Techniki komunikacji LPWAN w Internecie Rzeczy 2018/10/25

W ostatnich czasach mocno przyspieszył rozwój technik bezprzewodowej komunikacji w Internecie Rzeczy. Coraz niższe ceny modułów komunikacyjnych, a także ich wzrost ich funkcjonalności przekonują coraz to większe grono potencjalnych odbiorców do uruchamiania nowych produktów. Obecnie największy udział w rynku sieci LPWAN mają takie techniki komunikacji jak: NB-IoT, LTE-M, LoRA oraz SigFox.

Wspólną cechą technik komunikacji LPWAN jest maksymalne wydłużenie czasu pracy na baterii oraz duży zasięg. Z punktu widzenia odbiorców obok długiego czasu pracy na baterii najważniejsza jest dostępność sieci oraz jej możliwości. Wymienione rodzaje technik komunikacji różnią się od siebie szeregiem parametrów, a co za tym idzie funkcjonalnościami.

Techniki komunikacji oparte o LTE – NB-IoT i LTE-M

Dwie najpopularniejsze techniki bezprzewodowej komunikacji tj. NB-IoT oraz LTE-M zostały zestandaryzowane w 3GPP w wydaniu 13 “LTE Advanced Pro”. 3GPP to projekt powstały w 1998 roku mający na celu standaryzację rozwoju sieci komórkowej. Te techniki komunikacji wyróżniają się licencjonowanym pasmem częstotliwości. Główne zalety wykorzystania licencjonowanego pasma to brak zakłóceń, możliwość przesłania większej ilości danych ze stosunkowo dużą prędkością.

Schemat komunikacji NB-IoT i LTE-M

NB-IoT – (Narrow Band Internet of Things), pokrewna nazwa: LTE Cat-NB1 bezpieczna, niezawodna i przede wszystkim wydajna technika komunikacyjna LPWPA. NB-IoT została zestandaryzowana w 3GPP i co za tym idzie możliwe jest użycie istniejącej infrastruktury nadajników LTE.
NB-IoT w zamyśle przeznaczone jest do stacjonarnych urządzeń, które zarejestrowane są w tej samej komórce sieci. Wysoki poziom penetracji przeszkód powoduje, że urządzenia komunikujące się z wykorzystaniem NB-IoT mogą być umieszczone w miejscach słabo dostępnych radiowo.

Charakterystyka:

• licencjonowane pasmo częstotliwości LTE 700 MHz – 2100 MHz (w zależności od kanału)
• półdupleks (naprzemienne przesyłanie i odbieranie danych)
• duże opóźnienie (1,5 – 10 s)
• prędkość przesyłania danych < 250 kb/s
• jedna komórka sieci obsługuje 50 -100 tysięcy urządzeń
• daleki zasięg od nadajnika (5 km – 50 km) z zależności od poziomu urbanizacji i przeszkód naturalnych
• bardzo dobra penetracja przeszkód takich jak ściany (możliwość instalowania urządzeń na niskich kondygnacjach budynków)
• działa w oparciu o infrastrukturę sieci 4G
• długa rejestracja w sieci, przełączanie pomiędzy kolejnymi komórkami w sieci powoduje znaczny wzrost poboru prądu
• publiczny model sieci, opłaty za korzystanie dla operatorów telekomunikacyjnych
• standaryzacja na całym świecie (certyfikacja, zabezpieczenia)
• możliwość aktualizacji oprogramowania przez sieć – FOTA (Firmware Over The Air)
• brak obsługi SMS oraz głosu

Przykładowe zastosowania:

• stacjonarne czujniki parametrów środowiskowych
• liczniki energii elektrycznej

LTE-M (Long Term Evolution for Machines), pokrewne nazwy: Cat-M, Cat-M1, podobnie jak NB-IoT działa w oparciu o istniejącą sieć 4G i została zestandaryzowana w 3GPP Release 13. LTE-M może być wykorzystywana w rozwiązaniach gdzie nie sprawdza się NB-IoT czyli np. w transporcie, gdzie urządzenie musi szybko zmieniać komórki sieci. Producenci modułów komunikacyjnych wykorzystujących LTE-M integrują w swoich rozwiązaniach np. moduł GPS co może zachęcić do właśnie takich zastosowań. Dodatkowym atutem jest obecność VoLTE co umożliwia przesyłanie głosu. Parametrem przemawiającym na niekorzyść LTE-M w stosunku do NB-IoT jest stosunkowo gorsza przenikalność sygnału przez przeszkody.

Charakterystyka:

• licencjonowane pasmo częstotliwości LTE 700 MHz – 2100 MHz (w zależności od kanału)
• pełny duplex lub półdupleks
• małe opóźnienie (10 – 15 ms)
• prędkość przesyłania danych < 1Mb/s
• możliwość przesyłania głosu (technologia VoLTE)
• możliwość aktualizacji oprogramowania przez sieć – FOTA (Firmware Over The Air)
• szybkie przełączanie pomiędzy komórkami sieci
• słabsza od NB-IoT przenikalność przez przeszkody
• publiczny model sieci, opłaty za korzystanie dla operatorów telekomunikacyjnych
• standaryzacja na całym świecie (certyfikacja, zabezpieczenia)

Przykładowe zastosowania:

• lokalizowanie przedmiotów w transporcie
• monitorowanie temperatury w transporcie

Mapa dostępności LTE-M i NB-IoT na świecie (stan na 10.2018)

Techniki komunikacji oparte o nielicencjonowane pasma – Sigfox i LoRa

Techniki komunikacji Sigfox i LoRa działają w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości. Niesie to za sobą pewne wady – w praktyce może prowadzić do nakładania się różnych sygnałów i pojawienia się zakłóceń. Z tego też powodu prędkość przesyłania danych jest stosunkowo niska i wynosi maksymalnie kilkadziesiąt kb/s.

Sigfox – technika komunikacji powstała we Francji w 2009 przez firmę o tej samej nazwie. Podczas funkcjonowania urządzenia nie jest wymagane utrzymywanie połączenia z komórką sieci. W momencie kiedy urządzenie wysyła komunikaty dane docierają do najbliższych stacji bazowych. W założeniu sieć ma służyć urządzeniu wysyłającym bardzo małe pakiety danych. Sieć posiada narzucony lekki protokół komunikacyjny i limity przesyłania danych tj. 140 komunikatów wysyłanych dziennie. W jednym komunikacie może się znaleźć maksymalnie 12 bajtów danych. Jeżeli chodzi o odbiór danych to maksymalnie możemy odebrać 4 komunikaty dziennie w których może się znaleźć 8 bajtów danych. Sigfox ze swojej strony kontroluje sieć, dostarcza infrastrukturę sieciową i pobiera opłaty od operatorów, którzy pośredniczą w sprzedawaniu usług. 

Charakterystyka:

• nielicencjonowane pasmo częstotliwości (868 MHz – Europa, 915 MHz  – USA)
• brak konieczności utrzymywania połączenia ze stacją bazową
• prędkość przesyłania danych < 50 kb/s
• dane muszą być przesyłane przez platformę w chmurze dostarczoną przez Sigfox
• zamknięta technologia, tylko jeden operator sieci (Sigfox), brak możliwości budowania własnej sieci i jej kontrolowania
• urządzenie nie wymaga karty SIM
• zasięg do 50 km

Przykładowe zastosowania:

• sieć czujników środowiskowych
• monitorowanie poziomu lustra wody w zbiornikach wodnych

LoRaWan (LoRa) – technika komunikacji opracowana przez Cycleo z Grenoble we Francji i nabyta przez Semtech w 2012 r. Obecnie jej rozwój koordynowany jest przez organizację non-profit LoRa Alliance skupiającą ponad 250 firm członkowskich. Podobnie jak Sigfox wykorzystuje publicznie dostępne pasmo częstotliwości. Architektura sieci LoRa bazuje na topologii gwiazdy, w której bramki są pomostami zapewniającymi transmisję pomiędzy urządzeniami końcowymi a serwerem centralnym. Komunikacja z punktami końcowymi może być dwukierunkowa, co umożliwia nie tylko odbieranie komunikatów, ale również sterowanie pracą urządzeń i aktualizowanie ich oprogramowania. Dodatkowym plusem w odróżnieniu od innych powszechnie dostępnych standardów transmisji bezprzewodowej jest możliwość tworzenia sieci prywatnych i sprawowanie nad nią pełnej kontroli. Maksymalny zasięg to 15 km w otwartej przestrzeni.

Charakterystyka:

• nielicencjonowane pasmo częstotliwości (169, 433, 868 MHz – Europa, 915 MHz Ameryka Północna)
• dwukierunkowość
• prędkość przesyłania danych < 50 kb/s
• półdupleks (naprzemienne przesyłanie i odbieranie danych)
• otwarta technologia, brak opłat
• urządzenie nie wymaga karty SIM
• zasięg do 20 km

Przykładowe zastosowania:

• sterowanie oświetleniem ulic
• sterowanie systemu nawadniania upraw w rolnictwie

Mapa dostępności LoRa i Sigfox na świecie (stan na 10.2018)