Jednym z największych wyzwań, jakie stoją przed producentami urządzeń łączących się z siecią, jest sposób transmisji danych. Obecnie istnieje kilkanaście protokołów umożliwiających bezprzewodowe przesłanie danych z urządzenia do Internetu, chmury lub serwera. Wśród nich są takie technologie jak GPRS/EDGE/3G/4G, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, Z-Wave czy Thread. Nie wszystkie te standardy można zastosować w każdym urządzeniu. Różnią się one zasięgiem, przepustowością danych, poborem prądu, kosztem realizacji oraz wieloma innymi elementami, które decydują o ich przewadze nad innymi w danym zastosowaniu.

Daleko i niedrogo
Aplikacje IoT są specyficzne. Większość urządzeń połączonych z siecią przesyła raczej niewielkie komunikaty o objętości nie przekraczającej 2 kB. Są to głównie czujniki, które w określonych odstępach czasu wysyłają wyniki pomiarów. Zasilane są baterią lub akumulatorem i aby wysłać dane, „wybudzają się” z trybu czuwania. Aby umożliwić im przekazanie informacji w jak najkrótszym czasie, konieczne jest szybkie nawiązanie łączności z siecią po ich aktywacji.

Takie możliwości oferuje LoRaWAN (w skrócie LoRa) – rozległa wąskopasmowa sieć dalekiego zasięgu, która została zoptymalizowana pod kątem jak najmniejszego poboru energii i jest w stanie zapewnić szybkość transmisji danych w dwóch kierunkach na poziomie od 0,3 kbps do 50 kbps. Technologia ta oferuje zasięg 2-5 km na terenie zabudowanym oraz do 15 km w niezabudowanym. Architektura sieci LoRa bazuje na topologii gwiazdy, w której bramki są pomostami zapewniającymi transmisję pomiędzy urządzeniami końcowymi a serwerem centralnym. Bramki są przyłączone do serwera za pomocą standardowych połączeń IP, natomiast urządzenia końcowe wykorzystują do komunikowania się z jedną lub wieloma bramkami technikę rozproszonego widma z różną prędkością transmisji. Komunikacja z punktami końcowymi może być dwukierunkowa, co umożliwia nie tylko odbieranie komunikatów, ale również kontrolowanie przesyłających je urządzeń lub aktualizowanie ich oprogramowania. Co ciekawe, prędkość transmisji zmienia się zależnie od długości komunikatu (technika ADR, Adaptive Data Rate).

Wykorzystując m.in. technologię wynalezioną w latach 30. ubiegłego wieku, a mającą powszechne zastosowania w radarach wojskowych oraz algorytmy korekcji błędów, standard LoRa umożliwia demodulację sygnału użytecznego na poziomie ok. -160 dBm, a więc poniżej poziomu szumów. Pozwala także na tworzenie sieci prywatnych. Sieć LoRa jest zabezpieczona przed nieautoryzowanym dostępem przez unikatowy klucz dostępu (EUI64), unikatowy klucz aplikacji (EUI64) i specyficzny kod urządzenia (EUI128) identyfikujący jego rodzaj.

Schemat systemu komunikacji w sieci LoRaWAN

Plusy i minusy
Od innych protokołów sieć LoRa wyróżnia niskie zapotrzebowanie na energię urządzeń używanych do komunikacji dzięki adaptacyjnemu dostosowywaniu mocy nadajnika i szybkości transmisji do aktualnych warunków propagacyjnych (rozprzestrzeniania się fal). Oznacza to długi czas pracy czujnika na jednej baterii, a nawet całkowitą rezygnację z zasilania bateryjnego i pozyskiwanie energii z niewielkich ogniw fotowoltaicznych bądź elementów piezoelektrycznych zainstalowanych w miejscu pracy urządzenia.

Kolejną zaletą standardu LoRa jest bardzo duży zasięg – nawet do kilkunastu kilometrów. Bluetooth oraz WiFi można wykorzystać jedynie przy komunikowaniu urządzeń na niewielkie odległości. W przypadku potrzeby zbierania danych z rozległego obszaru stworzenie takiej sieci za pomocą wspomnianych standardów komunikacji jest niepraktyczne, natomiast wykorzystanie sieci GSM kosztowne.

Następna korzyść wynikająca z zastosowania standardu LoRa to fakt, że jego wykorzystanie nie wiąże się z dodatkowymi opłatami z racji korzystania z nielicencjonowanych pasm częstotliwości ISM (433 MHz, 868 MHz oraz 915 MHz). Do sieci LoRa można podłączyć bardzo dużą liczbę urządzeń, może być zatem z powodzeniem wykorzystywana jako rozwiązanie komunikacyjne dla inteligentnego miasta.

Największym ograniczeniem protokołu LoRa jest szybkość transmisji danych. Jej prędkość (między 0,3 a 50 kbps), jest wystarczająca w przypadku sieci czujników, lecz zbyt mała dla urządzeń przesyłających większe pakiety danych. Należy też wziąć pod uwagę, że zasięg obiecywany przez twórców tego standardu jest w rzeczywistości mniejszy, choć jest to na pewno znacznie większy dystans od proponowanych przez pozostałe dostępne na rynku standardy komunikacji bezprzewodowej.

Kolejnym minusem sieci LoRa jest dość wysoka cena modułów komunikacyjnych. Można mieć jednak nadzieję, że wraz ze wzrostem popularności sieci opartych na tym protokole ceny modułów spadną.

LoRa w praktyce
Technologia LoRa została opracowana przez firmę amerykańską Semtech, a obecnie jej rozwój koordynowany jest przez organizację non-profit LoRa Alliance skupiającą ok. 250 firm członkowskich. LoRa Alliance pracuje nad standaryzacją rozwiązań dla IoT oraz tworzeniem ekosystemu dla tej idei. Do tej pory w ramach LoRa Alliance została opracowana specyfikacja LPWAN – LoRaWAN, ułatwiająca adaptację LoRa w aplikacjach IoT, M2M (Machine-to-Machine), smart city czy rozwiązaniach przemysłowych.

Sieci LoRaWAN działają już w wielu miejscach na świecie. We Francji firma Orange tworzy publiczną sieć opartą na tym protokole w 17 największych miastach, na którą będzie składać się 1200 bramek LoRa, natomiast firma Leroy-Merlin ogłosiła, że będzie korzystać z technologii LoRa w swoich produktach automatyki domowej w celu zwiększenia ich funkcjonalności.

Innym przykładem wykorzystania technologii LoRa jest produkt firmy Enevo, który oferuje niezwykle skuteczny system usprawnienia gospodarki odpadami poprzez monitoring ilości śmieci w koszach i wykorzystywanie tych informacji do optymalizacji trasy przejazdu śmieciarki i planu odbioru odpadów.

W Polsce także działają sieci oparte o ten standard. We Wrocławiu sieć LoRa stworzyła firma Espotel należąca do LoRa Alliance. Antena wraz z odpowiednim urządzeniem firmy Multitech, pełniącym rolę koordynatora sieci i bramki internetowej, została umieszczona na jednym z budynków Wrocławskiego Parku Technologicznego, gdzie Espotel ma swoje biura. Dane transmitowane z urządzeń zalogowanych do sieci trafiają do chmury, gdzie mogą być dowolnie przechowywane, przetwarzane bądź też przekierowywane na odpowiednie serwery.

Sieć jest w fazie testów, a Espotelowi udało się uzyskać transmisję na dystansie 4-5 km.

Także w Gdyni działa podobna sieć, zarządzana przez firmy MpicoSys i WiRan z Pomorskiego Parku Naukowo-Technologicznego. Pokrywa ona obszar 30 km2 w obszarze zabudowanym oraz 450 km2 na otwartym terenie. Planowane jest powiększenie zasięgu na cały obszar Trójmiasta.

Interesującym pomysłem jest też inicjatywa The Things Network, która zrodziła się w Amsterdamie, gdzie w krótkim czasie kilka firm stworzyło wspólnie sieć LoRa, którą cały czas rozbudowują – początkowo było 10 bramek, a w grudniu 2016 r. działało ich 26. Dzięki akcji crowdfundingowej na Kikstarterze do akcji przyłączyli się mieszkańcy 170 miast i regionów z 60 krajów, które rozpoczęły budowę sieci LoRa u siebie. Z Polski są to, oprócz wspomnianego Wrocławia i Gdyni, jeszcze Poznań i Warszawa.

Protokół LoRa w sensie technologicznym nie jest niczym odkrywczym, ale dzięki swoim zaletom oraz prężnie działającym popularyzatorom ma szansę stać jednym z najlepszych rozwiązań komunikacyjnych do realizacji niskoprzepustowej transmisji danych dla aplikacji Internetu Rzeczy.