Technologia LoRaWAN

Wstęp

Internet Rzeczy przestał być ideą, a stał się rzeczywistością. Nikogo nie dziwi możliwość otwarcia bramy telefonem komórkowym czy sterowania temperaturą w mieszkaniu przez stronę www - to przecież jedynie Smart Home. W sposób zupełnie naturalny technologie IoT wykorzystywane są w rozwiązaniach Smart City - przesyłanie informacji o jakości powietrza, informacji drogowych, transporcie publicznym, sterowaniu oświetleniem miejskim. Także idee Industry 4.0 i Smart Factory w przemyśle wdrażane są z wykorzystaniem Industry IoT, znacznie obniżając koszty niezbędne do przeprowadzenia wizualizacji stanu maszyn w systemach SCADA. Podobnie pomiar i sterowanie mediami - energetyka zawodowa, wodociągi i kanalizacja, systemy grzewcze - korzysta coraz częściej z rozwiązań IoT Smart Metering, redukując koszty utrzymania i billingu.

Wspólną cechą wszystkich rozwiązań IoT jest pozostawanie w połączeniu, możliwość komunikacji. Ze względu na potrzeby aplikacji IoT najpopularniejszą metodą komunikacji jest łączność bezprzewodowa - Wireless.

LowPowerWAN

Low Power - niskie zapotrzebowanie na energię

W większości przypadków urządzenia IoT zasilane są autonomicznie, np. bateryjnie, co powoduje, że na czoło wyzwań jakim muszą sprostać inżynierowie jest energooszczędność urządzenia, a w związku z tym także niskie zapotrzebowanie na energię układów transmisyjnych.

Wide Area Network - duży zasięg komunikacji

Szereg rozwiązań wymaga komunikacji na duże odległości, których nie zapewniają rozwiązania oparte na technologiach takich jak WiFi czy Bluetooth. Nawet zastosowanie standardu BT5/sieci MESH lub rozproszonych aplikacji współdzielących dane nie spełnia wymagań wielu rozwiązań, w szczególności w Smart City, Smart Factory, Smart Metering.

LowPowerWAN -duży zasięg przy niskim zużyciu energii

Dla potrzeb IoT powstał szereg rozwiązań LPWAN bazujących na odmiennych technologiach. Wśród nich wymienić można technologie LTE dedykowane IoT jak NB-IoT czy Cat. M, a także Sigfox czy LoRaWAN, pracujące na odrębnych pasmach ze zróżnicowaną prędkością, z odmiennym modelem biznesowym zakładającym obecność lub brak konieczności korzystania z usług operatora etc.

LoRa

LoRa to technologia opracowana we Francji, zakupiona w 2012 roku przed firmę Semtech, światowego producenta scalonych układów radiowych, współtwórcę stowarzyszenia LoRa Alliance, organizacji non-profit skupiającej ponad 500 przedsiębiorstw, zajmujących się światową popularyzacją i standaryzacją LoRa. 

W zaledwie kilka lat LoRa stała się jedną z najpopularniejszych technologii spierających IoT. Technologia składa się zasadniczo z dwóch warstw: fizycznej - opartej na modulacji LoRa oraz stosu organizującego komunikację w sieci - LoRaWAN.

Modulacja LoRa oparta jest na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum) i polega na ciągłej zmianie częstotliwości w czasie przy zachowaniu określonej szerokości pasma.

© JM elektronik

Takie rozwiązanie modulacji zapewnia bardzo dużą odporność na zakłócenia oraz bardzo dobrą propagację, dzięki czemu zasięg mierzony jest w kilometrach (nawet do kilkunastu), także w trudnych warunkach miejskich czy przemysłowych. Sygnał LoRa jest odczytywany nawet wówczas, jeśli występuje na poziomie szumu tła.

Moc wyjściowa nadajników +20 dBm/100mW (w Europie ograniczenie do +14 dBm). Wysoka czułość odbiorników do -148 dBm (0,01µV/50Ω).

Przepustowość transmisji LoRa nie predestynuje tej technologii do wykorzystania w aplikacjach audio-video, a wymóg ograniczenia zajętości pasma otwartego wyklucza zastosowanie w aplikacjach do sterowania w reżimie czasu rzeczywistego Real Time. Jednak bardzo dobra propagacja powoduje, że w zastosowaniach Smart CIty, Smart Factory, Smart Metering LoRa wybija się na wiodące medium transmisji.