Technologie LPWAN: Która z nich jest najlepsza dla Twojej aplikacji IoT?

W tym artykule omówimy, w jaki sposób wybrać odpowiedni Sieć rozległa o niskim poborze mocy (LPWAN) dla masowej aplikacji Internetu rzeczy (IoT). Sieci LPWAN IoT stają się popularne ze względu na ich działanie na duże odległości i niski koszt. W tym celu pokrótce omówimy, co napędza LPWAN i jego rosnącą popularność. Następnie pokrótce porównamy główne technologie LPWAN w oparciu o ich specyfikacje i zastosowania. 

Dlaczego LPWAN jest popularna? 

LPWAN stała się popularna wraz z rozwojem masowych aplikacji IoT, które mają duży zasięg. Jednak nie tylko duży zasięg działania napędza popularność LPWAN, ale są też inne powody. Główne powody pojawienia się LPWAN można zidentyfikować w następujący sposób: 

• Protokoły takie jak ZigBee oraz BLE nie są w stanie obsługiwać operacji dalekiego zasięgu 
• Komunikacja komórkowa dalekiego zasięgu, taka jak 4G-LTE i 3G zużywały nadmierną ilość energii pomimo dobrego zasięgu 
• Wdrożenie communication na dużą odległość było stosunkowo kosztowne.

Dlatego też powyższe powody dały początek technologiom LPWAN, które miały duży zasięg na dużych odległościach, przy jednoczesnym niskim zużyciu energii do działania i niskim koszcie urządzenia. Czynniki te miały kluczowe znaczenie dla realizacji masowych aplikacji IoT, takich jak inteligentne miasta i inteligentne rolnictwo. Szacuje się również, że coraz więcej aplikacji IoT opartych na LPWAN będzie pojawiać się w przemyśle, gdzie 1 na 4 Przemysłowe aplikacje IoT (IIoT) do 2025 r. będą oparte na sieciach LPWAN.  

W związku z tym widzimy, że duży zasięg działania sięgający do 15 km w środowisku wiejskim, niskie zużycie energii prowadzące do żywotności urządzenia do 10 lat oraz niska złożoność urządzenia prowadząca do niskich kosztów urządzenia są głównymi siłami napędowymi popularności aplikacji IoT opartych na LPWAN. 

Techniczne porównanie różnych opcji LPWAN 

 Zanim przejdziemy do różnych opcji LPWAN, możemy podzielić technologie LPWAN na dwie odrębne kategorie, a mianowicie: 

• Licencjonowane LPWAN: Są to technologie LPWAN oparte na publicznym spektrum częstotliwości komórkowych. Przykłady licencjonowanych sieci LPWAN obejmują; NB-IoT oraz LTE-M. 
• Nielicencjonowane LPWAN: Są to technologie LPAN oparte na Nielicencjonowane widmo częstotliwości. Przykłady nielicencjonowanych sieci LPWAN obejmują; LoRaWAN oraz Sigfox. 

Wybór pomiędzy licencjonowaną i nielicencjonowaną siecią LPWAN zależy od wymagań aplikacji IoT, takich jak niezawodność, bezpieczeństwo i oczekiwana mobilność całego systemu. Mając podstawową wiedzę na temat różnych typów technologii LPWAN, przyjrzyjmy się teraz niektórym z nich. 

LoRaWAN jest znaną i zyskującą na popularności opcją LPWAN, która ułatwia działanie urządzeń zasilanych bateryjnie na dużych odległościach. Interesującą cechą Urządzenia LoRaWAN jest ich mniejsza złożoność, która zapewnia niższe koszty urządzeń. Opiera się na nielicencjonowanym spektrum częstotliwości i jest zdolny do dwukierunkowej komunikacji, z dobrą odpornością na zakłócenia. Zdolność do tworzenia prywatnych sieci sprawia, że LoRaWAN wyróżnia się na tle innych opcji LPWAN, które rozważymy w dalszej części tego artykułu. 

Sigfox to wąskopasmowa technologia opracowana przez startup we Francji, która najlepiej sprawdza się w aplikacjach o niskiej przepustowości, z większą dbałością o zużycie energii. Podobnie jak LoRaWAN, Sigfox działa w nielicencjonowanym spektrum częstotliwości, jednak ma ograniczone możliwości dwukierunkowej komunikacji co1TP14 w porównaniu do LoRaWAN. Wreszcie, Sigfox jest dostosowywany do aplikacji IoT w Ameryce Północnej i Europie, a obecnie rozszerza się na regiony takie jak Azja. 

NB-IoT jest jednak licencjonowaną siecią LPWAN, która działa w widmie częstotliwości komórkowych. Można ją uznać za odpowiedź dostawców sieci komórkowych na pojawienie się aplikacji IoT. Został on opracowany w oparciu o istniejącą sieć komórkową, aby umożliwić niską przepustowość, głęboki zasięg i wysoką wydajność widmową aplikacji IoT. Podobnie, LTE-M opiera się również na licencjonowanym spektrum częstotliwości komórkowych. W porównaniu do NB-IoT, LTE-M ma lepszą przepustowość i wysoki poziom bezpieczeństwa. 

Opcja LPWAN oparta na funkcjach IoT 

Porównajmy teraz nasze opcje LPWAN w oparciu o niektóre krytyczne funkcje IoT ważne dla naszych aplikacji IoT. Są to niektóre z głównych wymagań wielu aplikacji IoT w ogóle.  

• Jakość usług: Quality of Service (QoS) odnosi się do wysokiej jakości odbioru danych z dobrą odpornością na zakłócenia spowodowane czynnikami zewnętrznymi i możliwością zaspokojenia różnych poziomów wymagań użytkownika końcowego w zakresie danych. LoRaWAN i Sigfox mogą radzić sobie z zakłóceniami w hałaśliwym otoczeniu, ale używają asynchronicznych protokołów komunikacyjnych. Z drugiej strony, NB-IoT wykorzystuje synchroniczne protokoły komunikacji comm oparte na LTE, zwiększając w ten sposób swoją dostępność i optymalizując usługi QoS. Wiąże się to jednak z kosztami wdrożenia. Dlatego dla aplikacji IoT, które wymagają optymalnego QoS, NB-IoT jest najlepszą opcją. 

•  Mobilność: Odnosi się to do możliwości przesyłania danych do szybko poruszających się węzłów końcowych w sieci. LoRaWAN i Sigfox, choć są w stanie komunikować się na duże odległości, nie są zdolne do procedur przekazywania, co jest z natury możliwe w NB-IoT i LTE-M ze względu na wykorzystanie widma częstotliwości komórkowych i istniejącej infrastruktury komórkowej. 

• Koszt: Koszt jest głównym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu aplikacji IoT. W masowych aplikacjach IoT można to ocenić w trzech różnych głównych komponentach, a mianowicie: 
  1. Koszt widma 
  2. Koszt wdrożenia 
  3. Koszt urządzenia 

Jeśli chodzi o koszt widma, to oczywiście zarówno LoRaWAN, jak i Sigfox nie mają dodatkowych kosztów widma, ponieważ wykorzystują swobodnie dostępne nielicencjonowane widmo częstotliwości. Jednak zarówno NB-IoT, jak i LTE-M wykorzystują licencjonowane widmo częstotliwości, a zatem wymagają poniesienia kosztów zakupu widma częstotliwości od operatora sieci lub od regulacji sieci w danym regionie. Ponownie, pod względem kosztów wdrożenia, LoRaWAN i Sigfox mają niski koszt wdrożenia w porównaniu do NB-IoT i LTE-M. Sigfox miałby najniższy koszt urządzenia w porównaniu do LoRaWAN, podczas gdy koszt urządzenia dla NB-IoT może być większy niż $10 zasięgu. 

• Żywotność baterii: Wszystkie technologie LPWAN są w stanie bezczynności, gdy nie przesyłają danych przez sieć. Jednak technologie takie jak NB-IoT wykorzystują synchroniczne protokoły komunikacji comm, które wymagają dodatkowej energii do inicjalizacji komunikacji comm. Dlatego też urządzenia Sigfox i LoRaWAN klasy A są najlepszymi opcjami dla aplikacji, które wymagają dobrej żywotności baterii i wydajności. 

• Zasięg działania: LoRaWAN miałby najniższy zasięg wynoszący 12-14 km przy pracy w trybie LOS, podczas gdy Sigfox miałby zasięg 15-17 km. Jednak NB-IoT miałby zasięg 20-22 km ze względu na wykorzystanie istniejącej infrastruktury komórkowej. LTE-M miałoby jednak zasięg ograniczony zasięgiem 4G-LTE w regionie. 

• Bezpieczeństwo: Pod względem bezpieczeństwa sieci, LTE-M zapewnia najlepsze funkcje bezpieczeństwa w porównaniu z innymi technologiami LPWAN. 

Opcja LPWAN oparta na aplikacji IoT 

Chociaż różne czynniki, którym przyjrzeliśmy się do tej pory, pomagają nam w określeniu wykonalności określonej technologii LPWAN nad innymi, trudno jest podjąć decyzję, jeśli chodzi o konkretną aplikację IoT. Dlatego warto zbadać aplikacje IoT i określić, która technologia LPWAN najlepiej pasuje. 

• Pomiary elektryczne 

Pomiary elektryczne wymagają wyższych szybkości transmisji danych i dobrych opóźnień. Ponadto, jeśli chodzi o żywotność baterii, aplikacje te mogą być podłączone bezpośrednio do sieci, a nie działać na bateriach. Ponieważ LoRaWAN i Sigfox mają wysokie opóźnienia i niskie szybkości transmisji danych, możemy polegać na bardziej niezawodnym i mniej opóźnionym NB-IoT, aby realizować tego rodzaju aplikacje do pomiaru energii elektrycznej. 

• Inteligentne rolnictwo 

W inteligentnym rolnictwie musimy realizować urządzenia zasilane bateryjnie działające w dużym zasięgu. Co więcej, aplikacje te powinny być przystępne cenowo dla większości rolników i firm rolniczych. Dlatego też koszt jest czynnikiem krytycznym. Biorąc pod uwagę te czynniki, naszą opcją immediate dla tych aplikacji byłaby LoRaWAN lub Sigfox. 

• Inteligentny budynek 

Obejmują one monitorowanie temperatury budynku, wilgotności i monitorowanie innych inteligentnych urządzeń. W związku z tym nie jest konieczne ciągłe monitorowanie tych informacji i będziemy mieć urządzenia zasilane bateryjnie. Pomaga nam to zawęzić nasze opcje tylko do LoRaWAN i Sigfox dla tego rodzaju aplikacji IoT. 

• Branża produkcji i automatyzacji  

Obejmuje to monitorowanie stanu maszyn i ich dokładną kontrolę. Dlatego potrzebujemy częstego monitorowania i dobrej jakości usług dla tych aplikacji. To sprawia, że NB-IoT i LTE-M są najlepszymi opcjami do spełnienia tych wymagań. LTE-M może być używane, jeśli bardziej zależy nam na bezpieczeństwie. 

Wnioski 

W tym artykule pokrótce omówiliśmy różne dostępne opcje realizacji masowych aplikacji IoT. Podsumowując, możemy powiedzieć, że najlepsza opcja jest kompromisem naszych wymagań i różni się w zależności od aplikacji.