LPWAN (rete WAN a bassa potenza) tecnologie utilizzano le telecomunicazioni wireless per trasmettere dati su una rete geografica. Questa tecnologia è progettata specificamente per consentire la trasmissione di comunicazioni a lungo raggio a basse velocità di trasmissione. Queste due caratteristiche distinguono le tecnologie LPWAN da altre WAN wireless che utilizzano più energia e trasportano più dati quando si collegano agli utenti. La velocità dati della gamma LPWAN da 0.4 Kbit/s a 40 Kbit/s per frequenza.
Oltre alle LPWAN utilizzate per creare una rete di sensori wireless privata, possono anche essere utilizzati come infrastruttura di terze parti che consente agli utenti di sensori di configurarli sul campo senza necessariamente inserire la tecnologia gateway LPWAN.
Al MOKOLoRa, siamo indipendenti dalla tecnologia. Contempleremo il tuo progetto LPWAN vs LoRaWAN IoT in modo olistico e ti consiglieremo la tecnologia più appropriata per la tua esatta applicazione.
Tecnologie e piattaforme LPWAN
Alcuni degli standard e dei venditori concorrenti per le tecnologie LPWAN sono:
• DASH7 – è uno standard firmware bidirezionale con una bassa latenza che funziona su diverse tecnologie radio LPWAN come LoRa.
• Chirp spread spectrum (CSS)
• Sigfox – It is based on the Tecnologia UNB
• LoRa – It is a patented LPWAN technology that applies the chirp spread spectrum radio modulation.
• MIoTy – It is an LPWAN standard that implements telegram splitting technology.
• Weightless – It is an open standard that applies the LPWAN narrowband technology.
Banda ultra stretta
La banda ultra stretta (UNB) è una tecnologia di modulazione utilizzata per le tecnologie LPWAN da diverse società come;
• Sigfox – It is based on UNB technology.
• Weightless – It is a Weightless SIG set of communication standards.
• NB-Fi Protocol – WAVIoT Company developed it.
Altri
• DASH7 – It is a mode to development framework that uses wireless networks with low power. Questa piattaforma funziona su più standard radio wireless come LoRa, LTE, 802.15.4G, e molti altri.
• LTE Advanced – It is an advancement of LTE infrastructures designed by the 3GPP for connected things
• MySensors – It is a do-it-yourself home automation framework that supports various radios such as LoRa.
• NarrowBand IoT (NB-IoT) – It is a 3GPP LPWAN standardization effort applied in cellular networks
• Random phase multiple access (RPMA) – is an LPWAN standard used in GE’s AMI metering. Si basa sulle variazioni della tecnologia CDMA per i telefoni cellulari, sebbene applichi lo spettro 2.4GHz senza licenza.
• Byron – It is from the Taggle Systems in Australia.
• Wi-SUN – This platform is based on IEEE 802.15.4g.
Funzionalità principali di LPWAN
1. Long-range – In rural areas, le tecnologie LPWAN lavorano attivamente in un raggio di oltre dieci chilometri e meno di un chilometro in ambito urbano. Consente la comunicazione operativa dei dati in ambienti interni e sotterranei precedentemente impraticabili.
2. Low power – LPWAN is optimized to consume low power. I suoi ricetrasmettitori usano piccoli, batterie economiche che possono durare fino a 20 anni.
3. Basso costo: Poiché LPWAN ha un intervallo operativo basso, riduce al minimo i requisiti di infrastruttura se combinato con una topologia a stella. Riduce i costi della rete poiché è anche senza licenza, o le bande con licenza riducono il costo delle reti.
4. Few access points – LPWAN needs fewer access points like base stations and gateways to cover vast regions like big cities or countries.
5. Enhanced propagation and penetration – The LPWAN technologies typically operate in an unlicensed spectrum under the Sub-GHz Banda ISM. Questa banda ha proprietà di propagazione migliorate e una migliore copertura in aree ristrette, consentendo la penetrazione attraverso edifici e muri.
Cosa considerare quando si acquistano LPWAN
Ogni applicazione LPWAN IoT ha necessità precise. Considera sempre i seguenti fattori per certificare che scegli le tecnologie LPWAN appropriate per il tuo progetto IoT.
un) Service quality – The key guarantee to an exceptional QoS and industrial-grade reliability is the high data reception rate. Ciò è ottenuto dall'immunità alle interferenze per le tecnologie LPWAN che funzionano su uno spettro senza licenza.
B) Scalability – It is essential to have an extensive network capacity to expand future networks and an incredible number of end devices. Un punto importante da notare è il numero di dispositivi e messaggi giornalieri che una particolare stazione base può controllare.
C) Battery life – Consumption of low-power considerably minimizes the total ownership cost, e aiuta anche a raggiungere obiettivi di business sostenibili nelle reti di sensori remoti.
D) Mobility – It is essential to have end nodes that transmit data at high speeds, abilitando le principali applicazioni IoT come la telematica delle flotte e la sicurezza dei lavoratori.
e) Security – Ensure that your LPWAN technologies has multi-layer encryption with robust authentication and identification systems that safely integrate and transmit data.
F) Public vs private network – Private LPWA systems are more flexible network coverage and design, mentre i sistemi pubblici LPWA sollevano regolarmente problemi di privacy dei dati.
G) Propriety vs standard – Standard solutions are better as they ensure long-term interoperability and reliability with other IIoT network components while at the same time evading the problems of vendor lock-in.
Importanza della standardizzazione
Uno dei pilastri principali di una solida rete LPWAN e IoT è la standardizzazione. Fornisce un quadro tecnico esigente ma chiaro certificato da organizzazioni per lo sviluppo di standard come 3GPP, RICERCA, IETF, IEEE, e molti altri. Una tecnologia standardizzata offre diversi vantaggi come una migliore qualità e affidabilità, interoperabilità di lunga data, elasticità dell'invenzione, e scalabilità universale.
Il regno LPWAN ha due tecnologie che prosperano negli sforzi di standardizzazione.
• Telegram Splitting technology – This technology is for the Low Throughput Networks and is centred on the ETSI standard.
• Cellular LPWAN – This technology is based on the 3NON IMPORTA standard.
Altre alleanze industriali che supportano la crescita degli standard sono state stabilite attorno alle soluzioni proprietarie LPWAN. tuttavia, queste lotte non sanciscono la sostenibilità della tecnologia e non possono coprire l'intero stack di rete come nel Alleanza LoRa.
Confronto tra LPWAN con licenza e senza licenza
Le LPWAN con licenza applicano uno spettro radio concesso in licenza e funziona su reti senza restrizioni. Supporta sia gli standard 3GPP che GSM. Questi standard migliorano il modo in cui i dispositivi LPWAN effettuano il roaming da una rete all'altra in quanto facilitano la mobilità della rete. Inoltre, l'utilizzo di una LPWAN con licenza offre al dispositivo connesso un maggiore livello di eccezionalità per la connessione. Ciò migliora la sua affidabilità e sicurezza. Alcuni tipi di LPWAN con licenza sono IoT a banda stretta (NB-IoT) e LTE-M.
D'altra parte, le LPWAN senza licenza applicano uno spettro radio senza licenza. È fruibile da tutti senza esclusività. Unlicensed LPWAN isn’t built to handle continuous movements at high speeds. Anziché, è adatto per applicazioni come in aree in cui è richiesta una rete LPWA senza licenza per l'unità singola di dispositivi di collegamento in quella regione e luoghi in cui non è disponibile un sistema LPWA pubblico. Un esempio di LPWAN senza licenza è LoRaWAN.
LPWAN contro LoRaWAN: Qual è la tecnologia leader nel mercato attuale?
Attualmente, il mercato di LPWAN è ancora nella sua fase iniziale. È caratterizzato da un alto grado di scia di rete e dalla disintegrazione della tecnologia che è ancora lontana dalla tecnologia globale. tuttavia, gli analisti di mercato propongono che questo si stia rapidamente fondendo attorno ad alcune tecnologie significative. In 2017, il Tecnologia Lora era il leader di mercato globale nella distribuzione di reti pubbliche e private.
però, Si prevede che LoRa sarà la tecnologia in più rapida crescita entro la fine del 2022. Gli analisti di mercato si aspettano che LoRa superi NB-IoT sul numero di dispositivi connessi; quindi, probabilmente diventerà la principale tecnologia LPWAN. D'altra parte, LoRa sarà ancora il principale fornitore di una rete privata. Entrambi LoRa e NB-IoT rappresentare intorno 70 % delle reti pubbliche e private nel mercato attuale. per di più, Si prevede che LoRa migliorerà la sua quota di mercato di circa 85% entro il 2027.
Limitazioni delle LPWAN
Sebbene le tecnologie LPWAN abbiano vantaggi significativi con la sua applicazione, ha anche alcune limitazioni. Queste limitazioni includono;
un) LPWAN transmits much less data than other technologies – The data rates of LPWAN technologies mostly range from 100bps to 10s of Kbps. Queste basse velocità rendono la tecnologia inappropriata per applicazioni moderatamente potenti. I dispositivi che trasferiscono continuamente grandi quantità di dati tra i sensori a basse latenze richiedono reti di capacità maggiore per funzionare completamente.
B) Interference and errors – As most LPWAN protocols are conveyed over unlicensed LPWAN frequency bands, rischiano di subire errori e interferenze durante lo scambio di dati. Ad esempio, un ambiente di vendita a volte subisce interferenze quando ha lettori RFID coesistenti nelle sue impostazioni.
C) Underdeveloped coverage – LPWAN coverage is comparatively underdeveloped compared to the other technologies. La maggior parte degli operatori cellulari ha sviluppato reti estese che supportano prontamente l'Internet delle cose. Per supportare completamente le applicazioni IoT LPWAN, i fornitori di telefoni cellulari hanno un complesso ostacolo iniziale che devono superare. Inoltre, gli operatori cellulari hanno rigorosi principi guida per le infrastrutture, che sono relativamente costosi, while LPWAN operators aren’t subject to synchronized tower properties.
Storia delle tecnologie LPWAN
L'introduzione della LPWAN sul mercato può essere fatta risalire alla fine degli anni '80. Questo è stato dopo la costruzione di una rete dati bassa da parte di ADEMCO, utilizzato per monitorare i pannelli di allarme. La Motorola Company ha anche introdotto ARDIS (una vasta rete a bassa velocità) utilizzato nel monitoraggio delle transazioni e nei processi di automazione delle vendite nello stesso periodo. Sebbene queste innovazioni siano diverse dalle attuali LPWAN, servono ancora come predecessori della tecnologia emergente.
Con l'introduzione del 2G negli anni '90, la maggior parte dei gestori di telefonia mobile potrebbe trasmettere dati insieme alla voce su lunghe distanze. Inoltre, la domanda di Internet è aumentata rapidamente nel tempo, spingendo le aziende ad abbracciare le capacità di connettività nei loro dispositivi. Questa tendenza ha portato alla nascita di low cost, soluzioni di comunicazione wireless a bassa potenza come le LPWAN.
Recentemente, Le LPWAN hanno corso come un'unica soluzione. Sigfox è stata la prima tecnologia LPWAN ad essere introdotta nel mercato da un'azienda francese in 2009. La tecnologia è stata in grado di incorporare applicazioni in tempo reale in modo più efficiente rispetto alle precedenti tecnologie radio. Oggi, il LPWAN di LoRa è brevettato e ampiamente utilizzato in più di 57 paesi a livello globale.
Più tardi, dopo 3 anni, Semtech ha introdotto il protocollo LPWAN LoRa che opera in diverse bande senza licenza a seconda della sua posizione. Invece di sviluppatori che utilizzano l'infrastruttura già esistente, possono usare LoRa per configurare le loro reti geografiche. Ciò ha portato alla nascita di alcuni provider LoRaWAN pubblici come The Things Network, Fattura, e macchinaQ.
Attualmente, varie aziende stanno installando LPWAN per diverse applicazioni, dove la maggior parte di loro partecipa attivamente alla LoRa Alliance. La LoRa Alliance è stata fondata a marzo 2015 per promuovere il trionfo dei protocolli LPWAN. È un'associazione caritatevole con oltre 500 membri dell'organizzazione.
Esistono tecnologie LPWAN basate su reti mesh??
Brevemente, le reti mesh non possono essere classificate come reti LPWAN. Le reti mesh sono progettate con nodi web interconnessi in cui ciascuno di essi estende indipendentemente segnali radio. Le reti mesh hanno tre componenti che lavorano insieme per trasmettere dati da un sensore wireless all'altro. Questi componenti di rete mesh sono; gateway, endpoint, e ripetitori. tuttavia, la tecnologia mesh è incompetente dal punto di vista energetico ed è migliore per l'uso in dispositivi che inviano dati su medie distanze.
La relazione tra LPWANS e IoT
Le LPWAN sono destinate a diventare più critiche poiché è probabile che lo spazio Internet of Things esploda. Più dispositivi LPWAN in vari settori e spazi lavorano insieme per informatizzare le loro funzionalità, minimizzare i costi operativi, e salire a maggiori livelli di produttività.
Sono necessarie reti wireless in grado di trasferire rapidamente i dati su lunghe distanze consumando meno energia. Inoltre, le aziende che configurano dispositivi IoT richiedono soluzioni convenienti che colleghino efficacemente diversi sensori a Internet contemporaneamente. O altro, most exciting IoT applications won’t be realistic.
Impatto del 5G sulle LPWAN
La prossima rivoluzione nelle comunicazioni dei cellulari wireless è il 5G. Le tecnologie promettono velocità di trasmissione dati eccezionali a costi e latenze ridotti al minimo. così, grazie alle capacità prestazionali del 5G, la tecnologia aprirà un'incredibile innovazione tecnologica.
Inoltre, la tecnologia 5G è destinata a migliorare enormemente la connettività dell'IoT e a migliorare il numero di sensori wireless che possono essere collegati contemporaneamente a Internet e tra loro. È probabile che l'importanza delle tecnologie LPWAN cresca con la diffusione della copertura 5G.
Applicazioni LPWAN
Di seguito sono riportati i vari casi di utilizzo delle applicazioni delle tecnologie LPWAN.
Misurazione elettrica
LPPANS può essere applicato nella misurazione elettrica. Le aziende nel mercato della misurazione elettrica di solito hanno bisogno di comunicazioni regolari, velocità di trasmissione dati elevate, e latenze inferiori. Essenzialmente, questi contatori elettrici LPWAN non richiedono batterie a lunga durata o tassi di consumo energetico inferiori in quanto hanno una fonte di alimentazione ininterrotta. Affinché le aziende di contatori elettrici prendano decisioni immediate come le interruzioni, carichi, e interruzioni, richiedono una griglia in tempo reale per scopi di monitoraggio.
Agricoltura intelligente
Le LPWAN sono utilizzate anche in agricoltura. Qui, le tecnologie LPWAN devono avere dispositivi a sensori con una lunga durata della batteria. Questi dispositivi sensore migliorano significativamente i rendimenti e riducono al minimo i tassi di consumo di acqua. I dispositivi inoltre aggiornano regolarmente i dati rilevati ogni volta che rilevano un cambiamento nelle condizioni ambientali.
Automazione della produzione
Nell'automazione della produzione, Le LPWAN monitorano i macchinari in tempo reale, migliorando così l'efficienza consentendo il controllo remoto e migliorando notevolmente la linea di produzione industriale. Esistono diversi tipi di comunicazione e necessità di sensori nell'automazione di fabbrica. LoRa è una soluzione perfetta per le applicazioni che richiedono batterie di lunga durata e sensori a basso costo per il monitoraggio e il monitoraggio delle risorse.
Edificio intelligente
Sensori LPWAN IoT negli edifici intelligenti per la sicurezza, temperatura, umidità, spine elettriche, e il flusso d'acqua vengono distribuiti per allertare i gestori di proprietà. Questi sensori aiutano anche a prevenire danni e reagiscono prontamente alle richieste senza necessariamente disporre di un monitor manuale dell'edificio. Questi sensori richiedono dispositivi economici LPWAN Technologies con batterie a lunga durata.
Stazioni di punti vendita al dettaglio
Le LPWAN sono utilizzate nei sistemi di punti vendita che necessitano di servizi di qualità garantita. Questi sistemi gestiscono comunicazioni regolari; quindi sono costruiti con una fonte continua di energia elettrica. Richiedono fortemente una bassa latenza vivace che non limiti il numero di transazioni effettuate.
Tracciamento pallet logistico
Attualmente, Gli LPWAN vengono applicati nel monitoraggio dei pallet logistici per determinare la posizione e le condizioni dei prodotti. Ogni azienda logistica deve disporre del proprio sistema LPWAN Technologies per garantire una copertura garantita nelle proprie strutture. L'applicazione del monitoraggio dei pallet logistici è un perfetto esempio di una soluzione di distribuzione ibrida. Richiede dispositivi economici con batterie a lunga durata e può essere facilmente implementato su tutti i veicoli.
Sicurezza delle tecnologie LPWAN
Tutte le infrastrutture IoT LPWAN affrontano diverse sfide legate alla sicurezza. L'IoT amplia la piattaforma di attacco a causa del suo tempo di trasmissione relativamente lungo e dei lunghi intervalli di connettività. Ogni tecnologia protegge la sua comunicazione con le sue misure di sicurezza poiché sono tutte a rischio di potenziale vulnerabilità.
Il LoRA gestisce la sua sicurezza utilizzando il metodo di crittografia AES-128. Questa tecnica offre più livelli di crittografia in LoRaWAN. LoRa utilizza le chiavi dell'applicazione e la rete per proteggere i suoi pacchetti sulla rete in modo sicuro. Le chiavi di rete e di sessione dell'applicazione vengono create utilizzando il 128 chiave dell'applicazione bit AES (Chiave dell'app).
The Network session key shared by the network server and end devices is responsible for generating and verifying the message integrity code that warrants the message’s integrity. Inoltre, la chiave di sessione di rete può essere utilizzata per sviluppare firme univoche per ogni dispositivo. La chiave di sessione dell'applicazione esegue la crittografia e la decrittografia dei dati. Un'operazione XOR crittografa ogni messaggio. Inoltre, genera il payload crittografato utilizzando un flusso di chiavi creato dalla rete e dalle chiavi di sessione dell'applicazione, insieme al contatore dei messaggi di uplink e downlink.
Lora fornisce la stessa lunghezza del messaggio prima e dopo la crittografia, e offre la possibilità all'entità malintenzionata di ricostruire il mainstream dai messaggi crittografati. Anche con il meccanismo di sicurezza previsto per i dispositivi LoRa, questi dispositivi sono ancora vulnerabili ai disturbi, wormhole, e ripeti gli attacchi.
Il futuro delle tecnologie LPWAN
Sebbene le LPWAN abbiano vantaggi e possibilità critici, hanno ancora diverse sfide gravi e fattori di rischio ad essi associati. LTE-M e NB-IoT, entrambi sono standard cellulari stabiliti da diversi settori storici come Nokia e Qualcomm, sono uno dei principali rischi per le LPWAN. Queste reti possono essere facilmente aggiornate e implementate nel software di rete cellulare dai principali operatori come Verizon e AT&T con un semplice tocco di un interruttore. Ciò consente alle aziende di telefonia mobile di servire in modo efficiente le proprie applicazioni a banda stretta riformulando le frequenze GSM vocali senza necessariamente richiedere alcun hardware aggiuntivo.
What’s better is that these cellular companies can still articulate this using the same achievable price point when they wish to do so. È più probabile che le aziende di telefonia mobile commercializzino LTE-M a grandi aziende che utilizzano grandi quantità di dati mobili e servizi vocali. Poiché i fornitori di telefoni cellulari raccolgono enormi somme di dollari in contratti di telefonia, hanno ancora bisogno di fornire servizi dati economici di fascia bassa. Questo può offrire loro l'opportunità di rubarne alcuni nel caso in cui lo implementino come strategia. Preferibilmente, i fornitori di cellulari dovrebbero cercare di offrire più valore del solo trasporto di dati. Se i membri di LoRa Alliance sviluppano applicazioni mirate, Le opportunità LTE-M non possono mai spostarle.
Come determinare le giuste tecnologie LPWAN
È essenziale considerare diversi fattori quando si selezionano le giuste tecnologie LPWAN per il proprio progetto IoT. Queste tre preoccupazioni principali che devi considerare sono;
Consumo di energia
È essenziale considerare il numero di giorni in cui i sensori rimarranno sul campo mentre sono alimentati a batteria. Anche, considerare se i dispositivi verranno utilizzati all'aperto, anche nelle giornate invernali, e la frequenza con cui i tuoi sensori dovranno trasmettere i dati.
Connettività
Tieni presente la portata coperta dalle comunicazioni, la quantità di dati necessari per inviare ciascun messaggio, e la posizione geografica dei dispositivi. per di più, considera se preferisci esternalizzare il servizio e l'infrastruttura della tua rete o se controllerai personalmente la tua rete e i dati che la attraversano.
Mobile o fisso
Considera se i tuoi dispositivi saranno statici dove la distanza del gateway LPWAN è costante o se i tuoi dispositivi saranno mobili con la loro infrastruttura che copre tutte le posizioni possibili.
Tutte le reti LPWAN hanno diversi punti di forza e di debolezza sul costo, potenza, e potere. MOKOLoRa ha Soluzioni LoRaWAN per il monitoraggio della posizione,monitoraggio della temperatura e dell'umidità che sono perfetti per l'uso in aree più grandi come le fattorie, campus, o città che richiedono trasmissioni di dati di piccolo volume.
