Czym jest LoRaWAN? Łączność IoT dalekiego zasięgu | Com4

W przeciwieństwie do standardów komórkowych IoT, takich jak NB-IoT i LTE-M, LoRaWAN nie działa w sieciach operatorów komórkowych. Zazwyczaj wykorzystuje pasmo nielicencjonowane za pośrednictwem bram, które są własnością przedsiębiorstwa wdrażającego rozwiązanie lub są przez nie współużytkowane – i właśnie to sprawia, że w niektórych wdrożeniach jest to ogromna zaleta, a w innych – prawdziwe ograniczenie. W niniejszym przewodniku wyjaśniono, jak faktycznie działa architektura sieciowa i technologia radiowa LoRaWAN, jak wygląda techniczne porównanie tej technologii z komórkowym IoT oraz jak zdecydować, która z nich lepiej sprawdzi się w danym wdrożeniu.

Najważniejsze wnioski:

• LoRaWAN wykorzystuje modulację Chirp Spread Spectrum (CSS), aby poświęcić szybkość transmisji danych na rzecz zasięgu i efektywności energetycznej, umożliwiając urządzeniom transmisję na odległość kilku kilometrów przy zasilaniu z niewielkiej baterii, która może wystarczyć na lata.
• Sieć LoRaWAN składa się z urządzeń końcowych, bram, serwera sieciowego, serwera dołączania oraz serwera aplikacji, przy czym bramy przekazują surowy ruch radiowy, zamiast przetwarzać go lokalnie.
• LoRaWAN definiuje trzy klasy urządzeń: A, B i C, z których każda stanowi kompromis między energooszczędnością a szybkością odbierania komunikatów w kierunku downlink.
• W Europie LoRaWAN zazwyczaj działa w paśmie 868 MHz UE przy ograniczeniu cyklu pracy do 1%, co ogranicza częstotliwość transmisji urządzenia.
• Kluczową różnicą w porównaniu z komórkowym IoT jest kwestia własności infrastruktury: LoRaWAN wymaga wdrożenia i utrzymania własnych bram, podczas gdy NB-IoT i LTE-M działają w istniejących sieciach komórkowych zarządzanych przez operatorów.
• Com4 zapewnia łączność komórkową IoT w ramach standardów NB-IoT, LTE-M, 4G i 5G oraz pomaga firmom ocenić, czy do ich wdrożenia lepiej pasuje LoRaWAN, sieć komórkowa, czy też rozwiązanie hybrydowe łączące oba te standardy.

Co właściwie oznacza skrót LoRaWAN i jakie problemy rozwiązuje?

LoRaWAN to skrót od Long Range Wide Area Network i jest to warstwa protokołu sieciowego zbudowana w oparciu o LoRa (Long Range), fizyczną technologię modulacji radiowej, od której pochodzi jej nazwa. Problem, który LoRaWAN ma rozwiązać, jest konkretny: połączenie dużej liczby prostych, zasilanych bateryjnie urządzeń, z których każde musi wysyłać jedynie niewielkie, sporadyczne komunikaty, takie jak odczyt temperatury lub sygnał statusowy, na odległości, których nie są w stanie osiągnąć typowe protokoły krótkiego zasięgu, takie jak Wi-Fi czy Bluetooth. Protokół ten jest utrzymywany i standaryzowany przez LoRa Alliance, grupę branżową zarządzającą specyfikacją LoRaWAN oraz regionalnymi planami częstotliwości.

Jak właściwie działa technologia radiowa LoRaWAN?

Warstwa fizyczna LoRaWAN, czyli LoRa, wykorzystuje technikę modulacji zwaną Chirp Spread Spectrum (CSS). Zamiast nadawać na stałej, wąskiej częstotliwości, CSS rozprasza sygnał na szerszym paśmie wykorzystując sygnały typu „chirp” – sygnały, których częstotliwość z czasem zmienia się w górę lub w dół. To właśnie to rozpraszanie stanowi charakterystyczny kompromis technologii LoRa: poświęca ona przepustowość danych w zamian za możliwość odzyskania bardzo słabego sygnału dalekiego zasięgu z szumu tła, co wyjaśnia, dlaczego pojedyncza brama LoRaWAN może zapewnić zasięg kilku kilometrów na otwartym terenie – znacznie wykraczający poza zasięg typowej komórki sieci komórkowej lub punktu dostępowego Wi-Fi.

Kluczowym parametrem w tym kompromisie jest współczynnik rozpraszania, który można ustawić w zakresie od 7 do 12. Wyższy współczynnik rozpraszania zwiększa zasięg i poprawia niezawodność, ale zmniejsza szybkość transmisji danych oraz wydłuża czas, przez jaki radio musi pozostawać włączone, co powoduje szybsze wyczerpywanie się baterii. Sieci LoRaWAN zarządzają tym automatycznie za pomocą mechanizmu Adaptive Data Rate (ADR), w ramach którego serwer sieciowy indywidualnie dostosowuje współczynnik rozpraszania i moc nadawania każdego urządzenia, dążąc do wykorzystania minimalnej mocy i czasu nadawania niezbędnych do zapewnienia niezawodnego połączenia, co bezpośrednio wydłuża żywotność baterii w całym wdrożeniu.

Jak właściwie wygląda architektura sieci LoRaWAN?

Wdrożenie sieci LoRaWAN składa się z pięciu elementów:

• Urządzenia końcowe. Czujniki, lokalizatory lub liczniki, które faktycznie gromadzą i wysyłają dane.
• Bramki. Fizyczne odbiorniki radiowe, które odbierają transmisje LoRa z dowolnego urządzenia końcowego znajdującego się w zasięgu i przekazują je bez przetwarzania do serwera sieciowego za pośrednictwem połączenia typu backhaul, takiego jak Ethernet, Wi-Fi lub karta SIM sieci komórkowej.
• Serwer sieciowy. Centralny system, który usuwa duplikaty komunikatów odebranych przez wiele bram, zarządza sesjami urządzeń, uruchamia algorytm ADR oraz planuje ruch w kierunku do użytkownika.
• Serwer dołączania. Obsługuje uwierzytelnianie urządzeń i zarządzanie kluczami, gdy urządzenie końcowe dołącza do sieci, zazwyczaj korzystając z aktywacji bezprzewodowej (OTAA) – zalecanej i bezpieczniejszej metody – zamiast starszego podejścia opartego na aktywacji poprzez personalizację (ABP).
• Serwer aplikacji. Miejsce, do którego ostatecznie trafiają odszyfrowane dane aplikacji, gotowe do wykorzystania przez logikę biznesową i pulpity nawigacyjne, które faktycznie z nich korzystają.

Ważnym szczegółem architektury jest to, że bramy w sieci LoRaWAN nie przetwarzają ani nie podejmują decyzji dotyczących odbieranych danych; po prostu przekazują surowe pakiety radiowe w górę sieci. Różni się to od stacji bazowych sieci komórkowych, które lokalnie, w wieży, zajmują się uwierzytelnianiem i zarządzaniem ruchem. To również powód, dla którego planowanie zasięgu LoRaWAN leży całkowicie w gestii wdrażającej firmy: każda brama musi zostać zakupiona, zainstalowana i utrzymywana, przy czym nie ma odpowiednika istniejącej krajowej sieci radiowej operatora, która wykonywałaby tę pracę automatycznie.

Jakie są klasy urządzeń w sieci LoRaWAN i dlaczego mają one znaczenie?

LoRaWAN definiuje trzy klasy urządzeń, z których każda reprezentuje inny kompromis między wydajnością energetyczną a szybkością reakcji w kierunku downlink:

Każde urządzenie LoRaWAN obsługuje klasę A jako standard bazowy, ponieważ stanowi ona minimalny poziom efektywności energetycznej określony w specyfikacji. Klasy B i C zapewniają większą responsywność, co bezpośrednio wpływa na żywotność baterii, dlatego w większości wdrożeń z wykorzystaniem czujników zasilanych bateryjnie na dużą skalę domyślnie stosowana jest klasa A, chyba że konkretny przypadek użycia rzeczywiście wymaga szybszego przesyłu danych w kierunku stacji bazowej.

Jakiego pasma częstotliwości używa LoRaWAN w Europie i jakie ograniczenia obowiązują?

W Europie, w tym w Norwegii i szeroko pojętym regionie skandynawskim, LoRaWAN działa w paśmie EU868 MHz, wykorzystując nielicencjonowane pasmo ISM wokół kanałów o częstotliwościach 868,1, 868,3 i 868,5 MHz. Ponieważ pasmo to jest nielicencjonowane i współdzielone, przepisy europejskie nakładają ograniczenie cyklu pracy, wynoszące zazwyczaj 1% w głównych kanałach pasma 868 MHz w UE, co oznacza, że urządzenie może nadawać tylko przez niewielką część danego przedziału czasowego. Ograniczenie to jest celowym ograniczeniem projektowym mającym na celu zapobieganie monopolizacji wspólnego pasma przez jakąkolwiek pojedynczą sieć i wzmacnia podstawowe przeznaczenie sieci LoRaWAN: rzadkie, niewielkie komunikaty, a nie ciągła transmisja danych lub transmisja o wysokiej częstotliwości.

LoRaWAN a komórkowe rozwiązania IoT (NB-IoT, LTE-M): czym się faktycznie różnią?

Decydującą różnicą architektoniczną jest własność infrastruktury. Technologie NB-IoT i LTE-M korzystają z istniejącej infrastruktury komórkowej operatorów sieci, dzięki czemu firma uzyskuje działający zasięg ogólnokrajowy natychmiast po aktywacji karty SIM. LoRaWAN zazwyczaj wiąże się z wdrożeniem własnych bramek lub wykupieniem abonamentu na wspólną sieć regionalną, jeśli taka istnieje, co zapewnia większą kontrolę nad siecią i może być tańsze w przypadku wdrożenia na dużą skalę w jednej, stałej lokalizacji, ale przenosi cały ciężar planowania zasięgu, konserwacji bramek i łączności typu backhaul na firmę odpowiedzialną za wdrożenie.

Kiedy warto wybrać LoRaWAN?

LoRaWAN jest zazwyczaj dobrym rozwiązaniem, gdy spełnionych jest jednocześnie kilka poniższych warunków:

• Kontrolujesz lokalizację wdrożenia, taką jak teren fabryki, gospodarstwo rolne, port lub budynek, i możesz zainstalować oraz konserwować własne bramy.
• Urządzenia są liczne, niedrogie i wysyłają bardzo małe, sporadyczne dane, takie jak odczyty wilgotności gleby, tagi zasobów lub dane z monitoringu środowiska.
• Długa żywotność baterii, mierzona w latach, a nie miesiącach, jest bezwzględnym wymogiem.
• Urządzenia nie muszą wychodzić poza ustalony, znany obszar zasięgu.
• Koszt wdrożenia bramek jest uzasadniony liczbą urządzeń, które będą one obsługiwać przez cały okres eksploatacji obiektu.

Kiedy lepszym wyborem jest komórkowy IoT?

Jeśli urządzenia muszą działać wszędzie tam, gdzie jest zasięg sieci komórkowej, a firma nie chce wdrażać i utrzymywać własnej infrastruktury radiowej, komórkowy IoT jest zazwyczaj lepszym rozwiązaniem. Dotyczy to wyraźnie zasobów mobilnych, które przemieszczają się między stałymi lokalizacjami i poza nie, wdrożeń rozproszonych w wielu oddzielnych lokalizacjach, gdzie instalowanie bramek wszędzie byłoby niepraktyczne, oraz wszelkich wdrożeń, w których zasięg ogólnokrajowy lub transgraniczny ma większe znaczenie niż marginalne oszczędności kosztów, jakie LoRaWAN może zaoferować w pojedynczej lokalizacji o dużej gęstości.

Czy LoRaWAN i komórkowy IoT mogą działać razem?

Tak, a dla wielu firm prawdziwą odpowiedzią nie jest ani LoRaWAN, ani IoT komórkowe, ale połączenie obu tych rozwiązań. Typowy model hybrydowy wykorzystuje LoRaWAN do zapewnienia gęstego, niedrogiego zasięgu czujników w obrębie stacjonarnej lokalizacji, a następnie przekazuje dane z samej bramki do Internetu za pośrednictwem karty SIM sieci komórkowej zamiast infrastruktury stacjonarnej, łącząc niski koszt na urządzenie charakterystyczny dla LoRaWAN z wszechobecną, niewymagającą infrastruktury łącznością sieci komórkowej na poziomie bramki. Przewodnik firmy Com4 dotyczący skalowania IoT poza ramy LoRaWAN dzięki łączności komórkowej i hybrydowej omawia to podejście hybrydowe bardziej szczegółowo.