Instytut Łączności sprawdził technologię LoRa

Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności we Wrocławiu sprawdził działanie technologii LoRa, która działa w Polsce w paśmie 863-870 MHz.

Badania nad zajętością widma w paśmie 863-870 MHz pozwalają ocenić efektywność działania technologii LoRa w warunkach rzeczywistego obciążenia i sprawdzić, w jakim stopniu dostępne pasmo jest wykorzystywane przez urządzenia IoT.

LoRa to technika modulacji radiowej, która pozwala na przesyłanie niewielkich pakietów danych na bardzo duże odległości – nawet kilkanaście kilometrów – przy minimalnym zużyciu energii.

Dzięki temu czujnik może działać na jednej baterii przez wiele lat. Najczęściej sieci LoRa wykorzystuje się do odczytu parametrów z czujników, takich jak wodomierze, czujniki parkingowe, stacje pogodowe, czujniki wilgotności gleby czy czujniki zapełnienia zbiorników, kontenerów, bądź koszy.

Architektura LoRa

Na bazie LoRa powstał protokół LoRaWAN (ang. LoRa Wide Area Network), który definiuje strukturę sieci (urządzenia końcowe, bramy, serwer sieciowy), zasady komunikacji oraz szyfrowanie. W praktyce oznacza to, że LoRaWAN jest gotową platformą do budowy inteligentnych miast, przemysłowych sieci czy systemów monitoringu środowiska.

Widmo radiowe jest ograniczonym zasobem. Choć pasmo 863-870 MHz, w którym działa LoRa w Europie, jest dostępne bez licencji, jego nadmierne wykorzystanie mogłoby prowadzić do zakłóceń i obniżenia jakości transmisji. Z tego powodu Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (International Telecommunication Union, ITU) w swoich dokumentach, m.in. Zaleceniu ITU-R SM.1880-1, wskazuje na potrzebę prowadzenia regularnych badań zajętości widma. Dzięki nim można ocenić, czy dostępne kanały są wykorzystywane efektywnie i jakie są perspektywy dalszego rozwoju.

Pasmo 863–870 MHz w Europie jest przeznaczone dla urządzeń bliskiego zasięgu i wykorzystywane przez różne technologie, w tym LoRaWAN oraz RFID. Zgodnie z decyzją Komisji (UE) 2017/1483, w przedziale 865–868 MHz funkcjonują systemy RFID, które mogą pracować w kanałach o szerokości 200 kHz z mocą do 2 W e.r.p. To właśnie te transmisje odpowiadają za silne piki widoczne w naszych pomiarach przy częstotliwościach 865,9 MHz i 866,3 MHz.

Z kolei LoRaWAN działa głównie w zakresie 868,0–868,6 MHz, gdzie obowiązuje ograniczenie mocy (25 mW e.r.p.) oraz limit czasu nadawania (tzw. duty cycle, np. 1%). Dzięki tym zasadom różne systemy mogą współistnieć w jednym paśmie bez konieczności uzyskiwania indywidualnych pozwoleń radiowych, a sieci LoRa mogą rozwijać się równolegle z innymi systemami. 

Zajętość pasma 863-870 MHz

We wrocławskim oddziale Instytutu Łączności aktualnie działa blisko 100 czujników i urządzeń korzystających z technologii LoRa. Uruchomiony system wykorzystuje 8 kanałów: 867,1 MHz, 867,3 MHz, 867,5 MHz, 867,7 MHz, 867,9 MHz, 868,1 MHz, 868,3 MHz i 868,5 MHz, przy czym największe obciążenie przypada na trzy ostatnie częstotliwości.

Zajętość pasma 867-870 MHz

Na podstawie pomiarów widać wyraźnie, że urządzenia LoRa zajmują pasmo tylko przez ułamki procenta czasu – rzędu ok. 0,1% (3,6 sekundy w ciągu godziny). Jedynym wyjątkiem jest częstotliwość 868,3 MHz, gdzie odnotowano zajętość na poziomie 1,46%. Nie wynika to jednak z intensywnej pracy urządzeń LoRa, lecz z nakładania się transmisji innych systemów działających w tym samym paśmie, np. w okolicach 868,235 MHz i 868,34 MHz, gdzie zajętość przekracza 2% (72 sekundy w ciągu godziny). Różnica ta pokazuje, że LoRa jest technologią wyjątkowo efektywną pod względem wykorzystania widma.

Holandia była jednym z pierwszych krajów, która zastosowała LoRa w strukturze smart city — w 2015 roku operator KPN uruchomił pilotażową sieć LoRa w Rotterdamie i Hadze. Już w połowie 2016 roku sieć osiągnęła zasięg ogólnokrajowy, czyniąc Holandię pierwszym krajem na świecie o takim zasięgu. Sieć szybko znalazła zastosowanie w licznych rozwiązaniach IoT — do końca 2015 roku podłączono około 1,5 miliona urządzeń. Testy obejmowały m.in. logistykę na lotnisku Amsterdam-Schiphol, monitorowanie rozjazdów kolejowych w Utrechcie i czujniki głębokości w porcie w Rotterdamie.

W Polsce LoRa znajduje zastosowanie w różnych celach, jednak najczęstszym scenariuszem wdrożenia jest zdalny odczyt liczników. Pionierem wdrożenia LoRa w naszym kraju jest projekt w Piekarach Śląskich, gdzie w 2019 roku zamontowano ok. 6,5 tys. wodomierzy z nakładkami wykorzystującymi sieć LoRaWAN, obejmującą całe miasto. Rozwiązanie pozwoliło na zdalne odczyty, bez konieczności wizyt inkasentów, a także szybsze wykrywanie awarii i strat wody. Podobny system został wdrożony we Wrocławiu - obejmuje on docelowo ponad 70 tys. liczników wody. Poza systemami wodomierzy, w wielu miastach prowadzone są także projekty wykorzystujące LoRaWAN do obsługi innych czujników, takich jak sensory jakości powietrza, monitoringu odpadów, oświetlenia ulicznego czy wolnych miejsc parkingowych, co pokazuje potencjał tej technologii w różnych obszarach usług komunalnych. Ponadto w wybranych miastach Polski operatorzy zapewniają pokrycie bramami sieciowymi LoRaWAN i są w gotowości do uruchomienia sieci komercyjnych.

Według LoRa Alliance, w połowie 2024 roku na świecie działało już ponad 350 milionów urządzeń końcowych LoRaWAN i prawie 7 milionów bramek (wg LoRa Alliance, 2024). Technologia ta jest obecna zarówno w lokalnych instalacjach, jak i w dużych systemach obejmujących całe metropolie czy kluczowe gałęzie przemysłu.

Dynamikę rozwoju potwierdzają dostawcy usług – Actility raportuje ponad 4 miliony aktywnych urządzeń, a The Things Industries obsługuje 2,7 miliona, przy czym obie firmy notują wzrosty przekraczające 50% rok do roku. Równolegle trwają prace nad rozszerzaniem możliwości sieci, m.in. poprzez integrację z komunikacją satelitarną (NTN – Non-Terrestrial Networks) czy wprowadzenie bardziej elastycznych procesów certyfikacji, co ułatwia wdrażanie nowych projektów. Dzięki temu LoRaWAN staje się coraz ważniejszym elementem infrastruktury cyfrowej, wspierając rozwój smart city, nowoczesnej energetyki, gospodarki odpadami oraz zastosowań przemysłowych i rolniczych.

Badania Instytutu Łączności pokazują, że pasmo 863–870 MHz wciąż oferuje znaczące rezerwy, jednak dalszy rozwój Internetu Rzeczy będzie wymagać regularnego monitoringu jego wykorzystania.

W najbliższych latach można oczekiwać:

• znacznego wzrostu liczby czujników w przestrzeni miejskiej, zakładach przemysłowych i gospodarstwach rolnych,
• wdrażania mechanizmów inteligentnego współdzielenia pasma, które zminimalizują ryzyko zakłóceń,
• łączenia LoRaWAN z innymi technologiami komunikacyjnymi, w tym z sieciami 5G i systemami satelitarnymi.

LoRa to technologia, która w ostatnich latach zyskała ogromną popularność i udowodniła swoją wartość w praktyce. Dzięki niej możliwe są wdrożenia IoT, które jeszcze dekadę temu byłyby zbyt drogie lub technicznie niewykonalne.