Most environmental sensors send a few bytes a few times an hour. Low-power wide-area networks trade bandwidth for range and battery life; mesh networks trade range for resilience. Both are now international standards12.
Systems
LPWAN, Mesh, Border routers
Toward 2030
Satellite IoT in the cellular standard
Figures
4, data story, simulator, systems diagram, timeline to 2030
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01Data story
Spreading factor and airtime.
Each step up in spreading factor roughly doubles the time a packet spends on air, and with it the energy and the share of the duty-cycle allowance it consumes34. The bars are computed with the modem’s published formula for a 20-byte payload.
Figure as text: Time on air by spreading factor, 20 bytes at 125 kHz
A bar chart of LoRa time on air for spreading factors 7 to 12, from about 57 ms to about 1.3 s.
Time on air by spreading factor, 20 bytes at 125 kHz (ms)
Spreading factor
Time on air
SF7
56.6
SF8
102.9
SF9
185.3
SF10
370.7
SF11
741.4
SF12
1,318.9
02Simulator
What the duty cycle allows.
Set the spreading factor, the payload and the duty-cycle limit, and read how many uplinks an hour a device may send. The same arithmetic decides whether a network can add a thousand more sensors.
Figure as text: Uplinks per hour within a duty-cycle limit
A bar chart of time on air for spreading factors 7 to 12 with the chosen factor in red.
Uplinks per hour within a duty-cycle limit, at the starting values
Spreading factor
10 SF
Payload
24 bytes
Duty-cycle limit
1 %
Time on air (125 kHz, CR 4/5)
370.7 ms
Uplinks per hour within the limit
97
Shortest interval between uplinks
37 s
03Systems diagram
A mesh that heals.
In a mesh, each node can forward for its neighbours toward a border router, using a routing protocol designed for lossy, low-power links5. Fail a node and watch the routes find another way, or not.
Figure as text: A low-power mesh with two border routers
A four-tier diagram of leaf sensors, forwarding nodes, border routers and the edge, with red routes from every leaf.
Leaf sensors: A, B, C, D, E
Forwarders: Node 1, Node 2, Node 3
Border routers: Border 1, Border 2
Edge: Edge
14 links. Scenarios: All nodes up; Node 2 fails; Border 1 fails; Nodes 1 and 3 fail.
04Timeline to 2030
A family of low-power standards.
Cellular low-power access arrived with NB-IoT and LTE-M in Release 136; sub-gigahertz Wi-Fi extended range for sensors7; the long-range protocol many networks use became an ITU-T recommendation in 20211. Release 17 added satellite access for IoT devices8.
Figure as text: Low-power wide-area and mesh standards
A timeline from 2012 to 2030 with RPL, NB-IoT and LTE-M, 802.11ah, ITU-T Y.4480, IEEE 802.15.4-2020 and IoT over satellite.
2012-03 RPL routing for lossy networks (RFC 6550). IPv6 routing for low-power meshes.5
2016 Sub-gigahertz Wi-Fi (IEEE 802.11ah). Long-range, low-power Wi-Fi for sensors.7
2016-06 NB-IoT and LTE-M. Low-power cellular access in Release 13.6
2020 Low-rate wireless networks revised (IEEE 802.15.4-2020). The radio beneath many mesh protocols.2
2021-12 Long-range LPWAN protocol recommended (ITU-T Y.4480). Adopted as an ITU-T recommendation.1
2022-06 IoT over satellite. Release 17 adds non-terrestrial access for NB-IoT and LTE-M.8
Time on air, 20-byte payload
ms
0
500
1,000
1,500
2,000
SF7
56.6
SF8
102.9
SF9
185.3
SF10
370.7
SF11
741.4
SF12
1,318.9
Figure 1
Data story
Figure 1. Time on air by spreading factor, 20 bytes at 125 kHz. A bar chart of LoRa time on air for spreading factors 7 to 12, from about 57 ms to about 1.3 s.
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4 services
Site Planner "Plan anywhere" vector basemap and label glyphs (OpenMapTiles schema)
Site Planner "Plan anywhere" elevation (Terrarium) for hillshade, line of sight, profiles and sky view
ProviderFournisseur
Terrain: Mapzen Terrain Tiles (AWS Open Data), incl. SRTM, GMTED, ETOPO1, USGS 3DEP and Canadian DEM data
Hosts contactedHôtes contactés
elevation-tiles-prod.s3.amazonaws.com
Observatory Builder weather layers (GDPS 2 m air temperature, global; radar precipitation rate, Canada) and the 2 m air temperature at the site (WMS GetFeatureInfo) that seeds the synthetic run
ProviderFournisseur
Data Source: Environment and Climate Change Canada
Hosts contactedHôtes contactés
geo.weather.gc.ca
Observatory Builder hazard layer and report (earthquakes of magnitude 2.5 and above in the past 30 days, GeoJSON summary feed)
ProviderFournisseur
Earthquakes: U.S. Geological Survey
Hosts contactedHôtes contactés
earthquake.usgs.gov
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