LPWAN kommunikációs technológiák az Internet of Things számára

Minden LPWAN kommunikációs technika közös jellemzője az akkumulátor élettartamának és a hosszú hatótávolság maximális meghosszabbítása. Az eszközök gyártója szempontjából a hosszú akkumulátor-élettartam mellett a legfontosabb a hálózat elérhetősége és képességei. Az előbb említett típusú kommunikációs technikák számos paraméterben, tehát funkcionalitásban különböznek egymástól.

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

A két legnépszerűbb vezeték nélküli kommunikációs technika, azaz a NB-IoT és az LTE-M szabványokat a 3GPP szabványosította a 13. „LTE Advanced Pro” kiadásában. A 3GPP egy 1998-ban létrehozott projekt a mobil hálózat fejlesztésének egységesítésére. Ezeket a kommunikációs technikákat egy engedélyezett frekvenciasáv különbözteti meg. A licencelt sáv használatának fő előnyei az interferencia hiány és az a képesség, hogy viszonylag nagy sebességgel továbbítson több adatot.

NB-IoT (keskeny sávú Internet of Things, más néven LTE Cat-NB1) – biztonságos, megbízható és mindenekelőtt hatékony LPWPA kommunikációs technológia. Az NB-IoT-t szabványosították a 3GPP-ben, és így a meglévő LTE infrastruktúra felhasználható az NB-IoT kapcsolatok biztosítására.
Az NB-IoT olyan helyhez kötött eszközök számára készült, amelyeket folyamatosan ugyanabban a hálózati cellában regisztráltak. Az akadályok magas behatolási szintje azt jelenti, hogy az NB-IoT eszközöket olyan helyekre lehet telepíteni, amelyek rádióval nem könnyen hozzáférhetők.

Technológiai jellemzők:

engedélyezett LTE 700 MHz frekvenciasáv – 2100 MHz (csatornától függően)
fél duplex (alternatív adatátvitel és vétel)
nagy késés (1,5 – 10 s)
adatátviteli sebesség <250 kbps
a hálózat egyik cellája 50-10000 eszközt támogat
nagy távolság a BTS-től (5 km – 50 km) az urbanizáció szintjétől és a természetes akadályoktól függően
nagyon jól áthatol az akadályokon, például a falakon
a 4G hálózati infrastruktúra alapján működik
hosszú regisztráció a hálózatban, a hálózati cellák közötti váltás jelentősen megnöveli az energiafogyasztást
nyilvános hálózati modell, használati díjak a távközlési szolgáltatók számára
szabványosítás világszerte (tanúsítvány, biztonság)
az eszköz firmware frissítése a hálózaton keresztül – FOTA (Firmware Over The Air)
nincs SMS és hang támogatás

Példák az alkalmazásokra:

helyhez kötött érzékelők a környezeti ellenőrzéshez
villanyórák (intelligens mérés)

LTE-M (Long Term Evolution for Machines, más néven Cat-M, Cat-M1) – az NB-IoT-hez hasonlóan a meglévő 4G hálózaton is működik és a 3GPP 13. kiadásában szabványosították. Az LTE-M használható olyan megoldásokban, ahol NB -IoT nem működik, azaz szállításban, ahol az eszköz gyorsan megváltoztatja a helyét a hálózat cellái között. Az LTE-M kommunikációs modulok gyártói gyakran beépítik termékeikbe a GNSS modult, ami ösztönözheti az ilyen alkalmazásokat. Az LTE-M további előnye a VoLTE, amely lehetővé teszi a hangátvitelt. Az a paraméter, amely az LTE-M rovására megy az NB-IoT vonatkozásában, az a viszonylag rosszabb jelátvitel az akadályokon keresztül.
Technológiai jellezők:

engedéllyel rendelkező LTE 700 MHz frekvenciasáv – 2100 MHz (a csatornától függően)
teljes duplex vagy fél duplex
kis késés (10 – 15 ms)
adatátviteli sebesség <1Mb / s
támogatja a hangátvitelt (VoLTE technológia)
az eszközök firmware-jének frissítése a hálózaton keresztül
gyors váltás a hálózati cellák között
gyengébb, mint az NB-IoT átjárhatósága az akadályokon keresztül
nyilvános hálózati modell, használati díjak a távközlési szolgáltatók számára
szabványosítás az egész világon (tanúsítás, biztonság)

Példák az alkalmazásokra:

meghatározó a tárgyak a szállításban
hideglánc hőmérséklet-figyelés

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

Engedély nélküli sáv alapú kommunikációs technikák – LoRa és Sigfox

A Sigfox és a LoRa engedély nélküli frekvenciasávokon alapul. Ennek vannak bizonyos hátrányai – a gyakorlatban a különböző jelek átfedéséhez és zavarok előfordulásához vezethet. Emiatt az adatátvitel sebessége viszonylag alacsony, és mindössze néhány tucat kb/s-ot tesz ki.

A Sigfox – kommunikációs technológiát 2009-ben hozta létre Franciaországban egy azonos nevű cég. Amíg az eszköz működik, nem szükséges fenntartani a kapcsolatot a hálózat cellájával. Amikor a készülék üzeneteket küld, az adatok eljutnak a legközelebbi bázisállomásra. Elvben a hálózatot az eszköznek kell használni, amely nagyon kicsi adatcsomagokat küld. A hálózatnak könnyű a kommunikációs protokollja és adatátviteli korlátai vannak – napi 140 üzenet, amelyeknek mindegyike legfeljebb 12 bájt adatot tartalmazhat. Egy eszköz naponta legfeljebb négy üzenetet képes fogadni, amelyekben 8 adat byte található. A Sigfox a maga részéről ellenőrzi a hálózatot, biztosítja a hálózati infrastruktúrát és beszedi a díjakat a szolgáltatók értékesítésében közvetítő szolgáltatóktól.
Technológiai jellemzők:

engedély nélküli frekvenciasáv (868 MHz – Európa, 915 MHz – USA)
nincs szükség a kapcsolat fenntartására 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 hálózat kiépítésére és irányítására
az eszköz nem igényel SIM-kártyát
hatótávolsága legfeljebb 50 km

Példák az alkalmazásokra:

környezeti érzékelők hálózata
a víztározók vízszintjének figyelemmel kísérése

LoRaWan (LoRa) – a Cycleo nevű francia vállalat által kifejlesztett kommunikációs technológia (amelyet a Semtech 2012-ben vásárolt meg). Jelenleg ennek a technológiának a fejlesztését a LoRa Alliance nevű nonprofit szervezet koordinálja, amely több mint 250 tagvállalatot tömörít. A Sigfoxhoz hasonlóan egy nyilvánosan elérhető frekvenciasávot használ. A LoRa hálózati architektúra egy csillag topológián alapul, amelyben a gatewayek olyan hidak, amelyek átvitelt biztosítanak a végberendezések és a központi szerverek között. A végpontokkal való kommunikáció kétirányú lehet, amely nemcsak üzenetek fogadását teszi lehetővé, hanem az eszközök működésének vezérlését és azok szoftverének frissítését is. További előny, ellentétben a vezeték nélküli átvitel más népszerű LPWAN szabványaival, a magánhálózatok létrehozásának és a felettük történő teljes ellenőrzés fenntartásának lehetősége. A maximális hatótávolság 15 km szabadtéren.
A technológiai jellemzők:

engedély nélküli frekvenciasáv (169, 433, 868 MHz – Európa, Észak-Amerika 915 MHz)
kétirányú – fél duplex (alternatív adatátvitel és vétel)
adatátviteli sebesség <50 kbps
nyitott technológia, díjak nélkül
az eszköz nem igényel SIM-kártyát
hatótávolsága 20 km

Példák az alkalmazásokra::