LoRa i Sigfox, czyli sieci LPWAN w natarciu

Niski pobór mocy i duży zasięg

Rys. 1. Zasięg sieci Sigfox

Na rynku pojawiły się nowe kategorie sieci o charakterze uniwersalnym o podobnej strukturze do tej używanej w telefonii komórkowej, a więc o topologii gwiazdy i wykorzystujące stacje przekaźnikowe BTS (Base Transceiver Station) jako centrum komunikacyjne dla komórek sieci.

Ale w odróżnieniu od sieci 2G, 3G i 4G sieci zaliczane do LPWAN (Low Power Wide Area Networks) bazują na protokołach, które kosztem gorszej przepustowości mają lepsze parametry w zakresie odporności na zakłócenia i zaniki sygnału.

Pozwala to na pracę z mniejszą mocą nadajnika i wykorzystanie odbiorników wąskopasmowych, a więc o lepszej czułości. Innymi słowy, LPWAN jest ogólną kategorią sieci zoptymalizowaną na niski pobór mocy, małe szybkości transferu danych i wykorzystanie pod kątem pracy w aplikacjach M2M i IoT. Rozmiar komórek określanych przez stacje BTS jest tu jednocześnie większy, więc wymagane pokrycie obszaru łatwiej uzyskać. Sieci LPWAN pracują także na częstotliwościach należących do pasma ISM, przez co budowy sieci nie trzeba rozpoczynać od starań o kosztowny przydział częstotliwości.

Po stronie problemów i kłopotów należy uczciwie zapisać koszt stworzenia infrastruktury sieci i na razie niszowy charakter tej technologii, który przeszkadza w uzyskaniu niskich cen komponentów sieciowych. Niemniej z czasem sytuacja w tym zakresie będzie się poprawiać jak w większości technologii wchodzących na rynek. Do sieci LPWAN zalicza się głównie dwie technologie: Sigfox i LoRa.

Sigfox

Rys. 2. Architektura sieci LoRa WAN

Sigfox to publiczna sieć pokrywająca głównie Francję, Hiszpanię, Wielką Brytanię i Holandię (stan na połowę 2015 roku), ale sieci testowe w tej technologii pracują też w wielu innych miejscach na świecie, np. Portugalii, Belgii i USA. Plany są takie, aby zasięgiem objąć min. 60 krajów do 2020 roku. We Francji sieć ta tworzy lokalny własny system, w którym można wykupić abonament, w innych działa poprzez partnerów.

Sieć zapewnia interoperacyjność urządzeń, roaming danych i duży zasięg, dzięki czemu inwestycje infrastrukturalne są tutaj mniejsze niż dla sieci bazujących na telefonii komórkowej.

Firma, która chce wykorzystać Sigfox, potrzebuje modułu komunikacyjnego pracującego na 868 MHz z modulacją DBPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) dla kanału uplink i GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) dla kanału downlink. Taki moduł można kupić jako gotowy, bo na rynku są produkty oznaczone znakiem SIGFOX Ready lub zbudować samodzielne w oparciu o dostępny stos programowy i chipy.

Bramki dostępowe i aplikacje sieciowe zapewniające transport danych sieci, co jest gwarancją zawsze tej samej jakości usług. Według danych operatora sieci zasięg do stacji bazowej od urządzenia w otwartej przestrzeni przekracza 15 km, co pozwala na działanie przy niewielkiej liczbie stacji przekaźnikowych.

Gdy nadajnik znajduje się w zasięgu kilku stacji przekaźnikowych, wykorzystuje się mechanizm przekazywanie przez nie między sobą odebranych pakietów po to, aby poprawić jakość komunikacji i zmniejszyć wpływ zakłóceń. Stacje bazowe wymieniają między sobą wówczas dobre pakiety i razem kompletują dane.

Odstęp częstotliwości międzykanałowych w sieci jest mały, co wymusza stosowanie selektywnych odbiorników o dużej czułości rzędu -126 dBm, czyli 0,1 µV/50 Ω, niemniej dzięki oparciu ich na koncepcji tzw. radia realizowanego przez oprogramowanie - SDR (soft ware-defined radio) koszt implementacji sprzętowej jest tutaj niewielki.

Sigfox nie wykorzystuje własnościowego protokołu, dzięki czemu chipy mogą produkować różne firmy bez umów i formalności, wystarczy, że spełnią specyfikację techniczną Sigfox. Takie układy ma na przykład Atmel. Rodzina ATA8520x to zgodne z Sigfox produkty komunikacyjne tego producenta, a niedługo na rynku pojawi się też kompletny transceiver w.cz. o mocy wyjściowej 14 dBm (25 mW) spełniający wymagania ETSI.

Wydajność i ograniczenia

Sieć Sigfox limituje komunikację do 140 komunikatów wysyłanych jednego dnia, każdy zajmujący do 12 bajtów i tylko 8 bajtów dla komunikatu zwrotnego. Opóźnienie sięga 3-5 ms. Wskazuje to, że Sigfox nadaje się do aplikacji, które stosunkowo rzadko się komunikują, takie jak na przykład rozproszone mierniki wysyłające co jakiś czas wyniki pomiaru, temperatury, napięć, zużycia mediów czy innych danych fizycznych dla potrzeb automatycznej rozproszonej sieci pomiarowej. Użytkownicy sieci Sigfox płacą roczny abonament za każdy węzeł sieci.

Sieć LoRa

Rys. 3. Szyfrowanie i autentykacja transmisji za pomocą 128-bitowego AES jest integralną częścią LoRa WAN

Drugą popularną siecią klasy LPWAN jest LoRa (skrót od Long Range). Bazuje ona na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum) i zapewnia prędkość transmisji od 20 b/s do 41 kbit/s. Jest to protokół asynchroniczny, pozwalający na tworzenie wydzielonych sieci prywatnych lub sieci publicznych. Zastosowana modulacja pozwala na odbiór sygnałów 22 dB poniżej progu szumów, a konstrukcja odbiornika gwarantuje selektywność pozwalającą na tłumienie o 69 dB z kanału sąsiedniego odległego o 25 kHz. Wiele transceiverów FSK ma ten parametr dla pasma 868 MHz rzędu 30 dB.

Warto zauważyć, że większość dostępnych na rynku transceiverów ISM pracujących poniżej 1 GHz ma zasięg nieprzekraczający 2 km w otwartej przestrzeni. Stąd chip firmy Semtech SX1272 pracujący w technologii LoRa z zasięgiem 15 km pomiędzy węzłem a punktem dostępowym jest tutaj znaczącym usprawnieniem. Pracuje on w paśmie 868 MHz -1 GHz. Jest też układ działający w szerszym paśmie 137 MHz - 1 GHz (SX1276) i o czułości maksymalnej aż -148 dBm (0,01 µV/50 Ω)!

W sieci LoRa komunikacja realizowana jest dwukierunkowo w półdupleksie, a sieć ma topologię gwiazdy. Liczba węzłów dołączonych do koncentratora zależy od parametrów tego urządzenia - dla koncentratora zbudowanego na parze chipów firmy Semtech SX1301 plus SX1257 można dołączyć 10 tys. węzłów.

LoRa w publicznych sieciach LPWAN

Tabela 1. Porównanie cech dla LoRa i Sigfox

Firma Semtech razem z IBM i Activity oraz stowarzyszeniem LoRa Alliance opracowała stos protokołu do sieci bazujących na koncepcji LoRa, ale w większej skali - LoRa WAN. Bazują na komunikacji klient-serwer i pakietowej transmisji danych (rys. 2). Firmy te namówiły producentów chipów (np. Microchip) do rozpoczęcia prac nad układami realizującymi komunikację (węzły i punkty dostępowe), a IBM i Activity zajęły się tworzeniem oprogramowania do obsługi sieci.

Firmy te są przekonane, że dostępność wszystkich elementów niezbędnych do budowy infrastruktury sieci przyspieszy rozwój i zwiększy liczbę sieci opierających się na LoRa. Podobnie jak dla konkurencyjnego rozwiązania zasięg komunikacji między węzłem a punktem dostępowym sięga 15 km w otwartej przestrzeni. W efekcie komórki sieci są relatywnie duże, a koszty budowy umiarkowanie niskie. Pierwsze projekty sieci tworzonych w dużej skali też już są, np. we Francji Orange w oparciu o LoRa zbuduje sieć dla projektu Smart City w 2016 roku.

Wymiana danych w LoRa jest szyfrowana za pomocą 128-bitowego AES (rys. 3), a protokół realizuje tzw. adaptacyjne dostosowanie mocy nadajnika i szybkości transmisji do aktualnych warunków propagacyjnych, co sprzyja niskiemu poborowi mocy przez sieć.

W tabeli 1 pokazano podobieństwa i różnice pomiędzy dwoma najpopularniejszymi technologiami zaliczanymi do LPWAN wraz z najważniejszymi cechami charakterystycznymi.

Alviano Burello
Regional Business Development Manager
Future Electronics
www.futureelectronics.com