W ciągu ostatnich kilku lat interfejsy komunikacji machine-to-machine oraz Internet Przedmiotów bazowały na sieciach komórkowych 2G oraz 3G, aby uzyskać możliwość komunikację w obrębie sieci wielkoobszarowej. Ponieważ duży rynek konsumencki oczekuje większej wydajności dostępnej w smartfonach, np. w celu strumieniowania wideo, dotychczasowe protokoły okazują się przestarzałe. Stosowanym powszechnie standardem stał się 4G-LTE oferujący dużą przepustowość. W wyniku tego użytkownicy M2M pozostali bez tanich sieci dla swoich energooszczędnych urządzeń przesyłających małe ilości danych na duże odległości. Pojawiło się jednak inne rozwiązanie w postaci sieci LPWAN zapewniających energooszczędną komunikację na dużych obszarach, które uzupełniają tę lukę na rynku.

Rys.1. Wysokie wymagania co do jakości przekazu video stworzyły rynek dla sieci LPWAN

W tym wyścigu widać dwóch dominujących zawodników: standardy LoRaWAN oraz LTE Cat M1. Czym różnią się te konkurencyjne standardy i czy znajdzie się miejsce dla nich obu na polu walki o rynek LPWAN?

Pierwszy zawodnik: LoRaWAN

LoRaWAN to specyfikacja energooszczędnej sieci wielkoobszarowej przeznaczonej dla bezprzewodowych węzłów czujnikowych lokalnych sieci prywatnych lub publicznych sieci regionalnych i ogólnokrajowych, pracujących w paśmie 900 MHz. Protokół zapewnia współpracę węzłów bez potrzeby stosowania złożonych lokalnych instalacji. Architektura sieci opiera się na topologii gwiazdy, w której bramy przekazują wiadomości między węzłami czujnikowymi a siecią i serwerami aplikacji. Brama LoRaWAN jest podłączona do serwera sieci za pośrednictwem Ethernetu, routerów przewodowych lub WLAN (Wi-Fi). Z kolei węzły czujnikowe wykorzystują modulację częstotliwości (chirp) do łączenia się z bramami, nawet na odległość wielu kilometrów (rys. 2). Protokół bezprzewodowy LoRaWAN wykorzystuje różne kanały częstotliwości i szybkości transferu, jak też impulsy z szerokopasmową modulacją częstotliwości (chirp), których częstotliwość rośnie lub maleje w krótkich odcinkach czasu, kodując w ten sposób informację. Maksymalne przepustowości protokołu mieszczą się w zakresie 12,5 do 20 kbps na terenie Ameryki Północnej. W celu zmaksymalizowania czasu pracy węzła zasilanego z baterii i zwiększenia całkowitej pojemności sieci, serwery stosują adaptację przepustowości, aby dopasować się do efektywnej przepustowości i mocy nadajnika radiowego każdego węzła.

Rys. 2. Schemat sieci LoRa

LoRaWAN obejmuje trzy klasy urządzeń końcowych przeznaczone do różnych zastosowań. Ma też kilka warstw szyfrowania, w tym unikalny klucz poziomu sieci (EUI64), unikalny klucz poziomu aplikacji (EUI64) i klucz poziomu urządzenia (EUI128) odpowiadający urządzeniu stanowiącym węzeł sieci. Urządzenia klasy A korzystają z komunikacji dwukierunkowej, oferując jeden slot nadawczy i dwa odbiorcze. Jest to najbardziej energooszczędna opcja przeznaczona dla systemów typu inteligentne miasto. Urządzenia klasy B są podobne, ale mogą dodatkowo informować o czasie użycia slotu odbiorczego. Taka możliwość pozwala poinformować serwer, że urządzenie docelowe faktycznie odbiera, na przykład w systemie sterującym nawadnianiem. Urządzenia klasy C mogą nadawać, w przeciwnym razie pracują w trybie odbiorczym. Przykładowe zastosowania to inteligentny system zarządzania oświetleniem ulicznym. Węzły czujnikowe w standardzie LoRa są dostępne w ofercie firm Microchip, Murata, Laird, Link Labs i Multi-tech, natomiast bramy – Link Labs oraz Multi-tech (rys. 3 i 4). Pierwsza publiczna sieć LoRa została zrealizowana przez firmę SENET w dolinie krzemowej w Kalifornii. Z kolei firma Comcast zapowiedziała publiczną sieć LoRa o nazwie MachineQ, której pierwsze bramy pojawią się w drugim kwartale 2017 roku w Filadelfii, Chicago i San Francisco. Obie firmy są częścią konsorcjum LoRa Alliance zrzeszającego setki małych i dużych firm z branży technicznej, które promuje i reguluje standard LoRaWAN. Więcej informacji jest dostępnych na stronie www.lora-alliance.com.

Rys. 3. Moduł LoRa RM1 firmy Laird

Rys. 4. Brama LoRa firmy Multitech Conduit

Drugi zawodnik: LTE CAT M1

Rys. 5. Sieci komórkowe LTE wykorzystują wiele pasm, aby zapewnić zmienne pokrycie i przepustowości  – w odróżnieniu od sieci 3G

LTE (Long Term Evolution) znacznie różni się od wcześniejszych generacji sieci komórkowych pod względem częstotliwości nośnej i pasma (rys. 5). Standard LTE 4G definiuje wiele różnych pasm, które zmieniają się w zależności od częstotliwości nośnej i od kraju.  Te licencjonowane pasma są podzielone na dwa typy wykorzystujące multipleksację częstotliwościową (FDD) lub czasową (TDD). W przypadku FDD są wymagane dwa pasma – jedno nadawcze i jedno odbiorcze, natomiast TDD wykorzystuje jedno pasmo na transmisję w obu kierunkach, która jednak zachodzi w różnych slotach czasowych. 31 par pasm LTE pracuje w zakresie od 452 MHz do 3,6 GHz, natomiast dodatkowych 12 pasm TDD mieści się między częstotliwościami 703 MHz a 3,8 GHz. Wyższe częstotliwości pozwalają na szybszy transfer w mieście, natomiast niższe częstotliwości zapewniają większy zasięg, lecz niższą przepustowość na terenach podmiejskich. Szerokość pasm wynosi zazwyczaj od 10 do 20 MHz, natomiast można je podzielić na mniejsze pasma o szerokości 1,4, 3,0 lub 5,0 MHz.

Wersja LTE kategorii M1 (Cat M1) wykorzystuje pasma 1,4 MHz i maksymalną moc nadawaną 20 dBm, zapewniając maksymalne szybkości transferu do 200 kbps. Amerykańscy dostawcy sieci bezprzewodowych AT&T oraz Verizon planują wprowadzić technologię Cat M1 we współpracy z dostawcami modułów takimi, jak Sierra Wireless, Link Labs, Multitech oraz Gemalto (rys. 6 i 7). Usługa zostanie wprowadzone za pośrednictwem sieci LTE 4G jako otwarte środowisko i pokryje obszar całych Stanów w 2. kwartale tego roku. Ponieważ wprowadzenie Cat M1 uzyskało wsparcie AT&T oraz Verizon, technologie LPWAN mogą korzystać z licencjonowanego pasma, oferując bezpieczną i sprawdzoną sieć publiczną dla systemów IoT. Rozwiązanie Cat M1 jest szczególnie korzystne w przypadku zastosowań IoT wymagających małego i średniej wielkości wykorzystania medium oraz urządzeń o niskim zużyciu mocy i długim czasie pracy na baterii. Jest ono również ważne z punktu widzenia biznesowego, ponieważ zwiększa zasięg LTE na rynku. Cat M1 jest postrzegane jako odpowiednie rozwiązanie dla energooszczędnych urządzeń czujnikowych i monitorujących, ponieważ pozwala na tanią obsługę systemów o niskim transferze.

Rys. 6. Sierra Wireless oferuje już moduły LTE Cat M1 przeznaczone do montażu w gniazdach

Rys. 7. Platforma LTE Cat M1 firmy Link Labs