Najważniejsze systemy łączności bezprzewodowej dla IoT

Najważniejsze systemy łączności bezprzewodowej dla IoT

Kluczową cechą wszystkich aplikacji z dziedziny Internetu Rzeczy jest możliwość efektywnej wymiany danych, zarówno pomiędzy samymi urządzeniami, jak i z globalną siecią udostępniającą szereg usług chmurowych. Z powodu różnorodności zastosowań komunikacja poprzez Wi-Fi stała się niewystarczająca w wielu przypadkach i dlatego powstało kilka nowych technologii przeznaczonych do bezprzewodowego przesyłania zwłaszcza niewielkich pakietów danych i przede wszystkim na duże odległości. Ponad to nowe rozwiązania odznaczają się niezwykle niskim zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Omówimy trzy standardy, które obecnie dominują – LoRa, SigFox i NB-IoT.

Mówiąc o Internecie Rzeczy (IoT) i nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej nie sposób uniknąć używania popularnych buzzwordów, jednak należy pamiętać, że za każdym takim słowem kryją się konkretne aplikacje, rozwiązania technologiczne i potrzeby biznesowe. Podkreślić trzeba zwłaszcza ten ostatni aspekt – firmy inwestują ogromne środki w rozwój nowych technologii, pomieważ opierają się na twardych danych, dotyczących potrzeb rynków, a te okazują się być bardzo duże.

Mówiąc o Internecie Rzeczy mamy na myśli urządzenia (Rzeczy), które są ze sobą w jakiś sposób połączone (Internet). W tym przypadku, mamy na myśli systemy w pewnym sensie inteligentne, które są w stanie zbierać i przekazywać dane z czujników lub reagować na sygnały i bodźce. Obejmuje to urządzenia od tak prostych elementów, jak np. włączniki światła sterowane przez Wi-Fi czy stacje meteorologiczne aż do kamer wideo z wbudowanymi algorytmami widzenia maszynowego, zdolne do rozpoznawania twarzy czy systemy logistyczne, montowane w autobusach, które w czasie rzeczywistym monitorują lokalizację pojazdu na trasie, aby na przystankach prezentować rzeczywisty czas przyjazdu autobusu. To, co unifikuje wszystkie te systemy to fakt, że funkcjonują one w jakiejś sieci umożliwiającej wymianę danych, po to, aby komunikować się z pozostałymi elementami systemu. W większości przypadków nie ma innej możliwości niż użycie sieci bezprzewodowych.

W jakim celu, dla kogo i jak?

Te pytania są kluczowe w przypadku nowatorskich aplikacji. Większość omawianych w tym artykule rozwiązań komunikacji bezprzewodowej jest przeznaczonych do systemów Internetu Rzeczy. Mówiąc o IoT nie sposób uniknąć tematyki komunikacji, jak podkreślono to we wstępnych akapitach. Z samej definicji, jak i nazwy, wynika, że systemy IoT muszą być podłączone do jakiegoś rodzaju sieci (Internetu). W kontekście łączenia ze sobą urządzeń IoT mówimy na ogół o sieciach LPWAN (Low Power Wide Area Network), które jak sama nazwa wskazuje, charakteryzują dwa kluczowe aspekty: Low Power, czyli niskie zużycie energii oraz Wide Area, czyli duży zasięg.

Mówiąc o minimalizacji mocy pobieranej przez moduł komunikacji bezprzewodowej musimy pamiętać, że urządzenia IoT, w których najczęściej montowane są moduły komunikujące się z pomocą sieci LPWAN, są na ogół zasilane bateryjnie. Chcemy, aby wymiana baterii w urządzeniu, czy też konieczność jego ładowania (w przypadku zastosowania akumulatora w układzie) była możliwie rzadka – obecnie wiele mówi się o systemach, które serwisować trzeba raz na rok i rzadziej, więc należy wymagać od urządzenia poboru mocy na poziomie, który by to umożliwiał. Oczywiście, na wypadkowy czas pracy na baterii systemu LPWAN wpływ ma wiele czynników, nie tylko sam pobór mocy przez moduł komunikacyjny, jednak w wielu przypadkach, jest on dominujący lub przynajmniej nie bez znaczenia, dla całkowitego budżetu mocy.

Jeśli chodzi z kolei o zasięg, to sieci WAN nie mają ścisłej definicji, jednak mówiąc o takiej sieci ma się na myśli infrastrukturę regionalną, krajową czy nawet większą. Dla uproszczenia przyjmijmy, że mówiąc o sieciach LPWAN również na myśli mamy duży zasięg, minimalnie na poziomie całego, dużego miasta.

Wielka Trójka

Obecnie na rynku mówi się o trzech technologiach, jako dominujących rozwiązaniach w zakresie bezprzewodowej komunikacji LPWAN. Dynamika „starcia” pomiędzy nimi jest ogromna, co tym bardziej jest ciekawe, gdyż technologie te różnią się w pewnych kluczowych aspektach i rozwiązaniach. W zasadzie, jedyną rzeczą, która je łączy, to aplikacje w systemach komunikacji LPWAN.

Na rynku obecne są aktualnie trzy rozwiązania – sieci LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Sigfox oraz NB-IoT (Narrowband Internet of Things). Przyjrzyjmy się w dalszej części artykułu bliżej tym standardom. W poniższych akapitach znaleźć można rys historyczny powstawania poszczególnych technologii, a także uproszczony opis sposobu ich działania. W dalszej części artykułu postaram się z kolei porównać je od strony aplikacyjnej, co – mam nadzieję – pozwoli na podjęcie odpowiedniej decyzji przy wyborze systemu do zastosowania we własnych projektach.

LoRa

Historia LoRa rozpoczęła się w 2009 roku, kiedy dwóch przyjaciół z Francji zmierzyło się z próbą opracowania technologii modulacji sygnałów radiowych, która miała by zaoferować duży zasięg i mały pobór mocy transceiverów. Pomimo napotkania szeregu problemów po drodze, jak to często bywa w przypadku większości przełomowych technologii, Nicolas Sornin i Olivier Seller nadal poświęcali swój czas na urzeczywistnienie tego pomysłu. W 2010 roku do Nicolasa i Oliviera dołączył trzeci partner, François Sforzę. Wspólnie założyli oni firmę Cycleo. Początkowo trzej założyciele skupili się na branży pomiarowej i mieli na celu dodanie możliwości komunikacji bezprzewodowej dla liczników gazu, wodomierzy i mierników zużycia energii elektrycznej.

Aby sprostać postawionemu sobie zadaniu wykorzystali technologię modulacji rozproszonej CSS (Chirp Spread Spectrum), dotychczas szeroko stosowaną w sonarach w przemyśle morskim i radarach w lotnictwie. Jest ona często spotykana także w królestwie zwierząt – te fizyczne zjawisko jest stosowane przez delfiny i nietoperze do wykrywania ryb czy owadów w ich biologicznym odpowiedniku sonaru. Firma Cycleo nie wymyśliła technologii CSS, ale zainicjowała użycie tej technologii do przesyłania danych.

Przekonana o dużych możliwościach tego wynalazku, firma Semtech nabyła Cycleo w maju 2012 roku. Wtedy rozpoczęła się prawdziwa komercjalizacja tej technologii. Semtech współpracował z Nicolasem, Olivierem i François, aby dalej ulepszać technologię, co pozwoliło sfinalizować rozwój i stworzyć układy wymagane dla urządzeń końcowych (SX1272 i SX1276), jak i dla bramek (SX1301). Jednocześnie stworzono autorski protokół MAC o nazwie LoRaMAC, który, między innymi, określił formaty wiadomości i sprecyzował opis warstwy bezpieczeństwa dla prawdziwego protokołu sieciowego.

W lutym 2015 roku utworzono LoRa Alliance, a protokół sieciowy został przemianowany na LoRaWAN – nazwę, pod którą funkcjonuje do dzisiaj. Celem LoRa Alliance było i nadal jest „wspieranie i promowanie globalnego przyjęcia standardu LoRaWAN poprzez zapewnienie interoperacyjności wszystkich produktów i technologii LoRaWAN”, jak przeczytać można w oficjalnych dokumentach LoRa Alliance. Kluczową firmą, zaangażowaną w rozwój i popularyzację LoRaWAN i całego ekosystemu pozostaje nadal Semtech.

Rysunek 1. Sygnał świergotowy

U podstaw systemu LoRa leży modulacja CSS. W systemach komunikacji cyfrowej, Chirp Spread Spectrum to technika korzystająca z tzw. szerokiego widma (spread spectrum), która wykorzystuje szerokopasmowe impulsy chirp o modulowanej częstotliwości do kodowania informacji. O sygnale świergotowym (chirp) mówimy wtedy, gdy jego częstotliwość zmienia się monotonicznie w czasie – rośnie lub maleje w czasie trwania impulsu (rysunek 1). Związek częstotliwości sygnału z czasem może być liniowy, ale często wyrażany jest za pomocą funkcji wykładniczej. Podobnie jak w przypadku innych metod używających widma rozproszone, sygnał świergotowy optymalnie korzysta z całego przydzielonego mu pasma do nadawania sygnału, dzięki czemu jest bardzo odporny na szum. Ponadto, ponieważ działa w szerokim paśmie, sygnał taki jest również bardzo odporny na zanikanie wielodrogowe, nawet podczas pracy przy bardzo małej mocy nadajnika. Dodatkowo sygnał typu chirp jest odporny na efekt Dopplera, który jest istotnym problemem w zastosowaniach w radiokomunikacji mobilnej.

LoRa to sieć o topologii gwiazdy, rzadziej drzewa hybrydowego. W centralnym miejscu sieci LoRa znajduje się tzw. bramka, która podłączona jest z jednej strony do sieci LoRa, a z drugiej strony np. do Internetu (rysunek 2).

Rysunek 2. Typowa struktura aplikacji z użyciem komunikacji LoRa

SigFox

 Sigfox to francuski globalny operator sieci założony w 2010 roku, który buduje sieci bezprzewodowe w celu łączenia obiektów o niskim poborze mocy, takich jak liczniki energii elektrycznej i smartwatche, które muszą być stale włączone i przesyłać niewielkie ilości danych. Sigfox został założony przez dwóch Francuzów – przez Ludovica Le Moana i Christophe Fourteta w 2009 roku. Założeniem było stworzenie sieci, która pozwoliłaby na połączenie ze sobą „każdego urządzenia na świecie”, jak zapowiadali założyciele. Sieć ta miała być stosowana do nawiązywania połączenia w sposób całkowicie niezależny od m.in. sieci komórkowych.

Podstawowe założenia systemu były podobne, jak te, które przyświecają innym systemom LPWAN – niski pobór mocy, duży zasięg i mała ilość przekazywanych danych w postaci usługi łączności typu end-to-end. Wizja ta spodobała się wielu inwestorom, dlatego też firmie udało się zgromadzić pokaźne środki na rozwinięcie technologii.

W ciągu zaledwie kilku lat Ludovic Le Moan zebrał prawie 300 milionów euro od inwestorów strategicznych i finansowych w Europie, Stanach Zjednoczonych i Azji, aby wesprzeć ekspansję swojej globalnej sieci. Jest on także współzałożycielem „IoT Valley”, pierwszego w Europie ekosystemu IoT, który ma pomóc start-upom przyspieszyć wdrażanie rozwiązań Internetu Rzeczy.

Aktualnie sieci te są obecne w 75 krajach i regionach na świecie. Sigfox szczyci się tym, że jest pierwszym graczem, który zbudował największy ekosystem IoT na świecie, integrujący w sobie podmioty od wielkich producentów po setki start-upów i producentów urządzeń na czterech kontynentach. Chociaż w większości krajów współpracują z istniejącymi dostawcami sieci, to systemy Sigfoxa działają niezależnie w USA, Hiszpanii, Francji i Niemczech. Firma nie poprzestaje na tym i planuje dalszą ekspansję na kolejne rynki, jak i poprawianie dostępu do Sigfoxa w krajach, w których sieć ta jest już obecna.

Sigfox, to jednocześnie nazwa firmy i protokołu, jaki jest stosowany we flagowej technologu spółki. Do transmisji danych Sigfox stosuje różnicowe kluczowanie z binarnym przesunięciem fazy (DBPSK) i kluczowanie z przesunięciem częstotliwości Gaussa (GFSK), które umożliwiają komunikację przy użyciu otwartego fragmentu pasma radiowego przeznaczonego do zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych. W Europie jest to pasmo w okolicach 868 MHz, a w USA okolice 902 MHz. Jest to sygnał o dużym zasięgu, który swobodnie przechodzi przez obiekty stałe, jest nazywany Ultra Narrowband i wymaga niewielkiej ilości energii do pracy. Sieć Sigfox jest oparta na jednoskokowej topologii gwiazdy i wymaga od zewnętrznego operatora np. telefonii komórkowej przenoszenia generowanego ruchu. Sygnał można wykorzystać do łatwego pokrycia dużych obszarów, jak i dotarcia do obiektów podziemnych.

NB-IoT

 Technologia Narrowband-IoT (wąskopasmowy Internet Rzeczy) to element standardu 3GPP, opracowanego dla systemów telefonii komórkowej. NB-IoT dodane zostało do standardu 3GPP w wersji 13, która zatwierdzona została w czerwcu 2016 roku. 3GPP to branżowe porozumienie organizacji standaryzacyjnych, zajmujących się telefonią komórkową i powiązanymi technologiami. W ramach tego porozumienia normalizowane są protokoły komunikacyjne dla telekomunikacji mobilnej. Porozumienie to zajmuje się, między innymi, rozwojem i utrzymaniem norm związanych z:

  • GSM i związanymi z nim normami komunikacji 2G i 2.5 G w tym GPRS oraz EDGE;
  • UMTS i związanymi normami 3G, włączając w to HSPA i HSPA+;
  • LTE i powiązanymi z nim normami 4G w tym LTE Adavnced oraz LTE Advanced Pro;
  • Technologiami 5G NR oraz 5G, włącznie z tzw. 5G-Advanced, które są obecnie na etapie rozwoju konceptualnego.

NB-IoT zdefiniowane jest w ramach LTE Advanced Pro i jest de facto częścią komunikacji 4G, która dostosowana została do wymagań systemów Internetu Rzeczy i komunikacji LPWAN. Istotną zaletą tego rozwiązania, jest integracja z systemami telefonii komórkowej, a co za tym idzie możliwość szerokiej implementacji w wielu miejscach – nie ma potrzeby budowania nowej infrastruktury, gdyż w większości miejsc na świecie takowa już istnieje. Oczywiście nie oznacza to, że automatycznie gdziekolwiek mamy zasięg telefonu komórkowego, tam działać mogą urządzenia NB-IoT – w dalszej części artykułu omówione zostaną różnice techniczne, które stanowią o specyfice tej implementacji komunikacji LTE.

Drugim plusem użycia tego systemu, jest fakt, iż większość modemów komunikujących się z NB-IoT jest sterowana podobnie, łącznie ze starszymi modemami 2G lub 3G. Oznacza to, że możliwa jest łatwa migracja wielu starszych urządzeń na NB-IoT (o ile jest to możliwe biznesowo i technicznie). To niezwykle istotne, jako że w najbliższym czasie można się spodziewać końca sieci 2G i 3G – np. Orange ogłosił już daty wyłączenia tych systemów. W Polsce 3G wyłączone zostanie już za dwa lata – w 2025 roku, a 2G dołączy do niego pięć lat później. Wyłączenie tych sieci ma zwolnić część pasma, które będzie można użyć do zwiększenia przepustowości i zasięgu sieci nowszych generacji.

Aspekt technologiczny – porównanie

W przypadku komunikacji LoRa dane cyfrowe kodowane są w kierunku zmiany częstotliwości – z dołu do góry bądź z góry w dół (rysunek 3). Szerokość widma, jak i czas trwania świergotu zależne są od konkretnej implementacji (istnieje szereg standardowych wartości), która z kolei wynika m.in. z miejsca na świecie, gdzie używany jest system – różne kraje posiadają różne szerokości pasma i zakresy częstotliwości, przeznaczone dla komunikacji tego rodzaju.

Rysunek 3. Zarejestrowany spektrogram sygnału w modulacji LoRa. Z lewej strony pokazana została tzw. preambuła, niezawierająca danych, na której widać w jaki sposób wygląda sygnał modulujący, którego zakres częstotliwości definiuje szerokość pasma. Zmodulowany sygnał został pokazany na przebiegu po prawej stronie

Sieć LoRa jest siecią, w której każde urządzenie może zainicjować komunikację. Pakiet zaczyna się od charakterystycznego układu świergotów – osiem impulsów o częstotliwości rosnącej (up-chirp), tak zwana preambuła oraz dwa impulsy o częstotliwości opadającej (analogicznie down-chirp), które formują tzw. impulsy synchronizujące, pozwalające na synchronizację pomiaru czasu. Jest to istotne, ponieważ dalsze komendy są ściśle zależne czasowo. Za tymi dziesięcioma impulsami, rozpoczynającymi pakiet, następują dane w postaci symboli kodujących osiem bitów każdy oraz, opcjonalnie, znaki CRC do korekcji błędów transmisji (tylko w uplinku).

W przypadku Sigfoxa stosowane jest popularniejsze kluczowanie binarne różnicowe z przesunięciem fazowym (DBPSK). Jest to powszechny rodzaj modulacji fazy, który stosuje się, aby kodować dane poprzez zmianę fazy fali nośnej. W kodowaniu DPSK faza modulowanego sygnału jest przesuwana względem poprzedniego elementu sygnału, o 180°, aby zakodować jeden znak lub nie jest zmieniana, aby zakodować drugi znak – stąd binarność w nazwie. Dzięki temu sygnały DPSK nie potrzebują synchronicznej (koherentnej) nośnej w demodulatorze. Na rysunku 4 został pokazany typowy przebieg DBPSK.

Rysunek 4. Uproszczony przebieg kodowany DBPSK

Ramka w komunikacji Sigfox jest dosyć skomplikowana. Dodatkowo, ramki przesyłane przez urządzenie (uplink) i do urządzenia (downlink) różnią się między sobą strukturą, a także maksymalną liczbą danych, jaką można w takiej ramce umieścić. Na rysunku 5 pokazano struktury obu ramek. W przypadku uplinku, ramkę rozpoczynają 4 bajty preambuły i 2 bajty synchronizacyjne. Następnie umieszczony jest w niej ID urządzenia docelowego (tj. bramki sieci) i payload, czyli przesyłane dane. Pakiet kończą bajty autoryzacyjne i tzw. FCS, czyli bajty kontrolne ramkę, pełniące rolę analogiczną do CRC w innych protokołach.

Rysunek 5. Struktura ramki transmisji Sigfox

Przesyłane w drugą stronę ramki mają podobne elementy. Tak samo jak w uplinku, ramkę rozpoczynają preambuła i bajty synchronizacyjne, te mają tutaj, odpowiednio, 4 bajty i niecałe dwa bajty (13, a nie 16 bitów). Następnie przesyłane są flagi (2 bity), FCS (1 bajt), dane autoryzacyjne (2 bajty) i kody błędu (o różnej długości). Finalnie znajduje się payload o długości do 8 bajtów.

To, co jest szczególne w przypadku pakietów danych w ramce, to tzw. padding danych. Wynika to z faktu, że ramka danych nie może mieć dowolnej liczby bajtów. W przypadku uplinku payload przyjmować może długość 0, 1, 4, 8 lub 12 bajtów. Jeśli nasze dane są krótsze, niż jedna z tych wartości, to dodawane są dodatkowe bity, które mają uzupełnić dane, do wymaganej długości. Jest to o tyle istotne, iż długość pakietu danych ma wpływ na czas transmisji pakietu – odpowiednie dobranie przesyłanych danych i ich formatu (np. przesyłanie wartość bitowo, a nie w postaci znaków ASCII) może istotnie wpłynąć na czas transmitowania pakietów danych – różnica czasu transmisji pomiędzy 12 bajtami a 1 bajtem jest niemalże dwukrotna.

Czas transmisji nie jest tutaj kluczowy w kontekście przepustowości łącza – to i tak jest znacznie mocniej ograniczone innymi czynnikami, ale jest krytyczny w kontekście zużycia energii, a to jest w LPWAN znacznie bardziej istotne. Dwa razy dłuższy czas nadawania, oznacza dwa razy dłużej włączony wzmacniacz mocy w module nadawczym, więc w przybliżeniu podwojenie zużycia energii przez moduł komunikacyjny w urządzeniu (który w wielu urządzeniach IoT jest dominującym konsumentem prądu).

Jeśli chodzi o ograniczenia prędkości, to standard Sigfox przyjmuje prędkość transmisji równą 100 bitów na sekundę, jednak nie to jest kluczowym ograniczeniem. Sam standard ogranicza twardo liczbę komunikatów, jaką wysłać można z pojedynczego urządzenia do 140 pakietów uplink na dobę. Wynika to z faktu, że obecna wersja Sigfoxa korzysta z publicznych częstotliwości radiowych (tzw. pasma ISM) i musi przestrzegać zasad współdzielenia pasma („cyklu pracy”). Przepisy te wprowadzono po to, aby pasma te były dostępne dla wszystkich. W Europie rozporządzenie ETSI zezwala urządzeniom nadawać w tym pasmie 1% czasu w przeliczeniu na godzinę, co oznacza nadawanie przez 36 sekund w czasie godziny. Wysłanie wiadomości zajmuje urządzeniu około 6 sekund, co daje 6 wiadomości na godzinę i 144 wiadomości na dobę. Sigfox założył zapas 4 wiadomości na dobę do wewnętrznego użytku protokołu i ograniczył system do 140 wiadomości na dobę.

Trzeci z omawianych standardów – Narrowband-IoT, ma dwa standardy – LTE Cat NB1 oraz LTE Cat NB2. Wbrew temu, co można by wywnioskować, nie jest to rozwinięcie systemów LTE, a zupełnie nowy standard transmisji, który jednak mocno bazuje na rozwiązaniach warstwy fizycznej LTE. Od strony praktycznej, transmisja NB-IoT ograniczona jest do 26 kbit/s i 127 kbit/s dla downlinku (pobierania danych do urządzenia IoT) dla, odpowiednio, LTE Cat NB1 oraz LTE Cat NB2 i analogicznie 66 kbit/s i 159 kbit/s dla uplinku.

Perspektywy biznesowe

Każde z tych rozwiązań związane jest z innym modelem biznesowym, co sprawia, że porównanie ich pomiędzy sobą wprost nie jest możliwe. Z drugiej strony, obszary aplikacji tych systemów pokrywają się, więc obszar, gdzie takie porównanie jest konieczne jest istotny. W poniższych akapitach przyjrzymy się specyfice modeli biznesowych poszczególnych rozwiązań LPWAN, a następnie rozważymy implikacje tych modeli.

W analizie perspektyw biznesowych poszczególnych rozwiązań stroniłbym od podawania dokładnych kwot, ponieważ na ogół są one uzależnione od wielu czynników. Firmy telekomunikacyjne często oferują swoim klientom rabaty czy uzależniają ceny od przewidywanego wolumenu sprzedaży, a ceny finalnie i tak są negocjowalne. Ponadto, jeśli w artykule zostałyby podane ceny, to najpewniej nie pozostaną one aktualne przez dłuższy czas, a mam nadzieję, że pozostała treść przydatna będzie elektronikom, przez co najmniej kilka najbliższych lat, aż do czasu, gdy rewolucja, związana z popularyzacją IoT, nie dojdzie do kolejnej, stabilnej pozycji.

LoRa Alliance ma bardzo prostą strategię na rozwój ekosystemu, jak i na swój modelu biznesowego. Można powiedzieć w skrócie, że ich podejście jest bardzo otwarte. Wynika to między innymi z faktu, że specyfikacja regulująca sposób zarządzania siecią jest stosunkowo otwarta. Każdy może pobrać specyfikacje systemu i dołączyć do LoRa Alliance, a każdy producent sprzętu lub bram może zbudować moduł lub bramę zgodną ze specyfikacjami LoRa. Haczyk polega na tym, że jedyną firmą, która dostarcza scalone moduły radiowe dla LoRa jest Semtech. Niektórzy producenci stosują układy Semtecha do produkcji układów typu system-in-package, a inni korzystają z IP Semtecha w środku… tak, więc, chociaż sam ekosystem jest otwarty, kluczowy element jest zamknięty i kontrolowany przez jeden podmiot. Wpływa to także na model biznesowy wykorzystania LoRa. Jako użytkownik płacimy jednorazowo za technologię, która znajduje się w bramkach i transceiverach, montowanych w urządzeniach Internetu Rzeczy – korzystając z otwartego, ogólnodostępnego pasma, to jedyna opłata, jaką ponosimy w czasie całego cyklu życia systemów LoRa. Oczywiście, przy założeniu, że korzystamy z własnej infrastruktury w postaci bramki (lub bramek) podłączonych do sieci.

Przyjęty przez Semtech i LoRa Alliance model biznesowy ma też inne implikacje. Jedną z nich jest potencjał LoRaWAN do elastyczności — standard i rozwój nie jest popychany przez jedną, konkretną firmę. W praktyce skutkuje to jednak wolniejszym rozwojem, ponieważ wszystkie standardy tworzone są przez komisję skupiającą różne spółki. jednak, jak wierzy LoRa Alliance, otwartość przyspiesza adopcję, więc każdy może dołączyć do grupy i zbudować własny sprzęt, który będzie wspierał LoRaWAN.

Tutaj jednak pojawiają się dodatkowe głosy w zakresie tego, w jakim kierunku iść ma rozwój LoRa. Prowadzone są dyskusje na temat roamingu między sieciami. Modele biznesowe, jak i technologia wokół tego pomysłu nie zostały jeszcze rozwinięte. Obecnie jednym z następnych kroków może być ustalenie, jak w ogóle umożliwić roaming pomiędzy sieciami. Kolejnym pytaniem będzie oczywiście dopasowanie modelu biznesowego firm, szczególnie tych, które zdecydują się na świadczenie usług dostępu do sieci (udostępniania bramek LoRa). Na ten moment jednak, bezpiecznie możemy założyć, iż w przypadku LoRa, samodzielnie kupujemy tak centralny punkt sieci – bramkę, jak i moduły w urządzeniach IoT, które się z nią komunikują.

Model biznesowy Sigfox przyjmuje z kolei podejście odgórne. Firma jest właścicielem całej swojej technologii i infrastruktury, od backendu danych i serwera w chmurze po oprogramowanie punktów końcowych. Wyróżnikiem jednak jest to, że Sigfox jest zasadniczo otwartym rynkiem dla samych punktów końcowych. Sigfox udostępnia swoją technologię punktów końcowych dowolnemu producentowi układów scalonych itp. o ile oczywiście zostaną uzgodnione pewne warunki biznesowe pomiędzy nimi – z punktu widzenia klienta docelowego te umowy nie są istotne. Znaczacy producenci, tacy jak STMicroelectronics, Microchip czy Texas Instruments, produkują moduły radiowe Sigfoxa ponosząc przy tym minimalne koszty. Sigfox uważa, że utrzymanie niskich kosztów aplikacji technologii jest krytyczne, aby skierować ludzi na swój rynek.

Moduły końcowe Sigfox używają standardowych modułów radiowych MSK i są dzięki temu stosunkowo tanie. Można kupić taki chip za kilka dolarów, a cały moduł za mniej niż 10 w dużych ilościach, więc partnerzy Sigfoxa nie przynoszą firmie dużo pieniędzy z samego sprzętu. Sigfox zarabia pobierając od operatorów sieci opłaty z tytułu dostępu do swojej technologii. Innymi słowy, Sigfox niemalże rozdaje sprzęt, ale sprzedaje oprogramowanie/sieć, jako usługę. W niektórych przypadkach firma faktycznie wdraża też własne sieci i działa, jako operator. Tak jest m.in. we Francji i Stanach Zjednoczonych. Kupując tam usługę dostęp do komunikacji LPWAN w sieci Sigfox, kupujemy ją bezpośrednio od Sigfoxa. Ostatecznym celem Sigfox jest pozyskanie dużych operatorów sieci z całego świata do wdrażania swojego rozwiązania. W tym celu spółka zebrała już ponad 300 milionów euro i ma ogromny zasięg globalny. W listopadzie 2020 roku sieć Sigfox IoT obejmowała łącznie 5,8 miliona kilometrów kwadratowych w 72 krajach. Na tym terenie mieszka 1,3 miliarda osób – zauważalna część światowej populacji. Zasięg Sigfox w Polsce został pokazany na rysunku 6.

Rysunek 6. Zasięg sieci Sigfox w Polsce

Na temat NB-IoT, od strony biznesowej, można pisać dużo, jednak zasadniczo, niczym nie różni się ono od innych rozwiązań, opierających się na telefonii komórkowej. Takowe znane są już w elektronice od dawna, od czasów 2G. Analogicznie, jak w starszych technologiach, do NB-IoT nabywamy kartę SIM (czy to w postaci fizycznego SIM, wbudowanego eSIM, czyli układu scalonego, lutowanego na PCB, który konfigurowany jest programowo) i opłacamy pakiety danych. Występują tutaj obecnie pewne problemy – np. brak roamingu pomiędzy sieciami, czy za granicą u niektórych operatorów, jednak tego rodzaju trudności uznać można za przejściowe i zrzucić na karb młodego wieku technologii i powolnego tempa wdrażania rozwiązania przez dużych (a co za tym idzie bardzo bezwładnych w zakresie zmian) operatorów telefonii komórkowej.

W tabeli 1 przygotowano porównanie kluczowych aspektów trzech wymienionych tutaj technologii.

Gdzie podążamy?

To pytanie jest kluczowe przy wybieraniu rozwiązania do naszej aplikacji. Jest to szczególnie istotne, jeśli projektowany system jest przeznaczony do, co najmniej kilkuletniego działania. A tak właśnie jest w przypadku ogromnej ilości systemów IoT, wykorzystujących komunikację poprzez LPWAN. Ma to sens tym bardziej, że jeśli projektujemy np. bezprzewodowy, energooszczędny sensor, w którym baterie wymienia się np. średnio raz do roku – typowy czas stosowania takiego sensora to co najmniej kilka lat. Dodatkowo, takie układy są raczej prostymi urządzeniami, więc nie ma się co spodziewać, że nagły postęp technologii spowoduje konieczność aktualizacji projektu.

Do niedawna, ciągle mówiono o wyścigu trzech opisanych technologii o palmę pierwszeństwa. Obecnie Sigfox boryka się z pewnymi problemami i realizowana aktualnie restrukturyzacja może uratować albo pogrążyć firmę. Z kolei wyłączane sukcesywnie sieci 2G i 3G napędzają migrację na systemy NB-IoT, jako de facto najbardziej zbliżone i wymagające najmniejszej zmiany paradygmatu tworzenia urządzeń Internetu Rzeczy.

Na początku tego roku media branżowe doniosły, że Sigfox, mimo zebrania ponad 300 milionów dolarów w funduszach joint venture itp. złożył wniosek o ochronę upadłościową we Francji, wskazując na wolniejszą niż planowano sprzedaż swoich produktów i wyzwanie związane z COVID-19. Ochrona ta pociąga za sobą restrukturyzację, która początkowo potrwać ma sześć miesięcy i doprowadzić do znalezienia nabywcy spółki, aby kontynuować długoterminowy rozwój Sigfox i utrzymać miejsca pracy. Procedura ta pozwoli Sigfoxowi kontynuować wszelkie działania komercyjne w celu dostarczania klientom usług i zaspokajania ich potrzeb, pod zwierzchnictwem wyznaczonych przez sąd pełnomocników.

Innym istotnym czynnikiem, wpływającym na krajobraz systemów LPWAN, jest zamykanie technologii 2G oraz 3G. O tym, że operatorzy planują likwidować zasięgi tych sieci mówi się już od lat, jednak od pewnego czasu podawane są konkretny, w tym to, co najważniejsze – twarde i konkretne daty. Już w 2020 roku sygnalizowano, że sieci 3G wyłączone w Polsce mają być do 2023 roku. Obecnie Orange wskazują, że technologia 3G wycofana ma zostać w 2025 roku, a 2G do 2030 roku. T-mobile wycofać chce 3G nawet szybciej, bo już w 2023 roku. Ogromna ilość urządzeń korzysta z tych technologii, co oznacza konieczność migracji. Najbardziej zbliżoną do nich jest technologia NB-IoT, więc producenci tych urządzeń będą najczęściej wybierać Narrowband IoT, o ile pokrycie tej sieci będzie dostateczne dla ich aplikacji. Z drugiej strony, im zainteresowanie NB-IoT będzie większa, tym pokrycie powierzchni kraju będzie szybciej rosnąć.

Podsumowanie

Ciężko wskazać pojedynczą technologię LPWAN, którą można by nazwać najlepszą. Wszystko, jak zwykle, zależy od detali aplikacji – do różnych systemów, najlepsze będą różne rozwiązania. Ciężko też ściśle zdefiniować ogólne kryteria, jakimi można by się kierować, aby wybrać najlepszą z technologii. Systemy LoRa doskonale nadają się do średniej wielkości instalacji, operujących w ograniczonym terenie. Wymogiem jest konieczność instalacji bramki w miejscu, które pozwoli pokryć zasięgiem cały obszar działania sensorów. Relatywnie wysokie początkowe koszty szybko zwracają się, dzięki temu, że jako właściciele infrastruktury, nie ponosimy kosztów związanych z jej eksploatacją (oprócz zużycia energii elektrycznej). Dodatkowo – dzięki temu, że dane poruszają się tylko w naszej sieci (istnieje możliwość zupełnego odcięcia systemu od Internetu) – system jest niemalże idealnie zabezpieczony.

Sigfox jest kuszącą opcją, jednak posiada dwa poważne ograniczenia. Jednym z nich jest limit 140 wiadomości na dobę, jakie przesłać może urządzenie. Drugim, chyba poważniejszym, jest ograniczony zasięg tej sieci i dosyć wolne jej rozprzestrzenianie. Listę problemów zamykają kłopoty finansowe firmy Sigfox – jeśli spółka upadnie (co jest raczej mało prawdopodobnym scenariuszem), usługa może zostać wyłączona.

Grupę zamyka Narrowband-IoT – LPWANowy „kuzyn” LTE. Systemy korzystające z telefonii komórkowej do transmisji danych z rozproszonych elementów znane są jeszcze sprzed czasów popularyzacji hasła Internet Rzeczy, dlatego też w wielu aplikacjach NB-IoT może być najprostszym, chociaż niekoniecznie najlepszym wyborem. Łatwość migracji na to rozwiązanie może być w wielu aplikacjach usprawiedliwieniem wyższych kosztów urządzeń. jednak, zanim zdecydujemy się na taki krok, upewnijmy się, że w regionie aplikacji, operatorzy telefonii komórkowej zaktualizowali już stacje bazowe, aby zapewnić współpracę z LTE Cat NB1 lub LTE Cat NB2, zależnie od posiadanego przez nasze urządzenie modemu.

Nikodem Czechowski, EP

Bibliografia:

  1. https://kb.iu.edu/d/agki
  2. Y. Zhang, N. Ansari, M. Wu H. Yu, „On Wide Area Network Optimization” IEEE Communications Surveys & Tutorials 14 (2012).
  3. https://semtech.com/
  4. https://lora-alliance.org/
  5. Norma IEEE 802.15.4a-2007, Nowy York 2007
  6. https://build.sigfox.com/
  7. https://www.3gpp.org/
  8. A. Augustin, J. Yi, T. Clausen, W. M. Townsley, „A Study of LoRa: Long Range & Low Power Networks for the Internet of Things”. Sensors 16 (2016).
  9. https://www.etsi.org/
  10. K. Mekki, E. Bajic, F. Chaxel, F. Meyer, „Overview of Cellular LPWAN Technologies for IoT Deployment: Sigfox, LoRaWAN, and NB-IoT” IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops) 2018.
  11. https://rapidlab.io/
  12. https://techcrunch.com/
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów