W ciągu ostatnich kilku lat komunikacja między urządzeniami (M2M) oraz Internet Przedmiotów bazowały na sieciach komórkowych typu 2G oraz 3G, aby zapewnić łączność na dużym obszarze. Klienci żądali obsługi szybkiej i szerokopasmowej komunikacji w smartfonach, co zmusiło operatorów sieci do uzupełnienia tych starszych protokołów o szerokopasmową sieć 4G, zwaną również technologią LTE. Choć sieci LTE oferują znakomitą jakość usług dla klientów, którzy chcą strumieniować wideo wysokiej jakości w podróży i są gotowi za to zapłacić, użytkownicy interfejsów M2M wymagają innych, tańszych rozwiązań sieciowych do obsługi energooszczędnych systemów dalekiego zasięgu o małej przepustowości.

Ta luka stanowi szansę dla dedykowanych sieci wielkoobszarowych (LPWAN). Na tym polu rywalizuje wielu konkurentów, jednak na prowadzenie wysunęły się dwie technologie: LoRaWAN oraz Narrowband-IoT (NB-IoT) –  technologia komórkowa LTE opracowana przez konsorcjum 3GPP, które jednocześnie odpowiada za standardy sieci 3G oraz LTE.

Te dwa rywalizujące standardy różnią się znacznie pod względem parametrów i funkcjonalności. Pozostaje otwarte pytanie, czy na rynku jest miejsce dla nich obu, czy też rynek zostanie zdominowany przez jedną tych technologii.

Zawodnik 1: LoRaWAN

LoRaWAN to specyfikacja LPWAN przeznaczona dla bezprzewodowych węzłów czujnikowych pracujących w paśmie 900 MHz w sieciach prywatnych lub o zasięgu regionalnym i krajowym. Protokół zapewnia współpracę między węzłami bez potrzeby stosowania złożonych instalacji lokalnych. Architektura sieci jest oparta na topologii gwiazdy, w której bramy przekazują wiadomości między węzłami czujnikowymi, serwerami sieciowymi i serwerami aplikacji.

Rys. 1. Topologia sieci LoRaWAN

Brama LoRaWAN łączy się z serwerem sieciowym za pośrednictwem routerów ethernetowych, komórkowych lub WLAN (Wi-Fi), natomiast węzły czujnikowe stosują modulację chirp do łączenia z bramami. Przedstawia to rys. 1. Odległość między węzłem a bramą może wynosić wiele kilometrów. Protokół komunikacji radiowej LoRaWAN wykorzystuje różne kanały częstotliwościowe i szybkości transmisji. Natomiast do kodowania informacji używa szerokopasmowych impulsów o modulowanej częstotliwości typu chirp.

Maksymalne szybkości transferów tego protokołu wynoszą od 0,3 kb/s do 50 kb/s. Aby uzyskać jak najdłuższy czas pracy węzłów czujnikowych zasilanych z baterii i jak najlepiej wykorzystać pojemność sieci, serwer sieciowy realizuje adaptacyjne zarządzanie szybkościami transferu i mocy nadawanej dla każdego czujnika oddzielnie.

Standard LoRaWAN przewiduje trzy klasy urządzeń końcowych przeznaczonych do różnych zastosowań. Zaimplementowano w nim kilka warstw szyfrowania, w tym unikalny klucz poziomu sieci (EUI64), unikalny klucz aplikacji (EUI64) oraz klucz urządzenia (EUI128) przypisany do węzła.

• Urządzenia klasy A korzystają z komunikacji dwukierunkowej: Po jednej transmisji dostępne są dwa sloty czasowe przeznaczone na odbiór. Jest to najbardziej energooszczędny wariant i jego typowe zastosowanie to systemy inteligentnego miasta.
• Urządzenia B są podobne, ale mają możliwość zarezerwowania dodatkowych slotów odbiorczych w określonym czasie. To pozwala poinformować serwer o fakcie, iż węzeł końcowy jest gotowy do odbioru. Typowym zastosowaniem może być automatyczny system nawadniania.
• Urządzenia klasy C nadają okresowo, przez pozostały czas pozostają w trybie odbiorczym. Przykładowym zastosowaniem mogą być inteligentne systemy oświetlenia ulicznego.

Moduły pozwalające zrealizować węzeł czujnikowy LoRa są dostępne w ofercie firm Microchip, Murata, MultiTech oraz Laird – przykładowy moduł widać na rys. 2. Natomiast bramy LoRaWAN są oferowane przez MultiTech – przykładową pokazano na rys. 3.

Publiczne sieci LoRaWAN już działają w niektórych regionach Europy i Ameryki Północnej. Informacje o budowie takich sieci można znaleźć na stronie LoRa AllianceTM – konsorcjum setek firm technologicznych i operatorów sieci, które promuje oraz odpowiada za regulacje standardu LoRaWAN.

Rys. 2. Moduł LoRa RM1 firmy Laird

Rys. 3. Brama LoRaWAN MultiConnect Conduit firmy MultiTech

Zawodnik 2: NB-IoT wykorzystujące sieci LTE

Technologia LTE różni się znacznie do poprzednich generacji sieci komórkowych pod względem częstotliwości nośnych i pasm, co pokazano na rys. 4. Standard odkreśla wiele pasm 4G LTE, które różnią się w zależności od kraju oraz częstotliwości nośnej. Te licencjonowane pasma są podzielone na kanały z multipleksacją częstotliwościową (FDD) oraz czasową (TDD), przy czym FDD wymaga pary pasm – jednego do transmisji w każdą stronę. Rozwiązanie TDD wykorzystuje jedno pasmo do transmisji w obie strony, jednak transmisje występują w różnych momentach czasu.

31 par pasm LTE pracuje na częstotliwościach z zakresu od 452 MHz do 3,6 GHz, a kolejnych 12 pasm TDD mieści się w zakresie od 703 MHz do 3,8 GHz. Wyższe częstotliwości pozwalają zapewnić szybszą transmisję na terenach miejskich, natomiast niższe częstotliwości oferują większy zasięg na terenach wiejskich, kosztem niższej przepustowości. Poszczególne pasma maja typowo szerokość 10 i 20 MHz, jednak można je podzielić na węższe pasma o szerokości 1,4, 2,0 oraz 5,0 MHz.

Jak sugeruje nazwa NarrowBand-IoT, sieć ta wykorzystuje węższe pasma o szerokości 200 kHz. Maksymalna moc nadawcza wynosi 23 dBm, a maksymalna przepustowość łącza NB-IoT jest równa 200 kb/s. Jedną z zalet sieci NB-IoT jest praca w licencjonowanym paśmie, dzięki czemu stanowi ona pewną i bezpieczną sieć publiczną, którą mogą wykorzystać firmy polegające na systemach IoT. Nie występuje tutaj ryzyko zakłóceń interferencyjnych, na które są narażone nielicencjonowane pasma sieci LoRaWAN.

Co istotne, technologia NB-IoT została opracowana specjalnie z myślą o systemach IoT, które cechują się niskim transferem danych i koniecznością zapewnienia długiego czasu pracy urządzeń zasilanych z baterii. W Europie dostawca sieci Vodafone odgrywa rolę lidera w obszarze wdrożeń sieci NB-IoT. Firma obliczyła, że technologia ta pozwoli zwiększyć wykorzystanie jej infrastruktury sieciowej, zapewniając tanią obsługę systemów o niskiej przepustowości, takich jak czujniki i urządzenia monitorujące.