Přenosové technologie IoT

Přenosové technologie: LoRaWAN, ZigBee, NB-IoT – úvod a kontext

LoRaWAN, ZigBee a NB-IoT patří mezi klíčové bezdrátové technologie pro IoT, každá s jiným kompromisem mezi dosahem, spotřebou energie, propustností, latencí a provozním modelem. Správná volba závisí na typu senzoru, požadované životnosti z baterie, prostředí instalace, nákladech na infrastrukturu a regulatorních omezeních. Následující článek rozebírá fyzickou a MAC vrstvu, topologie, bezpečnost, síťovou architekturu, provozní parametry a vhodné scénáře použití v evropském kontextu.

Přehled a srovnávací tabulka

LoRaWAN: fyzická vrstva a MAC

LoRaWAN využívá na PHY vrstvě modulaci CSS (Chirp Spread Spectrum) s nastavitelným spreading faktorem (SF7–SF12). Vyšší SF zvyšuje citlivost a dosah, ale snižuje datovou rychlost a prodlužuje airtime. V EU platí omezení duty-cycle (typicky 1 %) v pásmu 868 MHz, což limituje vysílací čas zařízení. MAC vrstva je asynchronní, založená na ALOHA, s třídami zařízení A/B/C definujícími chování downlinku.

LoRaWAN: třídy zařízení a latence

• Třída A: Nejnižší spotřeba; downlink možné jen krátce po uplinku (dvě RX okna). Latence downlinku až do dalšího uplinku.
• Třída B: Periodická synchronizace majáky; plánovaná okna pro downlink s menší latencí.
• Třída C: Neustále otevřený přijímač (kromě vysílání); minimální latence za cenu vyšší spotřeby.

LoRaWAN: bezpečnost a správa klíčů

Bezpečnost je dvouvrstvá: síťový a aplikační klíč (AES-128). Doporučené připojení je OTAA s dynamickým odvozováním session klíčů z AppKey; statické ABP je vhodné jen výjimečně (rotace klíčů, osobitá správa). Integrita a šifrování chrání jak metadata, tak payload; bezpečná výroba a personalizace zařízení je klíčová.

LoRaWAN: síťová architektura a provoz

Architektura zahrnuje end-device → gateway (transparentní rádio) → network server (deduplikuje, ADR, MAC řízení) → join server (OTAA) → application server. Adaptive Data Rate (ADR) optimalizuje SF a výkon. Pro privátní sítě je zásadní plán kanálů, hustota bran, vhodné antény a správné umístění (výška, LOS).

ZigBee: standard 802.15.4 a profily

ZigBee staví na IEEE 802.15.4 (fyzická a MAC vrstva) primárně v pásmu 2,4 GHz s 16 kanály a rychlostí až 250 kb/s. Nad tím definuje síťovou vrstvu (mesh routing – AODV varianty) a aplikační profily. ZigBee 3.0 sjednocuje profily (Home Automation, Light Link), zlepšuje interoperabilitu a bezpečnostní onboarding.

ZigBee: topologie, latence a napájení

Základní role jsou koordinátor, router a end device. Mesh topologie umožňuje překonat překážky v budovách a rozšiřuje pokrytí bez nutnosti silného vysílacího výkonu. Latence je nízká a determinističtější než u LoRaWAN; pro bateriová zařízení se používá sleeping s periodickým probouzením. Routery ale vyžadují napájení ze sítě.

ZigBee: bezpečnost a provoz

Bezpečnost využívá AES-128-CCM* pro šifrování a autentizaci rámců. Síťové a aplikační klíče je nutné chránit při párování; install code a centrální Trust Center s politikami přístupu zvyšují odolnost. Interference v 2,4 GHz s Wi-Fi/Bluetooth je zmírněna výběrem kanálů (např. 15, 20, 25).

NB-IoT: rádiová vrstva a pokrytí

NB-IoT je 3GPP standard (LTE Release 13+) s šířkou kanálu 180 kHz a režimy in-band, guard-band a standalone. Nabízí hluboké indoor pokrytí (zlepšení až 20 dB proti GSM), škálovatelnost v licencovaném pásmu a QoS řízení na úrovni operátora. Kategorizace (NB1, NB2) ovlivňuje možnosti dat a řízení.

NB-IoT: úsporné režimy a latence

Klíčové jsou PSM (Power Saving Mode) a eDRX (Extended Discontinuous Reception). Tyto mechanizmy umožňují životnost baterie v řádu let, ale zvyšují latenci downlinku (sekundy až minuty). NB-IoT je proto ideální pro periodickou telemetrii a stavové zprávy, méně pro interaktivní řízení.

NB-IoT: bezpečnost a integrace

Bezpečnost vychází z LTE (SIM/eSIM, autentizace AKA, šifrování na rádiu). Další vrstvu může tvořit aplikační kryptografie (např. DTLS, end-to-end šifrování), zejména pro ochranu dat v jádru sítě operátora. Správa flotily využívá standardní mobilní ekosystém (APN, billing, roaming).

Regulatorní a provozní aspekty v EU

• LoRaWAN: Pásmo 868 MHz, limity výkonu (typicky 14 dBm) a duty-cycle (1 % kanálově). Nutné dodržet ETSI normy, Listen-Before-Talk pro vybrané kanály.
• ZigBee: 2,4 GHz bez licence, povolené výkony dle EN 300 328; důraz na koexistenci s Wi-Fi (kanálový plán).
• NB-IoT: Licencované pásmo; závislost na dostupnosti a pokrytí operátora, smluvní QoS a SLA.

Architektury a integrační vzory

• LoRaWAN: Privátní sítě s vlastními branami a network serverem (on-prem/cloud), nebo využití veřejných operátorů. Integrace přes MQTT/HTTP, konverze na jednotné IoT datové modely.
• ZigBee: Lokální gateway (koordinátor) převádí data na IP (MQTT/HTTP/CoAP) a napojuje se na edge analytiku či cloud. Často v kombinaci s dalšími protokoly (Modbus, BACnet).
• NB-IoT: Přímo IP konektivita (UDP/TCP) přes operátora nebo message-centric přenos (NIDD/SCEF). Integrace s cloud IoT huby (device twin, OTA správa).

Bezpečnostní vrstvy a hrozby

• LoRaWAN: Ochrana klíčů (secure element), zabránění replay (frame counter), fyzické zabezpečení bran, oddělení aplikačních tenantů.
• ZigBee: Bezpečný onboarding, pravidelná rotace klíčů, detekce anomálního routingu v meshi.
• NB-IoT: Správa SIM/eSIM, APN izolace, aplikační šifrování, detekce DoS na aplikační vrstvě (omezení přenosů).

Výdrž na baterii a energetické profily

Pro návrh napájení je klíčové rozdělit sleep, wake, TX/RX fáze a jejich četnost. LoRaWAN a NB-IoT dosahují let výdrže při malém počtu zpráv denně a optimalizovaném firmware (agresivní sleep, zkrácení airtime, efektivní kódování). U ZigBee je nutné minimalizovat roli routeru u bateriových zařízení a pečlivě volit intervaly probouzení.

Latence, spolehlivost a QoS

ZigBee nabízí nízkou latenci vhodnou pro řízení světel a interaktivní automatizaci. LoRaWAN má variabilní latenci a omezený downlink (zejména třída A), proto je vhodnější pro snímání než řízení v reálném čase. NB-IoT umožňuje spolehlivý přenos přes síť operátora, ale s latencí vyšší a proměnlivou podle eDRX/PSM nastavení.

Škálování a kapacitní plánování

• LoRaWAN: Hustota bran dle předpokládaného provozu (paketů na zařízení/den, SF distribuce), řízení ADR, anti-collisions, kanálové plánování. Pozor na downlink budget a duty-cycle.
• ZigBee: Návrh síťového grafu (max. hloubka, počet dětí na router), rozmístění napájených routerů, minimalizace rušení (kanály, odstupy, výkon).
• NB-IoT: Kapacita buňky podle operátora; plánování APN, tarifů a nákladů za přenos, SLA pro kritické měření.

Rozšiřitelnost, životní cyklus a OTA

Všechny tři technologie podporují vzdálené aktualizace, ale přístupy se liší. U LoRaWAN a NB-IoT je bezpečné OTA s delta balíčky a kontrolou integrity zásadní vzhledem k nízké propustnosti. U ZigBee je OTA běžná v rámci domácí a komerční automatizace, vyžaduje však robustní napájení u zařízení, která aktualizace distribuují.

Doporučení pro výběr technologie podle scénářů

• Chytré zemědělství a městská telemetrie: LoRaWAN díky dlouhému dosahu, privátním sítím a nízkým nákladům na provoz. Ideální pro čidla vlhkosti, parkovací senzory, měření hladin.
• Domácí a komerční automatizace: ZigBee pro nízkou latenci a bohatý ekosystém zařízení (osvětlení, HVAC, snímače přítomnosti). Mesh překlene zdi a patra.
• Utility a kritická měření s SLA: NB-IoT tam, kde je požadavek na licencované pásmo, pokrytí operátora, identitu SIM a bilancované náklady za přenos (vodoměry, plynoměry, měření sítě).

Ekonomika a TCO

U LoRaWAN převažují kapitálové náklady (brány, instalace) s nízkými provozními náklady. ZigBee je nákladově efektivní pro budovy (minimální licenční poplatky), ale vyžaduje plánování mesh. NB-IoT má nízké CAPEX (infrastruktura operátora) a OPEX v podobě tarifů; vyplatí se při širokém geografickém pokrytí a požadavcích na SLA.

Testování, validace a provozní metriky

• Signál a link budget: Měření RSSI/SNR (LoRa), LQI/PRR (ZigBee), RSRP/RSRQ/SINR (NB-IoT).
• Spolehlivost: Packet Delivery Ratio, opakování přenosů, chybovost podle SF/kanálu.
• Výdrž: Profil odběru, počet zpráv/den, reálná životnost baterie v terénu.
• Bezpečnost: Audit klíčů, rotace, testy odolnosti vůči replay/mitm, zabezpečení bran a koordinátorů.

Koexistence a víceprotokolové nasazení

V praxi se technologie kombinují: ZigBee pro lokální řízení a scénáře s nízkou latencí, LoRaWAN pro vzdálené senzory s dlouhým dosahem a NB-IoT pro kritické měření mimo dosah privátní sítě. Integrační vrstva (edge gateway) sjednocuje telemetrii do jednotného datového modelu a zajišťuje bezpečný přenos do cloudu.

Praktické tipy pro návrh a instalaci

• Pečlivý site survey: mapa signálu, rušení, umístění antén (výška, kabelové ztráty, polarizace).
• Volba antén: zisk vs. vyzařovací diagram; pro LoRaWAN sub-GHz všesměrové antény s vyšší montáží, pro ZigBee směrové v obtížných budovách.
• Napájení a úsporné režimy: granularita reportů, agregace dat, komprese payloadu.
• Bezpečná výroba: secure element, personalizace klíčů, evidence a revokace zařízení.
• Observabilita: metriky na gatewayích/koordinátorech, logování událostí připojení, alarmy na ztrátu konektivity.

Závěrečné shrnutí

LoRaWAN, ZigBee a NB-IoT se nepřekrývají, ale doplňují. LoRaWAN exceluje v dlouhém dosahu s minimální spotřebou a levnou privátní infrastrukturou. ZigBee je silné v rychlé lokální automatizaci díky mesh topologii a bohatému ekosystému. NB-IoT přináší spolehlivé pokrytí a provozní model s garancemi operátora. Při volbě technologie zvažte požadovanou latenci, výdrž na baterii, náklady, bezpečnostní a regulatorní požadavky – a nenechte se svázat jedinou volbou tam, kde dává smysl víceprotokolový přístup.