Porównanie LoRa i 5G: Która jest lepsza dla Twojej aplikacji IoT?

Każde rozwiązanie Internetu Rzeczy (ang. IoT — Internet of Things) zaczyna się od czujnika wysyłającego dane, a każdy czujnik potrzebuje sieci do komunikacji. Wszystko po to, aby na podstawie zgromadzonych i ustrukturyzowanych danych podejmować lepsze decyzje oraz dążyć do bardziej zrównoważonego rozwoju przyszłości. W świecie Internetu Rzeczy istnieje wiele rozwiązań komunikacyjnych tj. np. LoRa, Sigfox, NB IoT, LTE Cat-M, GSM 2G, 3G, 4G, 5G, które umożliwiają komunikację między urządzeniami. W tym artykule przyjrzymy się najpopularniejszym z nich —  technologii LoRa (ang. Long Range) oraz telefonii komórkowej 5G, które są wykorzystywane w Przemysłowym Internecie Rzeczy — IIoT (ang. Industrial Internet of Things). Z ich pomocą możliwe jest tworzenie bardziej inteligentnych i zrównoważonych ekosystemów wzajemnie powiązanych urządzeń IoT, a wybór odpowiedniej technologii może okazać się kluczowym czynnikiem sukcesu dla Twoich projektów.

Ile urządzeń IoT mamy obecnie na rynku?

Raport Ericsson Mobility November 2023 przedstawia badania dotyczące liczby urządzeń IoT w miliardach. Szacuje, że do 2029 roku liczba urządzeń IoT na świecie będzie rosnąć w tempie 16% rocznie (skumulowany roczny wskaźnik wzrostu). W 2029 liczba urządzeń IoT osiągnie 38,9 mld z początkowych 15,7 mld w 2023 roku. Tempo wzrostu przewidywane dla połączeń daleko-zasięgowych (LPWAN — ang. Low Power Wide Area Network) wynosi 12%, a dla IoT krótkozasięgowego 17% w okresie prognozy. Wśród najpopularniejszych standardów LPWAN, czyli bezprzewodowych niskoenergetycznych sieci dalekiego zasięgu wyróżnia się m.in. LoRa, NB-IoT czy LTE Cat-M.

Początki powstawania technologii komunikacji bezprzewodowej LoRa oraz LoRaWAN

Początki powstawania technologii transmisji LoRa sięgają 2009 roku. W tamtym czasie dwóch przyjaciół z Francji – Nicolas Sornin oraz Oliver Seller – wpadło na pomysł opracowania technologii modulacji fal radiowych o dużym zasięgu i niskim poborze mocy. W 2010 roku dołączył do nich Francois Sofrze, z którym założyli firmę CYCLEO zajmującą się opracowaniem bezprzewodowej technologii komunikacji dla liczników gazowych i energii. W tym celu zaczęli stosować technologię rozproszonego widma CSS (ang. Chirp Spread Spectrum), która została zaczerpnięta ze świata delfinów i nietoperzy, a wcześniej była już wykorzystywana np. w lotnictwie czy w sonarach. Chociaż wspomniani naukowcy nie stworzyli całej technologii, koncepcja wykorzystywania technologii CSS jako metody przesyłania danych na duże odległości zapoczątkowała nowy rozdział w badaniach. W 2012 roku CYCLEO została przejęta przez firmę Semtech, która dokończyła opracowywanie technologii dla urządzeń oraz stworzyła protokół do ich obsługi, który dziś nazywamy LoRaWAN.

Czym jest LoRa?

LoRa jest jedną z technologii transmisji IoT, która zapewnia niskoenergetyczną, bezprzewodową komunikację między urządzeniami. Jej działanie zostało oparte na technologii modulacji radiowej CSS, w której małe impulsy są wykorzystywane do kodowania informacji za pomocą fal radiowych. Jak rozwinięcie angielskiego skrótu LoRa (ang. Long Range) wskazuje, jest to system komunikacji bezprzewodowej o dużym zasięgu. Technologia LoRa zrewolucjonizowała IoT dzięki możliwości przesyłania danych na duże odległości, a tym samym wypełniła lukę technologiczną sieci komórkowych, Wi-Fi czy Bluetooth Low Energy (ang. BLE). LoRa idealnie sprawdza się w urządzeniach o niskim poborze mocy oraz tych, które w codziennej pracy przesyłają niewielkie ilości danych.

Zastosowanie urządzeń IoT w przemyśle

Przykładem urządzeń, które działają w oparciu o technologię LoRa, są czujniki IIoT wykorzystywane w różnych gałęziach sektora przemysłowego. Stosuje się je np. w zarządzaniu inteligentnymi miastami (m.in. do zarządzania energią, ciepłem, wodą, oświetleniem), pomiarach i usługach komunalnych, kontroli zanieczyszczeń, opiece zdrowia, logistyce, przemyśle, rolnictwie, zapobieganiu katastrofom czy do monitorowania środowiska.

Jedną z firm na rynku, która skupia rozwiązania i projekty z obszaru smart city jest marka AIUT AIUNEO. AIUNEO dostarcza rozwiązania zdalnych systemów liczników wody, gazu i ciepła oraz nowoczesne rozwiązania do zarządzania miastami, w tym oświetleniem ulicznym czy parkingami. W swoim działaniu wykorzystuje różne technologie transmisji bezprzewodowej m.in. technologię LoRa.

Strona Semtech podaje, że w marcu 2023 roku istniało 5,9 miliona bramek z urządzeniami LoRa (marzec 2023 r.) oraz 300 milionów węzłów końcowych z wdrożonymi urządzeniami LoRa na całym świecie.

GSM 5G: Rewolucja w komunikacji mobilnej. Charakterystyka sieci 5G.

Sieć 5G (piąta generacja sieci komórkowej) to najnowsza technologia bezprzewodowa, która przynosi znaczące usprawnienia w szybkości, przepustowości, pojemności oraz opóźnieniach w porównaniu do poprzednich generacji sieci (4G LTE, 3G itp.). 5G osiąga prędkości do 10 gigabajtów na sekundę, co daje od 10 do 100 razy szybsze prędkości (w zależności od odległości od wieży telekomunikacyjnej oraz otaczającego środowiska) niż w przypadku sieci 4G. Dodatkowo może obsłużyć znacznie więcej urządzeń na małym obszarze. Mówi się tu o liczbie nawet do 1 miliona na kilometr kwadratowy, co jest kluczowe dla rozwoju Internetu Rzeczy. Stąd dla konsumentów oznacza to nie tylko szybszy Internet mobilny, ale także powszechną łączność internetową w wielu urządzeniach codziennego użytku, takich jak samochody czy inteligentne domy. Sieć 5G wykorzystuje zarówno niższe pasma częstotliwości – poniżej 6 GHz, jak i wyższe pasma fal milimetrowych (mmWave) – od 30 do 300 GHz, które oferują bardzo wysoką przepustowość. Również zapewnia niską latencję, zmniejszając opóźnienie z 200 milisekund w 4G do zaledwie 1 milisekundy, co jest istotne w rozwiązaniach, które wymagają szybkiej, wzajemnej komunikacji (interaktywności) w czasie rzeczywistym.

Zastosowania 5G obejmują Przemysł 4.0, medycynę, autonomiczne pojazdy, inteligentne miasta oraz rozrywkę i media. W Grupie AIUT przykładem wdrożeń wykorzystujących technologię 5G są autonomiczne pojazdy AMR (ang. Autonomous Mobile Robots) oraz AGV (ang. Automated Guided Vehicles) spółki Aformic, które realizują zadania logistyczne w obrębie zakładu produkcyjnego, komunikując się w chmurze w trybie online. Dzięki wykorzystaniu technologii 5G możliwe jest zarządzanie flotą robotów mobilnych online oraz stworzenie pełnego systemu intralogistycznego – systemu transportu wewnątrzzakładowego. Wdrożenie 5G wymaga jednak dużych inwestycji w infrastrukturę, odpowiednich regulacji oraz rozwiązań bezpieczeństwa, aby chronić sieci przed zagrożeniami cybernetycznymi.

LoRa a sieć telekomunikacyjna 5G – porównanie

Koszty

Koszty wdrożenia technologii LoRa są niższe, głównie z powodu prostszej infrastruktury sieciowej i mniejszych kosztów operacyjnych. Sieci GSM, zwłaszcza 5G, wymagają dużych nakładów inwestycyjnych w infrastrukturę oraz wyższych kosztów utrzymania. Korzystając z sieci komórkowej jesteśmy zależni od taryf naszych lokalnych operatorów — opłaty za korzystanie z sieci 5G wnoszone są w postaci abonamentu dla każdego urządzenia, który musi być wyposażone we własną kartę SIM zgodną z 5G. Natomiast, jeżeli dostosujemy się do norm i regulacji sieci LoRaWAN, jesteśmy w stanie stworzyć własną prywatną sieć LoRa i korzystać z niej za darmo — nie musimy ponosić kosztów utrzymywania sieci do zewnętrznych usługodawców, a potrzebujemy jedynie zainwestować w sprzęt. Dodatkowo, koszt produkcji samych modułów radiowych zgodnych ze specyfikacją LoRaWAN jest niewielki.

Zasięg

Realne odległości aplikacyjne technologii LoRa pozwalają na objęcie komunikacją urządzeń w promieniu od 1 do 5 km od bramki w obszarach miejskich, natomiast w obszarach wiejskich od kilku do kilkunastu kilometrów. W przypadku sieci telekomunikacyjnej 5G wysokie częstotliwości fal milimetrowych mają ograniczony zasięg wynoszący od kilkaset metrów do kilku kilometrów. Jeśli chodzi o niższe częstotliwości sieci 5G, osiągają one zasięg do kilkunastu kilometrów, kosztem mniejszej prędkości transmisji danych. Sieć 5G jest również bardziej podatna na zakłócenia spowodowane przeszkodami fizycznymi jak budynki i drzewa oraz wymaga gęstszej infrastruktury stacji bazowych, aby zapewnić odpowiednie pokrycie.

Przepustowość danych i prędkość komunikacji

LoRaWAN jest standardem nastawionym na transmisje małych porcji danych od urządzeń końcowych. Natomiast technologia komórkowa zapewnia wysoką przepustowość, umożliwiając przesyłanie danych o dużych rozmiarach tj. obrazy czy wideo. Szybkość transmisji danych z czujników wykorzystujących technologię LoRa wynosi między 0,3 kb/s a 37,5 kb/s. Stąd, osiąga znacznie mniejsze wartości niż w przypadku sieci 5G, której prędkość może wynieś nawet 10 GB na sekundę.

Pobór mocy

LoRa charakteryzuje się niskim poborem mocy. Czujniki działające w oparciu o LoRa są zasilane bateryjne i mogą działać nawet do 10 lat. Natomiast urządzenia 5G z uwagi na transmisję dużych ilości danych wysokim poborem energii. Aplikacje przemysłowe urządzeń korzystających z transmisji 5G wymagają zwykle albo zasilania sieciowego, albo okresowo ładowanych akumulatorów.

Podsumowanie

Wybór między LoRa a 5G zależy od specyficznych wymagań Twojej aplikacji IoT. LoRa jest doskonała dla zastosowań wymagających dużego zasięgu i niskiego zużycia energii, z ograniczonymi wymaganiami dotyczącymi prędkości transmisji danych. Stąd idealnie sprawdza się do zdalnych odczytów liczników wody, gazu, ciepła oraz do monitorowania infrastruktury inteligentnych miast – miejsc parkingowych czy pojemników na odpady komunalne. Jest to świat urządzeń, w którym niewielkie paczki danych mogą być dostarczane okresowo, asynchronicznie pozwalając sieci LoRa przyjąć do obsługi miliony urządzeń końcowych. Natomiast technologia komórkowa 5G jest idealna dla aplikacji wymagających wysokiej przepustowości i bardzo niskich opóźnień rzędu pojedynczych milisekund. Sieć 5G znalazła zastosowania w transmisji wideo w czasie rzeczywistym, sieciowych grach komputerowych, autonomicznych pojazdach AGV i AMR, robotach produkcyjnych, aplikacjach VR/AR czy zdalnych operacjach medycznych.