LPWAN kommunikációs technikák az IoT számára

A közelmúltban a tárgyak internetével kapcsolatos vezeték nélküli kommunikációs technikák fejlődése jelentősen felgyorsult. A kommunikációs modulok árának csökkenése, valamint a funkcionalitás növelése meggyőzte az egyre növekvő számú potenciális címzettet az új termékek elindítására. Jelenleg legnagyobb részt az LPWAN kommunikációs piacon az NB-IoT, az LTE-M, a LoRA és a SigFox hozza meg.

Az összes LPWAN kommunikációs technológia közös jellemzője az akkumulátor maximális élettartamának és hatótávolságának meghosszabbítása. Az eszközök gyártói szempontból a hosszú akkumulátor élettartam mellett a legfontosabb a hálózat rendelkezésre állása és képességei. A kommunikációs technikák fent említett fajtái számos paraméterben különböznek egymástól és ezáltal funkcionalitásuk is más.

LTE alapú kommunikációs technikák – NB-IoT és LTE-M

A legnépszerűbb vezeték nélküli kommunikációs technikák közül kettőt (NB-IoT és LTE-M) a 3GPP a 13 “LTE Advanced Pro” kiadványban szabványosította. A 3GPP egy olyan projekt, amelyet 1998-ban hoztak létre a mobilhálózat fejlesztésének szabványosítására. Ezeket a kommunikációs technikákat egy engedélyezett frekvenciasáv különbözteti meg. A licencelt sáv használatának legfőbb előnye az interferencia hiánya, valamint az, hogy képes több adatot viszonylag nagy sebességgel elküldeni.

NB-IoT (Narrow Band Internet of Things, más néven LTE Cat-NB1) – biztonságos, megbízható és mindenekelőtt hatékony LPWPA kommunikációs technológia. Az NB-IoT-t 3GPP-ben szabványosították, így a meglévő LTE infrastruktúrát az NB-IoT kapcsolat biztosítására lehet használni. Az NB-IoT olyan helyhez kötött eszközök számára készült, amelyek ugyanabban a hálózati cellában vannak rögzítve. A magas szintű áthatolás azt jelenti, hogy az NB-IoT eszközt olyan helyen is telepíteni lehet, amelyeknél nem egykönnyen érhető el a rádió.

Műszaki jellemzők:

  • engedélyezett LTE 700 MHz-es frekvenciasáv – 2100 MHz (a csatornától függően)
  • fél duplex (alternatív adatátvitel és vétel)
  • nagy késés (1,5 – 10 s)
  • adatátviteli sebesség <250 kbps
  • a hálózat egy cellája 50-10000 eszközt is támogathat
  • hosszú tartomány a BTS-ről (5 km – 50 km) függően az urbanizáció szintjétől és a természetes akadályok
  • nagyon jó áthatolás az akadályokon, mint például a falakon
  • a 4G hálózati infrastruktúra alapján működik
  • hosszabb regisztráció a hálózatban, a hálózati cellák közötti váltás jelentősen megnöveli az energiafogyasztást
  • nyilvános hálózati modell, használati díj a távközlési szolgáltatók számára
  • szabványosítás az egész világon (tanúsítvány, biztonság)
  • az eszköz firmware-ének frissítése a hálózaton keresztül – FOTA (Firmware Over The Air)
  • nincs SMS és hangtámogatás

Példák az alkalmazásokra:

  • helyhez kötött érzékelők környezeti felügyelet számára
  • villamosenergia-mérők (intelligens mérés)

Az LTE-M (Long-Term Evolution for Machines, más néven Cat-M, Cat-M1) – mint az NB-IoT, amely a meglévő 4G hálózaton működik, és a 3GPP 13. kiadásában szabványosították. Az LTE-M olyan megoldásokban használható, ahol az NB-IoT nem működik, pl. a szállítás során, ahol az eszköz gyorsan megváltoztatja a helyét a hálózat cellái között. Gyakran az LTE-M kommunikációs modulok gyártói integrálódnak termékeikbe GNSS modulban, ami ösztönözheti az ilyen alkalmazásokat. Az LTE-M további előnye a VoLTE, amely lehetővé teszi a hangátvitelt. A paraméter a vonzereje az LTE-M hátrányára az NB-IoT kapcsolatában jelentkezik az akadályok közötti viszonylag rosszabb jelátvitelnél.

Műszaki jellemzők:

  • engedélyezett LTE 700 MHz-es frekvenciasáv – 2100 MHz (a csatornától függően)
  • teljes duplex vagy fél duplex
  • kis késés (10-15 ms)
  • adatátviteli sebesség <1 MB / s
  • támogatja a hangátvitelt (VoLTE technológia)
  • az eszközök firmware-ének frissítése a hálózaton keresztül
  • gyors váltás a hálózati cellák között
  • az NB-IoT áthatolhatóságánál az akadályok esetében gyengébb
  • nyilvános hálózati modell, használati díj a távközlési szolgáltatók számára
  • szabványosítás szerte a világon (tanúsítvány, biztonság)

Példák az alkalmazásokra:

  • elhelyezése a termékeknek a szállításban
  • hideglánc hőmérséklet-ellenőrzés

Országok, ahol NB-IoT és LTE-M hálózatok állnak rendelkezésre (2018 októberétől)

Nem engedélyezett sáv alapú kommunikációs technikák – LoRa és Sigfox

A Sigfox és a LoRa nem engedélyezett frekvenciasávokon alapul. Ennek bizonyos hátrányai vannak – a gyakorlatban ez különböző jelek átfedéséhez és zavarok előfordulásához vezethet. Ezért az adatátvitel sebessége viszonylag alacsony és néhány tíz kb/s.

A Sigfox – kommunikációs technológiát Franciaországban 2009 – ben egy azonos nevű cég hozta létre. A készülék működése közben nincs szükség a hálózat cellájával való kapcsolat fenntartására. Amikor az eszköz üzeneteket küld, az adatok elérik a legközelebbi bázisállomást. Elvileg a hálózatot a készülék nagyon kis adatcsomagok küldésére használja. A hálózatnak fénykommunikációs protokollja és adatátviteli korlátai vannak – naponta 140 üzenet, amelyek mindegyike legfeljebb 12 bájt adatot tartalmaz. A készülék naponta legfeljebb négy üzenetet fogadhat, amelyben 8 adat bájt található. A Sigfox a maga részéről ellenőrzi a hálózatot, hálózati infrastruktúrát biztosít és díjakat gyűjt a szolgáltatók közvetítői között.

Műszaki jellemzők:

  • nem engedélyezett frekvenciasáv (868 MHz – Európa, 915 MHz – USA)
  • nincs szükség a kapcsolat megtartására a bázisállomással
  • adatátviteli sebesség <50 kbps
  • az adatokat a Sigfox által biztosított felhőplatformon keresztül kell elküldeni
  • zárt technológia, csak egy hálózati szolgáltató (Sigfox), nincs lehetőség saját hálózatának építésére és vezérlésére
  • az eszköz nem igényel SIM-kártyát
  • 50 km-ig terjedő tartomány

Példák az alkalmazásokra:

  • környezeti érzékelők hálózata
  • a víztartályok vízszintjének ellenőrzése

LoRaWan (LoRa) – egy francia Cycleo cég által kifejlesztett kommunikációs technológia (a Semtech 2012-ben vásárolta meg). A technológia fejlesztését jelenleg a LoRa Alliance, egy nonprofit szervezet támogatja, amely több mint 250 tagvállalatot tömörít. A Sigfoxhoz hasonlóan nyilvánosan elérhető frekvenciasávot is használ. A LoRa hálózati architektúrája egy csillag topológián alapul, amelyben az átjárók hidak, amelyek átvitelt biztosítanak a végberendezések és a központi szerverek között. A végpontokkal való kommunikáció kétirányú lehet, amely nem csak az üzenetek fogadását, hanem az eszközök működésének vezérlését és a szoftverek frissítését is lehetővé teszi. További előnye, hogy a vezeték nélküli adatátvitel többi népszerű LPWAN szabványával ellentétben a magánhálózatok létrehozásának és a teljes körű ellenőrzésüknek a lehetősége is lehetséges. A maximális hatótávolság 15 km nyílt térben.

Műszaki jellemzők:

  • nem engedélyezett frekvenciasáv (169, 433, 868 MHz – Európa, 915 MHz Észak-Amerika)
  • kétirányú – félduplex (alternatív adatátvitel és vétel)
  • adatátviteli sebesség <50 kbps
  • nyílvános technológia, nincs díj
  • az eszköz nem igényel SIM-kártyát
  • 20 km-ig terjedő tartomány

Példák az alkalmazásokra:

  • utcai világításvezérlés
  • a mezőgazdasági termelés öntözőrendszerének ellenőrzése

Országok, ahol LoRa és Sigfox hálózatok állnak rendelkezésre