конфигурациялау үшін деректерді беру жылдамдығын (ADR) таңдаудың бейімделген схемасын қолданады [22, 17 бет].
Әрбір соңғы құрылғы кез келген қол жетімді арнада деректерді кез келген уақытта кез келген деректер беру жылдамдығын таңдау схемасын пайдалана отырып, шарттар орындалғанға дейін жібере алады [22, 20 бет]:
oo Соңғы құрылғы әрбір деректер беру әрекеті үшін байланыс арнасын таңдаудың псевдослучайный алгоритмін пайдаланады. Бұл желіде интерференция тәуекелдерін төмендетуге мүмкіндік береді.
oo Соңғы құрылғы байланыс арнасын пайдалану циклі бойынша барынша шектеуді сақтайды. Бұл ISM 868 МГц диапазонында реттеуші органның талабына сәйкес келеді.
LoRa желісіндегі соңғы құрылғылардың жұмысы 8-суретте көрсетілген.

Сурет 8 - Деректермен алмасу шарттарының жіберу қашықтығы мен жылдамдығына әсері [23, 10 бет]

Деректермен алмасу жылдамдығын бейімдеу процедурасы сұрау салынған жылдамдыққа деректерді беру торабын дайындау кезінде желімен қолданылады. 1-ші кестеде келтірілген. LoRaWAN желісі деректерді беру уақытын және құрылғының қуат тұтынуын азайту үшін жылдамдықты оңтайландырады. Осының арқасында LPWAN отбасының басқа технологияларымен салыстырғанда құрылғының энергия тұтынуын айтарлықтай төмендетуге қол жеткізуге болады [23, 17 бет].

Кесте 1 - Спрэд-фактордың LoRaWAN желісінде деректерді беру жылдамдығы мен қашықтығының арақатынасы [23, 20 бет]

----------------------------------- ----------------------------------- ----------
125 кГЦ кезіндегі спрэд-фактор (SF)
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
Деректермен алмасу жылдамдығы (Bitrate), битс
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
Байланыс қашықтығы, км
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
10 байт жіберу уақыты (app payload), мс
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
SF7
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
5470
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
2
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
56
SF8
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
3125
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
4
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
100
SF9
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
1760
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
6
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
200
SF10
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
980
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
8
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
370
SF11
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
440
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
11
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
740
SF12
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
290
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
15
----------------------------------- ----------------------------------- ----------
1400

Деректер алмасу үшін бүкіл әлемде лицензияланбайтын (ISM) жиілік диапазондары беріледі. LoRaWAN желілері 868 МГц жиіліктерінің лицензиясыз ауқымын пайдаланады [9, 21 бет].
LoRaWAN желілік деңгейлері 9 суретте көрсетілген.

Сурет 9 - LoRaWAN желілік деңгейлері [23, 7 бет]

LoRa желілерінде үш түрлі класты құрылғылар (А, В, С) қолданылады. Әр сынып әртүрлі есептерді шешуге арналған. А, В және С сыныптары арасындағы негізгі айырмашылықтар деректер беру мен энергия тұтыну арасындағы аралықтардың ең жақсы арақатынасын пайдалану болып табылады. LoRaWAN желілеріндегі құрылғылардың кластары 2-кестеде келтірілген.

Кесте 2- LoRaWAN желілеріндегі құрылғылардың кластары [24, 10 бет]

А класы
Батареядан жұмыс істейтін датчиктер немесе ақпаратты кідірту шектеулері жоқ құрылғылар;
Ең энерготиімді класс;
Екі жақты коммуникация;
Unicast хабарламасы;
Байланыс сеансы соңғы құрылғымен іске асырылады;
Сервер алдын ала анықталған қабылдау терезесі кезінде ақпаратты соңғы құрылғыға жібереді;
Әрбір LoRaWAN құрылғы осы класста жұмыс жасай алады.
В класы
Батареядан жұмыс істейтін датчиктер;
Берілген уақыт кідірісі бар ақпаратты беруге арналған энергия үнемдейтін коммуникациялық класс;
Жоспарланған қабылдау терезелерімен екі бағытты байланыс
Қабылдау терезесі өседі;
Unicast және Multicast хабарламалары;
Шлюзі мезгіл деп хабарлайды сигнал-маячок синхрондау үшін эфирге шығу;
Байланыс сеансын сервермен бастайды.
С класы
Желіден тұрақты қоректенетін құрылғылар;
Құрылғылар эфирді үнемі тыңдайды;
Байланыс желісінде ақпарат беру кідірісі жоқ.

А класы (LoRaWAN 1.0 сипатталған)

10-суретте 12 спрэд-факторы бар LoRaWAN желісін пайдалану келтірілген. Көрсетілген мәндерді желі арқылы өзгертілуі мүмкін.

Сурет 10 - А класс профилінің стандартты конфигурациясы [24, 15 бет]

А класындағы құрылғылар соңғы құрылғыдан (датчиктен) деректерді жібергеннен кейін деректерді қабылдау үшін екі қысқа терезе қажет болатын екі бағытты деректер тасымалын қолдайды. Деректерді жіберу уақыты соңғы құрылғымен кездейсоқ негізде аздаған вариациялармен деректерді жіберу қажеттілігіне байланысты беріледі. А класы соңғы құрылғыларға хабарларды соңғы құрылғыларға жібергеннен кейін ғана серверден деректерді жеткілікті түрде алатын шешімдер үшін ең төмен энергия тұтынуды болжайды. Соңғы құрылғыдан басқа кез келген уақытта серверден деректерді жіберу мүмкін емес. А класын құрылғылардың басым бөлігі пайдаланады және LoRa-дағы ең энерготиімді режим болып табылады.

В класы

11-суретте 12 спрэд-факторы бар LoRaWAN желісін пайдалану келтірілген. Көрсетілген мәндерді желі өзгертуі мүмкін.

Сурет 11 - В класы профилінің стандартты конфигурациясы [24, 17 бет]

В класын соңғы құрылғыларға серверден құрылғыға деректерді тасымалдаудың төмен кідіруін қамтамасыз ету, сонымен бірге энергия тұтынуды ең аз деңгейде сақтау қажет болған жағдайда қолданған жөн.
В класты құрылғысы деректерді қабылдау терезелерін ашады және берілген уақыт аралығында радиоэфирді тыңдайды.
Сондай-ақ, В класы соңғы құрылғы үшін синхрондау терезелерін пайдалануды қолдайды. В класын пайдаланудың басты шарттарының бірі желінің барлық құрылғыларымен уақытты барынша дәл синхрондау болып табылады. Бұл соңғы құрылғыларға тиісті уақыт кезеңінде қосымша деректерді қабылдау терезелерін ашуға мүмкіндік береді.
Деректерді қабылдау үшін кестені талап ететін құрылғылар соңғы құрылғыдан команда бойынша берілген уақыт аралығында LPWAN желісінен деректерді алуы және ішкі уақытты синхрондауы мүмкін.

С класы

12-суретте 12 спрэд-факторы бар LoRaWAN желісін пайдалану келтірілген. Көрсетілген мәндерді желі арқылы өзгертілуі мүмкін.

Сурет 12 - С класс профилінің стандартты конфигурациясы [24, 19 бет]

С класының бейіні бойынша жұмыс істейтін құрылғылар энергия тұтынуды азайту, яғни деректерді қабылдау терезелерін азайту қажеттілігі жоқ шешімдер үшін пайдаланылады.
Басқарушыны дереу талап ететін соңғы құрылғылар С класын қолданады. С класты құрылғылар Rx2 қабылдауының ашық терезесін мүмкіндігінше соншалықты ұзақ күтеді. Rx2 қабылдау терезесі үнемі ашық және тек серверге деректерді қысқа мерзімді беру кезеңінде және RX1 терезесінде серверден жауап қабылдау кезеңінде (А класына ұқсас) жабылады. Сервер кез келген уақытта бөлісіп, хабар пайда болған кезде бірден құрылғыға жібере алады. С класының құрылғылары А және В класының құрылғыларының барлық мүмкіндіктеріне ие.

1.4 LoRaWAN стандартты қауіпсіздік құралдары

IoT LoRaWAN желісінде көп деңгейлі деректер қауіпсіздігі жүйесі қолданылады [25, 15 бет]:
1 деңгейі. AES-appskey 128 биттік ауыспалы сессиялық кілтінің көмегімен қосымша деңгейінде шифрлау (абоненттік терминал мен қосымшалар сервері арасында). Бұл кілт абоненттік терминалда және қосымшалар серверінде сақталады және желі операторына қолжетімсіз. AppSKey - ке тек клиентке, яғни бағдарлама серверінің иесіне қол жеткізе алады.
2 деңгейі. AES-128 биттік NwkSKey сессиялық кілтінің көмегімен желілік деңгейде (абоненттік терминал мен желілік сервер арасында) хабарламаларды шифрлау және бүтіндігін тексеру. Бұл кілт абоненттік терминалда және желілік серверде сақталады және клиентке қолжетімсіз. NwkSKey қатынасына тек желі операторы, яғни желі серверінің иесі қол жеткізе алады.
3 деңгейі. Интернет-протоколды (IPsec, TLS және т.б.) аутентификациялаудың және шифрлеудің стандартты әдістері (базалық станция, желілік ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.