Cравнительные характеристики технологий LPWAN: NB-IoT, LoRa, SIGFOX

Сравнительные характеристики широкополосных и узкополосных сетей LPWAN нелицензируемого диапазона для приложений М2М и IoT

№ 3’2019
PDF версия
В настоящее время существует ряд технологий, предназначенных для использования в разных областях M2M и IoT. Каждая из таких технологий обладает своими преимуществами и недостатками, которые следует учитывать при выборе конкретных приложений. Например, для систем уличного освещения нужна одна технология, для автомобильных парковок необходима другая, а для контроля расхода тепла и электроэнергии понадобится третья. В статье рассмотрены основные характеристики наиболее популярных LPWAN-технологий нелицензионного диапазона частот ISM: 802.15.4, Thread, LoRa, SIGFOX, Weightless, «ВАВИОТ».

Сети LPWPAN диапазона ISM

К устройствам, предназначенным для использования в проектах M2M и IoT, предъявляется ряд специальных требований. Наиболее важные из них — минимальное энергопотребление при оптимальной функциональности. Устройства подобного типа, действующие на автономных батареях, должны обеспечивать работу без замены источника питания в течение нескольких лет. Важное значение имеют и другие факторы, в частности объем и периодичность передаваемой информации, скорость передачи, радиус действия сети, топология, дуплекс или симплекс, количество устройств в сети, сетевая инфраструктура в данном регионе, совокупная стоимость устройства, монтажа и эксплуатации и другие.

Сегодня одно из основных направлений развития беспроводных М2М-сетей — «Интернет вещей» (IoT) — связано с развитием энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия Low Power Wide Area Network (LPWAN). Постепенно технологии LPWAN вытесняют устаревшие беспроводные системы на базе традиционной сотовой связи в таких областях, как контроль уличного освещения, контроль расхода воды, газа и электричества, индустриальные автоматизированные конвейерные линии, торговые автоматы, логистика и т. д. В тех приложениях, где необходимо использовать mesh-сети, технологии LPWAN приходят на смену системам ближнего радиуса действия на базе ZigBee.

В статье речь пойдет только о сетях нелицензионного диапазона частот, привлекательных прежде всего тем, что нет необходимости платить за использование эфира и патентованные технологии.

Дешевые, экономичные мобильные устройства LPWAN, работающие в нелицензируемом диапазоне частот, можно разбить на два основных класса:

  • широкополосные Ultra Wide Band, имеющие полосу для одного канала шириной более 100 кГц, например LoRa;
  • узкополосные Narrow Band, один канал которых занимает полосу в эфире с шириной менее 100 кГц, например SIGFOX.

В различных странах перечень устройств, их характеристики и частоты нелицензируемого диапазона, доступные для свободного применения, регламентируются специальными национальными нормативными актами.

В РФ для неспециализированных устройств официально доступны две полосы частот: 864–865 МГц с периодом активной работы не более 0,1% и запретом на работу вблизи аэропортов и 868,7–869,2 МГц без таких ограничений [1].

Согласно оценкам Machina Research, к 2024 году в мире будет задействовано около 27 млрд конечных устройств технологии LPWA [2].

 

Стандарт IEEE 802.15.4

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет физический уровень PHY и управление доступом к среде MAC для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости и устройств с минимальным энергопотреблением. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15.

При разработке этого стандарта учитывались две основные цели — минимальная стоимость и предельно низкое энергопотребление.

Базовые радиотехнологии и протоколы 802.15.4 описаны в стандарте 802.15.4b, где указаны диапазон частот, тип модуляции, структура пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т. д.

Стандарт IEEE 802.15.4 описывает два нижних уровня модели OSI: физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к радиоканалу (MAC layer) для трех нелицензируемых диапазонов с центральными частотами: 2,4 ГГц, 915 и 868 МГц. В этих частотных интервалах для обмена данными зарезервировано 27 каналов (рис. 1).

Распределение частот в стандарте 802.15.4 [3]

Рис. 1. Распределение частот в стандарте 802.15.4 [3]

Кроме уровней PHY и MAC, в 802.15.4 дополнительно рассмотрены уровень управления логической передачей данных (LLC) и подуровень конвергенции специальных сервисных функций (SSCS), которые предназначены для согласования различных технологий. На физическом уровне 802.15.4 (PHY) определяются основные параметры приемопередатчиков, включая методы кодирования/декодирования и механизмы, предназначенные для обеспечения требуемой скорости передачи в зависимости от среды.

Используемый в технологии 802.15.4 метод модуляции DSSS отличается высокой надежностью связи, устойчивостью к шумам и наводкам. Поэтому устройства 802.15.4 могут уверенно работать в районе мощных передатчиков других стандартов диапазона 2,4 ГГц.

В диапазонах 868 и 915 МГц допустимо применение как двоичной, так и квадратурной фазовой манипуляции с возможностью динамического переключения между поддерживаемыми частотными слоями.

Модуляция O-QPSK подразумевает эффективные нелинейные методы переключения мощности передатчика, позволяющие минимизировать энергопотребление. В диапазоне 2450 МГц допускается также комбинация двоичного кодирования и амплитудной манипуляции. Кроме того, стандарт 802.15.4 предусматривает способ расширения спектра с применением линейной частотной модуляции Chirp spread spectrum (CSS).

Метод CSMA-CA предоставляет возможность устанавливать связь без коллизий по одному каналу с несколькими устройствами в разные интервалы времени. Мобильные устройства стандарта 802.15.4 передают несколько раз в сутки небольшие по объему пакеты данных.

Радиус действия мобильных устройств технологии 802.15.4 зависит от мощности передатчика, среды распространения сигнала и для устройств малой и средней мощности может изменяться в пределах 10–75 м. Мощные устройства (100 мВт) способны работать в зоне прямой видимости на открытом воздухе на расстояниях до 1000 м.

IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных, поддерживая шифрование AES 128. Расширенная адресация в рамках IEEE 802.15.4 подразумевает использование 64-битных адресов.

В стандарте 802.15.4 рассматриваются два типа устройств различной сложности. Полностью функциональное устройство (Full Function Device, FFD) способно принимать и передавать данные, в том числе и чужие, по цепочке. Устройство с ограниченным набором функций (Reduced Function Device, RFD) — самый простой тип, который может только переговариваться с координирующим устройством. При объединении в сеть RFD может работать только в топологии Star. Любая сеть должна иметь по крайней мере один FFD, действующий как координатор сети. Стандарт 802.15.4 не определяет другие более высокие слои и совместимость промежуточных слоев. Таким образом разработчики получают полную свободу при проектировании новых решений для сетей этого стандарта.

В стандарте для сверхширокополосных сетей IEEE 802.15.4a представлен физический уровень UWB PHY Impulse Radio устройств сверхширокополосной связи с высокоскоростной импульсной несущей.

Стандарты 802.15.4c и 802.15.4d разработаны для Китая и Японии.

В стандарте 802.15.4e определены требования, предъявляемые к различного рода промышленным приложениям. Практически в этой редакции изложены все основные положения, регламентирующие простейшие, низкоскоростные, маломощные беспроводные сети (LPWAN), действующие в безлицензионных диапазонах частот.

В стандарте EEE 802.15.4e рассмотрено детерминированное, синхронное многоканальное расширение (Deterministic and Synchronous Multichannel Extension, DSME) для беспроводных сенсорных сетей (wireless sensor networks, WSNs), используемых в коммунальных, промышленных, медицинских и офисных сетях [4, 5].

В стандарте 802.15.4f рассмотрены устройства RFID и определен уровень Radio Frequency Identification (RFID) System Physical Layer (PHY).

Стандарт 802.15.4g, разработанный специально для интеллектуальных датчиков, описывает уровень Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks. Этот стандарт определяет подуровень интерфейса верхнего уровня (ULI) на уровне 2 (L2) между уровнем 3 (L3) и подуровнем управления доступом к среде (MAC) IEEE 802.15.4. Интерфейс верхнего уровня ULI, предоставляющий точки доступа к данным и сервису управления (SAP) для MAC IEEE 802.15.4, ULI адаптирует протоколы L3 и обеспечивает рабочую конфигурацию сети и радиосвязи.

Кроме того, ULI объединяет дополнительные функциональные возможности верхнего уровня 2, ориентированные на взаимодействие с MAC-адресом IEEE 802.15.4, такие как протоколы управления ключами, протоколы маршрутизации L2 (L2R), фрагментация L2 и IPv6. На базе IEEE 802.15.4g разработан комплект прикладных утилит для «умного дома» Wireless Smart Utility Network (Wi-SUN) [6].

Крупнейшие мировые производители — такие, например, как Texas Instruments (CC2630), Atmel (ATSAMR21G18A), Maxim Integrated (MAX2392) и другие, выпускают базовые чипы приемопередатчиков стандарта 802.15.4. Эти дешевые и простые в эксплуатации чипы позволяют даже небольшим малоизвестным фирмам создавать свою собственную продукцию и успешно конкурировать не только в своих странах, но и на международном рынке.

Стандарт IEEE 802.15.4 является базовым для технологий Thread, ZigBee, WirelessHART, MiWi, ISA100.11.

 

Thread — технология для «умного дома»

Уровни технологии Thread в модели OSI

Рис. 2. Уровни технологии Thread в модели OSI

На базе стандарта IEEE 802.15.4 была разработана технология Thread, адаптированная для технологий «умный дом» и «умный город» [7].

Одной из основных целей такой технологии было создание в жилых зданиях сетей, объединяющих различные бытовые приборы и оборудование, например освещение, климат-контроль, кухонные машины, пожарные датчики, охранные сигнализации и другое. Топология ячеистой сети, поддерживаемая этой технологией, является оптимальной для сетей контроля уличного освещения. В коммерческих зданиях медицинских учреждений, а также гостиниц, школ и театров Thread будет служить для повышения эффективности эксплуатации конкретного оборудования и обеспечения безопасности.

Структура технологии Thread показана на рис. 2.

Фактически Thread представляет собой протокол для беспроводных ячеистых (mesh) сетей с низким энергопотреблением, основанный на стандарте 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks). Этот стандарт позволяет доставлять пакеты данных по протоколу IPv6 поверх LPWAN-сетей стандарта IEEE 802.15.4.

Нижние уровни Thread PHY, MAC полностью соответствуют стандарту IEEE 802.15.4, который на протяжении многих лет обеспечивает надежную работу маломощных устройств с низкой пропускной способностью в mesh-сетях.

Верхние уровни используют собственный протокол Thread, разработанный на базе первоначального протокола NEST — Weave. В современном виде стек протоколов Thread обслуживает уровни UDP, IP Routing, 6LoWAN, которые позволяют связываться различному сертифицированному оборудованию между собой в автоматическом режиме, и отвечает за безопасность связи в своих сетях.

Структура сети Thread, показанная на рис. 3, включает следующие элементы: End Device Router Eligible, Thread Router, Leader, Border Router, Thread Link.

Структура ячеистой сети Thread

Рис. 3. Структура ячеистой сети Thread

Многочисленные граничные роутеры (Border Router) обеспечивают связь с другими сетями, в том числе и Ethernet, Wi-Fi, celular.

Единственное главное управляющее устройство сети Thread (Leader) регулирует работу всей сети, координирует параметры, принимает решения по маршрутизации.

Внутрисетевые рабочие роутеры (Thread Router), чье количество может достигать 32 на одного лидера, формируют топологию ячеистой сети, обеспечивают текущий трафик между устройствами.

В сети Thread может быть задействовано более 250 конечных устройств (End Device), которые представляют собой различные сертифицированные бытовые, медицинские, научные и другие специальные приборы.

Одними из ключевых моментов Thread является функциональная совместимость устройств разных производителей (End Device), имеющих соответствующий сертификат альянса Thread group [8].

Поскольку технология Thread ориентирована только на сетевой уровень, она отличается от других ячеистых сетей тем, что поддерживает как многоадресную (flooding), так и одноадресную маршрутизируемую (unicast routed) передачу данных, что обеспечивает масштабируемость сети и надежность связи. В то же время недостатком такой структуры является отсутствие единой координации на самых верхних уровнях. Поэтому, хотя сертифицированные конечные устройства сети Thread и совместимы, они не смогут напрямую взаимодействовать между собой. Например, температурный датчик не сможет напрямую уменьшить нагрев системы климат, контроля и т. д.

Одна из важных проблем LPWAN-сетей — уязвимость единой точки доступа в плане возможных аварийных ситуаций. Так, в случае возможной аварии домашней сети на базе Wi-Fi из строя может выйти все подключенное к ней оборудование «умного дома».

Используемый в случае Thread протокол 6LoWPAN менее требователен, чем другие стандарты. Для его реализации необходимо самое простое стандартное программное обеспечение, поддерживающее маршрутизацию IPv6. При потере соединения с Интернетом конечные устройства смогут взаимодействовать по схеме P2P.

С точки зрения обеспечения безопасности Thread имеет встроенную защиту на сетевом уровне, которая идентифицирует устройства перед подключением к сети с помощью специальных методов криптографии с открытым ключом банковского уровня, делая это как на MAC уровне, так и на уровне приложений.

Благодаря ячеистой топологии Thread может масштабировать сети на большие расстояния, поддерживая функции самовосстановления и самоуправления, которые обеспечивают доставку пакетов данных по наиболее эффективному маршруту в любое заданное время. Еще одно полезное свойство сетей Thread — возможность добавления новых устройств, отключения ненужных в данный момент устройств и повторного их восстановления в любое время без какого-либо ущерба для всей системы.

Наиболее подробно технология Thread описана в документе «Thread 1.1.1 Specification by the Thread Group, Inc», ознакомиться с которым можно по запросу на сайте [9].

Первоначально в разработке этого стандарта приняли участие Samsung, Nest, ARM, Yale Security и Big Ass Fan, которые образовали ассоциацию Thread Group. Позже концерн Google купил фирму Nest и вошел в альянс в качестве ведущего участника. В настоящее время в эту группу входят и такие концерны, ассоциации и фирмы, как Texas Instruments, TDK, Samsung, ST, Silicon Labs, Siemens, Renesas, Qualcomm, LG, IDT, Nordic Semiconductors, NXP, ZigBee alliance, Open Connectivity Foundation, NFC Forum, Linaro, KNX Association, EEBus, The Continental Automated Buildings Association (CABA) и другие [10]. Сегодня корпорация Google проводит активную маркетинговую программу по продвижению своей версии сетевого протокола Thread с открытым исходным кодом, получившим название OpenThread. Эта платформа позволяет сделать сетевые технологии, используемые в продуктах Google Nest, более доступными для разработчиков; ускорить реализацию проектов «умный дом»; значительно снизить расходы на проектирование и монтаж оборудования. Устройства OpenThread отличаются простотой, низкой ценой и поддержкой — как системы на кристалле (SoC), так и сетевого сопроцессора (NCP) [11].

Платформа OpenThread реализует все функции, определенные в спецификации Thread 1.1.1, в том числе IPv6, 802.15.4, 6LoWPAN, системы безопасности MAC, поддержку ячеистой сети с маршрутизацией ячеек, поддержку пограничного роутера и оконечных устройств.

ПО OpenThread обеспечивает работу с сетевыми сопроцессорами (Network Co-Processor, NCP) и радиосопроцессором (Radio Co-Processor, RCP) на уровне приложений в соответствии с 802.15.4 SoC. Связь между хост-процессором и NCP осуществляется через интерфейсы SPI или UART.

На сайте Google в разделе Codelab разработчики могут программировать свои реальные устройства в среде OpenThread, создавать собственные локальные сети и обмениваться сообщениями со своими устройствами. Отладку оборудования можно проводить с помощью стандартных плат с поддержкой 802.15.4 — например, Nordic nRF52840 development boards. Для граничного роутера, получившего название в этой платформе OpenThread Border Router (OTBR), можно использовать сертифицированные продукты Raspberry Pi 3B.

В заключение этого раздела следует отметить, что, вероятнее всего, Thread сумеет очень быстро выйти на рынок и занять на нем лидирующее место, поскольку он использует существующие устройства (802.15.4), которые уже проданы в количестве сотен миллионов штук. Поскольку Thread Group не ставит своей целью разработку новых чипов или уникальной аппаратной платформы, то для продуктов, использующих PHY IEEE 802.15.4, достаточно будет обновить программное обеспечение, чтобы сделать его совместимым с Thread.

Немаловажно и то, что Google потратил миллиарды долларов на этот проект, возможно, в надежде, что в дальнейшем протокол Thread будет интегрирован в Android.

 

Технология LoRa и сети LoraWAN

Технология LoRA соответствует классу маломощных широкополосных импульсных устройств, предназначенных для работы в сетях LPWAN. Модель OSI для технологии LoRa (Long Range) показана на рис. 4.

Модель OSI для технологии LoRa (Long Range)

Рис. 4. Модель OSI для технологии LoRa (Long Range)

Физический уровень технологии LoRa представлен устройствами, работающими с модуляцией LoRa Modulation в диапазонах частот, выделенных для LPWA стандартами IEEE и региональными законодательными актами.

Технология LoRa базируется на методе модуляции LoRa Modulation, разработанном и запатентованном корпорацией Semtech Corporation, в котором объединены техника расширения спектра SSM (spread spectrum modulation) и вариация линейной частотной модуляции CSS (chirp spread spectrum).

Эта технология, где данные кодируются широкополосными импульсами с частотой, изменяющейся в заданных интервалах времени, обеспечивает надежную симметричную связь в обоих направлениях — UL и DL. В методе расширения спектра CSS используется внутриимпульсная частотная модуляция с линейным законом изменения мгновенной частоты во времени. Расширение спектра достигается за счет генерации чирп-сигналов (chirp signal), представляющих собой скалярное произведение входного сигнала и элементарных математических функций (чирплетов). Процесс кодировки в технологии LoRa реализован с помощью сдвига во времени кодирующего чирпа. Таким образом, на шкале времени весь промежуток передачи чирпа разделяется на интервалы, которые определяют саму шкалу. Причем кодируемый символ определяется положением скачка частот на этой шкале. Циклический сдвиг чирпа по времени позволяет кодировать один символ. В технологии LoRa каждый передаваемый символ соответствует четырем битам. В дополнение к этим битам данных передается как минимум один бит коррекции ошибок. Направление чирпа определяет его функциональность. Убывающие чирпы применяются в кодировании LoRa для обозначения окончания преамбулы. Метод SSM, предусмотренный в технологии LoRa, использует множество расширяющих сигналов одинаковой амплитуды, разнесенных по частоте, и каждый из компонентных сигналов кодируется с помощью псевдослучайной последовательности или специальной таблицы преобразования.

Поскольку в методе SSM используется принцип избыточности, технология LoRa очень устойчива к воздействию коротких импульсных помех. Комбинация методов CSS, SSM и FEC позволяет технологии LoRa выделять полезный сигнал на уровне сильных помех за счет исключения каналов, в которых обнаружены узкополосные шумы (рис. 5).

Cигнал LoRa на фоне коротких импульсных помех [16]

Рис. 5. Cигнал LoRa на фоне коротких импульсных помех

В технологии LoRa предусмотрено частотно-временное и кодовое разделение каналов, что позволяет конечному устройству выбрать определенную схему модуляции. Поэтому базовая станция LoRa способна разделять потоки данных от нескольких устройств, одновременно работающих на одном частотном канале с разными схемами модуляции. Модуляция LoRa значительно увеличивает базу сигнала (произведение эффективных значений длительности сигнала и ширины его спектра). Кроме того, в технологии LoRa используется асинхронная передача сигнала. Поэтому технология, разработанная фирмой Semtech, очень устойчива по отношению к интерференциям, как внутри, так и за пределами рабочего диапазона. Длительность символьных кадров в сообщениях LoRa больше, чем в системах с поддержкой FHSS. Это обеспечивает высокую степень фильтрации помех, обусловленных амплитудной модуляцией. Также следует отметить, что применение чирп-сигналов позволяет свести к минимуму искажения, вызванные эффектом отражений в условиях городской застройки.

Технология LoRa способна демодулировать сигналы на уровне 19,5 дБ ниже уровня шумов. Более подробно технология модуляции LoRa описана в документе [12].

Совокупность метода модуляции LoRa и стека протоколов верхних уровней поддерживается открытым сетевым стандартом LoRaWAN (Long Range Wide-Area Networks). Разработкой и поддержкой которого занимается международное некоммерческое объединение LoRa Alliance [13]. На сегодня реализованы две версии стека протоколов LoRaWAN. Протокол LoRaMAC разработан фирмой Semtech, а протокол LoRaWANinC предложен концерном IBM. Для использования проприетарного программного обеспечения LoRa необходима лицензия Semtech.

К основным характерным особенностям LoRaWAN можно отнести мобильно перестраиваемые значения скоростей передачи данных и выходной мощности устройств, временное разделение доступа к среде, частотное разделение каналов, возможность демодулирования сигналов в одном частотном канале на разных скоростях.

В стандартном варианте сеть LoRaWAN состоит из сетевого сервера, сервера приложений, конечных мобильных устройств и шлюзов (рис. 6).

Структура сети LoRaWAN [19]

Рис. 6. Структура сети LoRaWAN [14]

Сетевой сервер (Network Server) — главное управляющее устройство, координирующее работу всей сети LoRaWAN. Сервер приложений (Application Server) осуществляет удаленный контроль конкретных групп мобильных устройств (End Node).

Шлюзы предназначены для связи LoRaWAN с другими сетями, например GSM, LTE, Ethernet, WiFi, BlueTooth и т. д.

В сетях LoRaWAN регламентируются три класса конечных мобильных устройств:

  • двунаправленные конечные устройства класса А (Bi-directional end-devices, Class A), используемые в случаях минимальной потребляемой мощности при приоритете передачи данных к серверу;
  • двунаправленные конечные устройства класса B (Bi-directional end-devices, Class B), обладающие дополнительным временным слотом приема данных по расписанию в определенное время;
  • двунаправленные конечные устройства класса С с максимально возможным временным интервалом приема данных.

Базовые станции LoRa в общем случае представляют собой относительно простые, компактные устройства. В условиях городской застройки каждая базовая станция (БС) покрывает область с радиусом около 3 км. Одним из преимуществ технологии LoRa является отсутствие платы за трафик. Теоретически одна базовая станция LoRa может обслуживать несколько десятков тысяч конечных устройств.

В технологии LoRa поддерживаются протоколы IPv6 и 6LoWPAN. На сетевом уровне используется шифрование AES с ключом Unique Network key EUI64, а на уровне приложений дополнительно применяется специальный ключ устройства Device specific key, EUI128.

В зависимости от мощности сигнала скорость обмена выбирается автоматически (ADR) в диапазоне 30 бит/с — 50 кбит/с (рис. 7).

Скорости передачи в сетях LoRa для различных значений ширины полосы и показателя распространения CR [20]

Рис. 7. Скорости передачи в сетях LoRa для различных значений ширины полосы и показателя распространения CR [15]

В сетях LoRaWAN могут быть использованы разнообразные варианты сетевой архитектуры, например star («звезда») или комбинированные сети типа Star of stars.

Кроме того, технология LoRa позволяет конструировать различные топологии, создавая собственные протоколы передачи данных поверх физического уровня LoRa и отказавшись от использования стека LoRaWAN.

В настоящее время наибольшее распространение получили узкополосные ISM-трансиверы Semtech серии SX123x, включающие восемь моделей. Также хорошо зарекомендовали себя трансиверы CC1120, CC1125 Texas Instruments и Si4460, SiLabs. Из законченных модулей на базе этих чипов можно отметить RN2483 LoRa (Microchip), iM880a (IMST), XRange (Netblocks), mdot (MutliTech), RFM95W (HopeRF), LL-RXR-27 (Link Labs).

Следует обратить внимание еще на одного производителя оборудования для сетей LoRaWAN — американскую фирму Link Labs, выпускающую оборудование, которое полностью поддерживает стандарт LoRa Alliance. Кроме того, Link Labs разработала собственную систему для сетей LPWAN, представленную на рынке под торговой маркой Symphony Link. Эта технология использует физический уровень LoRa. Однако уровень MAC Symphony Link существенным образом отличается от LoRa MAC. Устройства данной технологии работают в диапазоне ISM 915 МГц и имеют сертификат ETSI для эксплуатации в диапазоне 868 МГц. При этом частотный диапазон Symphony Link в 100 раз больше, чем у Wi-Fi. Шлюз Symphony Link представляет собой восьмиканальную базовую станцию, которая оптимальна для промышленных или муниципальных приложений, таких как уличное освещение, «умный дом», контроль расхода воды и газа [16].

 

Технология Ultra Narrow Band — UNB

Технология ультраузкой полосы модуляции (Ultra Narrow Band, UNB) представляет собой эффективную технологию для сетей LPWAN с топологией «звезда», объединяющих маломощные интеллектуальные датчики в таких приложениях, как «умный город», коммунальные услуги, инфраструктурные сети, мониторинг окружающей среды, транспорт и здравоохранение. Подробную информацию о параметрах этих сетей можно найти на сайте ETSI.

Ниже приведено краткое техническое описание технологии UNB. Основная задача, которая ставилась перед разработчиками данной технологии, заключалась в том, чтобы создать такие низкоскоростные сети, которые могли бы работать в нелицензируемом диапазоне частот 863 и 870 МГц, объединяя десятки и сотни тысяч конечных микромощных интеллектуальных датчиков. Сеть UNB состоит из конечных устройств (end-points, EP), базовых станций (base stations, BS) и сервисных центров (service centre, SC).

Стандартные системы UNB работают с полосой пропускания 10–100 Гц. В отличие от рассмотренных выше широкополосных систем связи, в которых используются методы SSS (sequence spread spectrum) и CSS (chirp spread spectrum), в системах UNB применяются фильтры с высокой избирательностью. В идеальном случае наличие таких фильтров может обеспечить эффективную селективность сигналов UNB одного устройства от сигналов других устройств UNB, действующих на смежных несущих частотах. На практике такая селективность ограничивается нестабильностью работы фильтров, которая в реальной жизни отлична от нулевого значения. Широкое распространение системы UNB получили в смежных стандартах, где используется модуляция типа OFDM.

Приемники UNB отличаются высокой избирательностью, что позволяет достичь приемлемого отношения сигнал/шум при относительно слабом принимаемом сигнале. Поэтому уровни мощности передатчика могут быть заметно ниже по сравнению с широко­полосными технологиями. Как следствие, конечные устройства UNB тратят значительно меньше электроэнергии и могут работать от одной батарейки более 10 лет.

В документах ETSI системы UNB не регламентируются в плане EC, и EP, и BS, считаются неспецифичными системами малого радиуса действия (SRD). Документами ETSI EN 300 220-1 определяются только вопросы электромагнитной совместимости и радиочастотного спектра (Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters, ERM) для устройства ближнего радиуса действия (SRD) для радиооборудования, которое будет использоваться в диапазоне частот 25–1000 МГц с уровнями мощности до 500 мВт [17].

Поскольку системы UNB в значительной степени асимметричны, полосы рабочих частот и соответствующие требования относительно доступа к среде различны для конечных устройств (EP) и базовых станций (BS).

Конечные устройства UNB работают в диапазоне ERC 70-03 h1.4 (868–868,6 МГц) при мощности передачи 25 мВт (эквивалентной мощности излучения, erp) и рабочем цикле 1%. При этом базовые станции UNB действуют с мощностью передачи 500 мВт (erp) с рабочим циклом 10%.

Технология UNB для приложений LPWA предусматривает одну поднесущую для восходящей линии связи от каждого конечного устройства. В то же время базовая станция может обрабатывать множество сигналов по восходящей линии связи аналогично широкополосной системе, используя несколько поднесущих. Применение множества узкополосных поднесущих уменьшает количество конечных устройств, имеющих общий доступ к данному каналу, что позволяет снизить влияние помех от других UNB-систем (рис. 8).

Базовая станция UNB может работать с несколькими конечными устройствами одновременно

Рис. 8. Базовая станция UNB может работать с несколькими конечными устройствами одновременно

Целевой бюджет канала UNB в направлении вверх составляет (+150…+155 дБ). Максимальная выходная мощность в полосах частот, выделенных для неспецифических устройств SRD, равна +14 дБм. Чувствительность приемника базовой станции –140 дБм. Эти параметры позволяют использовать сверхузкую полосу пропускания в восходящей линии связи. Типичная ширина полосы составляет около 250 Гц. Однако также возможны более низкая и более высокая пропускная способность. Таким образом, в системах UNB конечное устройство отправляет сигналы в рабочей полосе частот (примерно 200 кГц), используя только очень небольшую его часть, обычно равную 250 Гц. Для базовой станции BS необходима более высокая мощность. Поэтому BS передают сигналы в диапазоне ERC 70-03 h1,6 (869,4–869,65 МГц). Эта полоса обеспечивает доступный спектр только 250 кГц [18].

Технология цифрового радио (SDR) позволяет использовать более одной несущей UNB, что может обеспечить повышенную пропускную способность в нисходящей линии системы UNB. Принцип SDR подробно описан в многочисленных публикациях, в том числе и автором данной статьи. Операция с несколькими несущими может использоваться, когда потери в канале одной несущей нисходящей линии связи являются относительно низкими по сравнению с другими каналами и мощность передачи может быть снижена ниже нормативного значения. В этом случае оставшаяся мощность (в нормативных пределах) может быть перераспределена на другие соседние каналы в той же рабочей полосе частот. Более подробная информация о системах UNB доступна в документах ETSI.

 

Технология SIGFOX

Технология SIGFOX поддерживается и сертифицируется французской фирмой Sigfox Société Anonyme. Эта же фирма является эксклюзивным производителем базовых станций SIGFOX. Технология разработана французским инженером Кристофом Фауртетом (Christophe Fourtet) в 2008 году и соответствует спецификациям ETSI для классов технологии Low Throughput Networks (LTN) и технологии Ultra Narrow-Band (UNB).

Структура SIGFOX (рис. 9), напоминающая стандартные сети сотовой связи, содержит асинхронные и синхронные мобильные устройства (nodes), базовые станции, шлюзы для выхода в 3G-сети, дата-центры, системы уведомительных сообщений, устройства удаленного контроля.

Структура сети SIGFOX [24]

Рис. 9. Структура сети SIGFOX [19]

Краткие технические характеристики SIGFOX приведены в таблице. Мобильные устройства SIGFOX конструктивно достаточно просты и относительно дешевы.

Технология SIGFOX базируется на четырех основных принципах: расширение спектра (Spread spectrum, SS), беспроводная технология малой мощности с ультранизкой полосой (Ultra Narrow Band, UNB), программно-определяемая радиосистема (Software-defined radio, SDR) и когнитивное радио (Cognitive Radio, CR) [20].

Существенным отличием SIGFOX от LoRA является полоса пропускания. В технологии SIGFOX используется узкая полоса Ultra Narrow Band (UNB). В этой технологии один канал занимает полосу шириной всего 100 Гц. В диапазоне частот 864–865 МГц для активной работы доступны 500 кГц. Причем технология SIGFOX позволяет передавать в этой полосе информацию по сотням каналов, не перегружая работу основной базовой станции. Пример реального сигнала SIGFOX показан на рис. 10.

Пример реального сигнала SIGFOX

Рис. 10. Пример реального сигнала SIGFOX

Например, 210 сигналов UNB SIGFOX занимают всего около 4% ресурсов базовой станции.

Следует упомянуть, что в технологии SIGFOX использованы принципы программно-определяемой радиосистемы (SDR) и когнитивного радио (CR) [21].

Трансиверы SDR должны работать с максимально возможным количеством различных радиостандартов, в широком диапазоне частот с различными принципами модуляции и кодировки. В таких устройствах предельно упрощена аналоговая часть, а все задачи по декодированию и обработке сигналов возложены на программное обеспечение. Таким образом, в устройствах Sigfox на программном уровне реализованы функции, которые в традиционных схемах выполняют аппаратные компоненты — конвертеры, фильтры, усилители, модуляторы/демодуляторы и т. д.

Метод когнитивного радио определяет систему управления, которая имеет отношение к процессу анализа информации, необходимой для решения определенной задачи, — например, поиску в сложном широкополосном радиочастотном спектре сигналов определенной частоты и модуляции.

Мобильные устройства SIGFOX могут передавать информацию в дата-центры аналогично тому, как в сетях сотовой связи абоненты передают короткие сообщения друг другу на сервер коротких сообщений, используя сети определенного провайдера. Базовые станции передают данные на серверы SIGFOX через логические каналы связи. Каждое сообщение отсылается с идентификационным ключом, привязанным к мобильному устройству.

Информация от мобильного устройства к базовой станции SIGFOX передается в виде трех пакетов на трех псевдослучайных частотах. Приоритет отдается передачам от мобильного устройства к базовой станции (UL). Сеансы передачи в обратном направлении (DL) применяются значительно реже. Так, лучшие образцы мобильных устройств SIGFOX позволяют передавать до 140 сообщений по 12 байт каждое в направлении UL, но не более четырех сообщений по 8 байт в направлении DL. При этом каждое сообщение пересылается трижды на разных частотах, что позволяет добиться высокой степени надежности передачи данных.

Технология SIGFOX строго не регламентирует как конструкцию, так и параметры мобильного устройства. Поэтому производители вправе создавать собственные варианты.

Следует отметить, что простота конструкции и небольшая цена привели к тому, что мобильные устройства SIGFOX имеют существенное ограничение по чувствительности — они начинают устойчиво работать только если полезный сигнал превышает уровень шумов примерно на 20 дБ. В структуре SIGFOX нет этапов инициализации связи и параметризации мобильного устройства, которое самостоятельно решает, когда ему нужно передать соответствующее сообщение. Основную часть времени (больше 99%) мобильное устройство SIGFOX находится в спящем режиме и выходит на связь лишь по заданному графику. Кроме того, мобильное устройство может запрашивать сеть с просьбой о перезагрузке. Если сеть не ответит в течение 20 с, устройство перейдет в режим ожидания сообщения на заданной частоте.

В настоящее время компоненты для мобильных устройств SIGFOX выпускают ведущие мировые производители, в частности Atmel (ATA8520 transceiver), ON Semiconductor (AX-SIGFOX), Texas Instrument (CC112x transceiver), Silicon Labs (Si446X transceiver), ATIM (ARM-NANO module), Telecom Design (TD120x module), Telit (LE51-868 S module), StickNTrack (Asset Tracking), Whislte (PetTracking) и другие. На базе этих чипов известные мировые производители выпускают готовые к работе модули SIGFOX, дополненные современными микроконтроллерами и встроенным программным обеспечением — например, модуль Telit LE51-868 S, Libelium Sigfox Waspmote и другие.

В архитектуре SIGFOX используются собственные базовые станции. Основная идея среды SIGFOX заключается в том, чтобы возложить на базовую станцию все основные функции по обслуживанию максимально простого мобильного устройства. В технологии SIGFOX программное обеспечение базовой станции служит главным элементом системы и практически полностью обеспечивает обработку данных, полученных с мобильных устройств. Далее сообщение направляется конечному пользователю через соответствующего оператора.

Лицензия на изготовление и эксплуатацию базовых станций SIGFOX принадлежит французской фирме Sigfox Société Anonyme. Одна из последних моделей этого типа оборудования SIGFOX SBS-T-902 v2.2 представляет собой достаточно сложный программно-аппаратный комплекс. Эта базовая станция, кроме приема и обработки сигналов мобильных устройств, может передавать управляющие сообщения сети SIGFOX.

Поддержку мобильных устройств SIGFOX осуществляют примерно 60 операторов в различных странах. В РФ лицензированные сети SIGFOX не поддерживаются.

 

Weightless — технология UNB для проектов «умный город»

Другая открытая технология сверхузко­полосной связи UNB, предназначенная для сетей LPWAN, продвигается под торговой маркой Weightless («невесомая»). Эта технология поддерживается и развивается некоммерческой Weightless SIG [22].

В настоящее время доступны три спецификации этой технологии:

  • Weightless-N использует технологию UNB с односторонней связью на нелицензируемых частотах ISM субгигагерцевого диапазона;
  • Weightless-W базируется на неиспользуемых частотах телевизионного спектра (TV white space, TVWS);
  • Weightless-P поддерживает стандарты SRD (short range devices) в диапазонах ISM.

Спецификация Weightless-W предназначена для удаленных корпоративных сетей, таких, например, как нефте- и газопроводы. Для простых датчиков температуры, расхода воды и газа, а также других подобных сенсоров оптимальной из перечисленных выше спецификаций является Weightless-N. Подробно эти технологии описаны на сайте [23].

Наибольший интерес для сетей LPWAN представляет технология Weightless-P, предназначенная для работы во всех субгигагерцевых диапазонах ISM: 169, 433, 470, 780, 868, 915 и 923 МГц. Технология относится к разряду UNB с шириной канала 12,5 кГц. Такая сверхузкополосная методика дает возможность передавать в несколько раз больше данных, чем SIGFOX.

В этой технологии использована квадратурная модуляция со сдвигом OQPSK (Offset QPSK) и методы TDMA/FDMA. Множественный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA) позволяет нескольким конечным устройствам совместно использовать один и тот же частотный канал за счет разнесения сигнала по разным интервалам времени. Множественный доступ с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access, FDMA) предоставляет возможность действовать нескольким конечным устройствам в разных частотных диапазонах, при этом строго синхронизируя работу всех устройств. Кроме того, методы TDMA/FDMA позволяют использовать эту технологию при работе с движущимися объектами.

Как и другие сети, базирующиеся на стандарте UNB, сети Weightless-P состоят из конечных устройств (EP) и базовой станции (BS), которая постоянно контролирует работу сети и назначает каждому устройству точное время и канал связи.

В зависимости от программируемой мощности трансмиттера скорость передачи данных находится в диапазоне 0,625–100 кбит/с. Типичная мощность передачи конечного устройства 14 дБм (до 30 дБм). Радиус действия в условиях городской застройки составляет примерно 2 км, а на прямой видимости достигает 5–10 км.

Типичная мощность передачи базовой станции 27 дБм (до 30 дБм).

В отличие от несинхронизированных сетей SIGFOX, в которых сообщение отправляется до тех пор, пока не будет успешно доставлено, синхронизированная работа сетей Weightless-P позволяет безошибочно доставлять пакеты данных с первой попытки. Надежность передачи данных обеспечивается использованием EAP-GPSK схемы идентификации и AES-128/256-шифрованием.

Размер стандартного пакета передаваемых данных Weightless-P составляет примерно 200 байт. В принципе возможно и увеличение этого значения. Такого объема данных вполне достаточно для большинства интеллектуальных сенсоров. Если принять, что конечное устройство будет передавать по 200 байт каждые 15 мин, получим 1,78 бит/с.

Пропускная способность MAC, деленная на пропускную способность данных конечного устройства, определит количество узлов, которые могут быть обслужены.

Сеть Weightless-P может обрабатывать 2769 конечных точек на базовую станцию с указанными характеристиками восходящей линии связи. Для сравнения стоит напомнить, что технология с расширенным спектром может управлять 52, а технология сверхузкой полосы может вместить 789 конечных точек [24].

Сети Weightless-P поддерживают топологию «звезда», при этом базовая станция выполняет роль центрального узла.

Начиная с 2017 года оборудование для сетей Weightless выпускает корпорация Ubiik Inc. Сегодня она имеет более 100 филиалов в 40 странах [25]. Продукция Ubiik популярна во всем мире благодаря мощной технической поддержке производителя.

В частности, хорошо известен комплект разработчика Weightless-P Kit (рис. 11), который включает все аппаратное оборудование и программное обеспечение, необходимое для проектирования сетей UNB LPWAN [26].

Комплект разработчика Weightless-P Kit

Рис. 11. Комплект разработчика Weightless-P Kit

В 2016 году ассоциация Weightless SIG подписала договор о партнерстве с Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) [33].

Одновременно Weightless SIG объявила о включении в совет директоров одного из ведущих мировых производителей оборудования для уличного освещения — фирму Telensa [27]. На сегодня британская фирма Telensa установила около 2 млн автоматизированных систем управления уличным освещением. Большинство проектов компании находятся на внутреннем рынке в Великобритании, но она также активно работает по всей Европе и имеет растущий бизнес в США. Telensa недавно объявила, что будет обслуживать 180 000 проектов конечных точек уличного освещения Gulf Power, а также несколько средних проектов в Австралии и Новой Зеландии. Существует и ряд других проектов в различных регионах мира.

Система Telensa включает связь UNB между уличными фонарями и базовой станцией, которая может принимать сигналы от 5000 улич­ных фонарей и передавать данные по сотовой связи в центр управления, способный управлять объединенными сетями с большим количеством уличных фонарей. Кроме того, Telensa предоставляет программное обеспечение и услуги для своих предложений.

В дополнение к интеллектуальному уличному освещению Telensa предлагает мультисенсорные модули, установленные на уличных фонарях, которые позволяют реализовать дополнительные функции, например контроль качества воздуха, контроль движения пешеходов и транспорта, мониторинг состояния мусорных баков. В общей сложности Telensa установила свыше 9 млн датчиков в 30 странах, от Великобритании и США до Китая и Бразилии.

Продукция Telensa хорошо известна в России. Так, в Москве реализован проект Telensa Smart Parking, работы по парковкам и уличному освещению с участием Telensa проводятся в Санкт-Петербурге и Казани [28].

В начале 2019 года Telensa объявила о своем проекте Urban Data Project в сотрудничестве с Microsoft Azure, Qualcomm, Kainos и другими, который, по сути, является общим дата-центром накопленной информации.

Решения Telensa основаны на собственной двусторонней технологии UNB, регламентированной стандартами ETSI.

В октябре 2019 года Telensa объявила о запуске открытой технологии Urban IQ, предназначенной для подключения датчиков с использованием интеллектуальной инфраструктуры уличного освещения и визуализации собранных данных [29].

Сотрудничество Weightless SIG и Telensa открывает новые перспективы развития UNB LPWAN в проектах «умный город».

 

Российская узкополосная технология «ВАВИОТ»

В РФ сети SIGFOX не поддерживаются. Аналог этой технологии предлагает отечественная фирма «Телематические Решения». Эта фирма разработала собственную технологию на базе UNB, получившую торговое название «ВАВИОТ». Компания производит базовые станции, мобильные устройства, предоставляет сетевые серверы, занимается монтажом и обслуживанием оборудования и является единственным оператором сетей «ВАВИОТ» [30]. Для управления модулем «ВАВИОТ» фирма создала собственное программное обеспечение, разработанное на базе собственного протокола NB-Fi, который применяется в качестве протокола радиосвязи для модемов системы «ВАВИОТ».

В своих изделиях ООО «Телематические Решения» использует готовые трансиверы Semtech и Axsem, выпуская для них прошивки верхних уровней, позволяющие создавать управляемые сети LPWAN.

Беспроводной LPWAN-счетчик горячей и холодной воды «Вавиот» производства ООО «Телематические Решения»

Рис. 12. Беспроводной LPWAN-счетчик горячей и холодной воды «Вавиот» производства ООО «Телематические Решения»

Основным элементом полевых устройств «ВАВИОТ» является модем, который осуществляет сбор данных и передачу информации на частотах безлицензионных диапазонов (ВРФ–868 МГц). Для передачи радиосигнала предусмотрена физическая модуляция DBPSK. Ширина полосы базовой станции составляет 500 кГц. При этом ширина полосы канала модема равна 100 Гц. Выходная мощность передатчика не превышает 25 мВт. Минимальная скорость передачи данных составляет 50 бит/с, в то время как максимальная скорость достигает 25 600 бит/с. В режиме передачи ток потребления около 50 мА при мощности излучения 14 дБм. В системе «ВАВИОТ» поддерживается шифрование XTEA с уникальными ключами для каждого модема, имеющего уникальный адрес, состоящий из 3 байт.

Компания «Телематические Решения» выпускает ряд интеллектуальных датчиков, объединяющих сенсор, микроконтроллер и радиомодем (рис. 12).

Как уже отмечалось, «Телематические Решения» выпускает и собственные базовые станции (БС). Так же, как и в технологии SIGFOX, в базовой станции «ВАВИОТ» используется принцип SDR (программно-определяемая радиосистема). При соответствующей доработке програм­много обеспечения это позволяет реализовать на данном оборудовании и другие протоколы LPWAN. Базовые станции «ВАВИОТ» обеспечивают покрытие до 10 км в городской среде и до 30 км в условиях прямой видимости конечных устройств. По заявлению разработчиков «ВАВИОТ», одна БС «ВАВИОТ» может обслуживать до 100 000 мобильных устройств.

Следует обратить внимание на бизнес-модель «ВАВИОТ». Фирма «Телематические Решения» является одновременно и оператором сетей LPWAN, и единственным монопольным производителем базовых станций и конечных устройств. При этом компания сама предоставляет сервер сети и производит пусконаладочные работы. Такая полностью закрытая бизнес-модель характерна для российских предприятий 90-х годов прошлого века. Кроме того, в отличие от перечисленных выше технологий, объединяющих в альянсы лидеров мировой электронной индустрии, технология «ВАВИОТ» не имеет столь мощной финансовой поддержки.

 

Заключение

Основные технические характеристики сетей LPWAN нелицензионного диапазона приведены в таблице.

Таблица. Основные технические характеристики сетей LPWAN нелицензионного диапазона

Технология

802.15.4/ Thread

LoRa

SigFox

Weightless

«ВАВИОТ»

Основной диапазон частот (Европа и РФ)

2,4 ГГц, 915 МГц, 868 МГц

863–870 МГц

863–870 МГц

169, 433, 470, 780, 868,
915, 923 MГц

863–870 МГц

Базовый метод

DSSS BPSK, QPSK

SSM, CSS

UNB, DBPSK (UL), GFSK DL

OQPSK, (PSK/GMSK),
FDMA/TDMA

UNB, DBPSK, Marcato 2.0

Ширина каналов (BandWidth)

2–5 МГц

125, 250, 500 кГц

100 Гц

12,5 кГц

100 Гц

Чувствительность приемника

–85 дБм (2,4 ГГц);
–92 дБм (900 МГц)

–127

(Si461 SiLab)

–126 дБм

(chip AX-Sigfox)

–128 дБм для скорости
0,625 кбит/с

–126 дБм

(AX-Sigfox),
–152 дБм

Уровень обнаружения

Нет данных

Сигнал на 19,5 дБ
ниже уровня шумов

Сигнал на 20 дБ
выше уровня шумов

Нет данных

5 дБм (EP),

10 дБм (BS)

Максимальный размер пакета

102 байт

256 байт

12 байт

200 байт

Нет данных

Доступ в Интернет

Нет

IPv6, 6LoWPAN

Нет

Нет

Нет

Радиус действия
(город/прямая видимость)

10 м/75 м

3 км/30 км

1 км/20 км

5 км/15 км

3 км/10 км

Скорость передачи данных

20–256 кбит/с

30 бит/с — 50 кбит/с

100 бит/с (PSK) —
600 бит/с (FSK)

0,625–100 кбит/с

100 бит/с

(TDIN rD)

Базовая топология

Star, Peer-To-Peer

Mesh

Star

Star

Star

Каждая из технологий имеет свои преимущества и свои недостатки, которые нужно учитывать при выборе конкретной задачи.

Для правильного выбора беспроводной сети для конкретного приложения нужно как минимум учитывать следующие факторы [31]:

  • Лицензия на диапазон: лицензионные системы Rel. 13–Rel. 14 или нелицензируемый диапазон ISM.
  • Наличие развернутых сетей и развитой экосистемы.
  • Бизнес-модели производителя оборудования провайдера сетей (открытая, проприетарная и т. д.).
  • Диапазон рабочих частот.
  • Батарейное питание или питание от магистральной сети.
  • Радиус действия сети.
  • Топология сети (для уличного освещения используются mesh-сети, а индустриальные компьютеры, как правило, подключаются в топологии общей шины).
  • Объем передаваемых данных.
  • Периодичность передачи данных.
  • Скорость передачи данных.
  • Дуплекс или полудуплекс.
  • Синхронная или асинхронная передача данных.
  • Надежность передачи данных (банкомат или датчик температуры почвы).
  • Условия эксплуатации (жесткие для промышленных условий или стандартные).
  • Необходимость систем контроля доступа (охранные системы, платежные терминалы).
  • Количество устройств в сети.
  • Качество и надежность сервисных служб производителя оборудования.
  • Доступность оборудования (возможность при необходимости замены изделий одной фирмы на изделия другой).
  • Конечная стоимость проекта (следует учитывать суммарные затраты, включающие стоимость самого изделия, затраты на разработку, затраты на развертывание сети, комплексные эксплуатационные расходы, стоимость ремонта и обслуживания).
  • Комплекты разработчика.

В настоящее время основными конкурентами на рынке сетей LPWAN являются, с одной стороны, технологии UBN, UWB нелицензионного диапазона ISM, рассмотренные в этой статье, а с другой — технологии лицензируемого диапазона, регламентированные стандартами 3GPPP Rel. 13/14/15 eMTC и NB-IoT (narrowband).

Аббревиатура eMTC означает LTE enhancements for Machine-Type Communications, то есть расширение стандарта LTE для коммуникации между различными механизмами и устройствами. Технология NB-IoT базируется на методе узкополосной радиосвязи (narrowband), который используется для передачи небольших пакетов данных с малыми скоростями в лицензируемом диапазоне частот LTE.

Более подробное описание этих технологий на русском можно найти, например, в статье [32]. Согласно прогнозам [33], в 2025 году более половины всех LPWA-устройств в мире будет приходиться на долю NB-IoT и eMTC. При этом приоритетными считаются сети NB-IoT. Во многом подобное положение вещей связано с тем, что сети NB-IoT и eMTC могут быть реализованы поверх существующих стандартных сетей LTE-M. Также продвижению сетей NB-IoT и eMTC способствует то, что в последнее время появилось много новых моделей чипов с поддержкой обеих технологий производства ведущих мировых электронных концернов.

В области технологий LPWAN нелицензионного диапазона наблюдается опережающий рост широкополосных сетей LoRaWAN по сравнению с UNB-сетями SIGFOX. Крупные мировые провайдеры предпочитают развертывать сети лицензируемого диапазона NB-IoT поверх существующих сетей LTE, а также более надежные сети нелицензируемого диапазона LoRa. Так, только две новые сети SIGFOX были развернуты в период между 2018 и 2019 годами. При этом только семь из 59 существующих в мире сетей SIGFOX эксплуатируются крупными операторами связи. В то же время лидеры рынка операторов сотовой связи предпочитают иметь дело с сетями LPWAN лицензируемого диапазона частот. Например, сети NB-IoT в 2019 году запустили такие известные операторы, как Verizon и AT&T.

Эту ситуацию можно объяснить двумя причинами. Во-первых, при эксплуатации реальных сетей SIGFOX были выявлены дополнительные технические проблемы. Во-вторых, сказались недостатки полностью закрытой бизнес-модели SIGFOX [34].

Например, при развертывании нескольких сетей SIGFOX в одном районе наблюдается заметный спад эффективности передачи из-за перекрывания каналов. Поскольку технология SIGFOX очень чувствительна к точности установки частоты, то даже незначительное отклонение частоты кварцевого резонатора конечного устройства может нарушить его работу в пределах выделенной полосы. Кроме того, SIGFOX работает с очень маленькими фиксированными скоростями — 100 бит/с. Также следует учитывать, что в реальных сетях SIGFOX количество одновременно обслуживаемых конечных устройств заметно отличается от теоретического. При максимальном объеме пользовательских данных 12 байт и длительности передачи в несколько секунд один объект может передавать не более 140 сообщений в сутки. Если эти параметры превышены, сеть начинает работать с ошибками.

Кроме технических проблем, замедление роста сетей связано с некоторыми недостатками закрытой бизнес-модели SIGFOX, в соответствии с которой фирма полностью контролирует поставку и развертывание базовых станций и частично чипов. Платный доступ к сети, реализованный по логическому каналу, контролируется ПО верхнего уровня, которое также принадлежит SIGFOX. Поэтому крупные провайдеры предпочитают «полуоткрытую» бизнес-модель технологии LoRa. В этой модели корпорация Semtech Corporation является владельцем патента и контролирует только нижние уровни PHY и MAC. При этом реализация всех верхних уровней находится в свободном доступе. Чипы LoRa для конечных устройств имеются в продаже с подробной технической документацией [35].

Несмотря на явный спад популярности SIGFOX у лидеров рынка мобильной связи, наблюдается рост стартапов, связанных с созданием небольших локальных сетей LPWAN с нуля. Это можно объяснить, прежде всего, стоимостью проекта. Сети SIGFOX предлагают недорогие модули и услуги по передаче данных в небольших сетях, часто удовлетворяя спрос, который не покрывается традиционными сотовыми технологиями. Стоимость модулей SIGFOX при больших объемах закупки может быть снижена до $2. Это значительно ниже, чем аппаратное обеспечение для альтернативных технологий. Например, модули NB-IoT стоят около $6.

Эксплуатация сетей SIGFOX также достаточно дешевая. Южноафриканский оператор Sqwidnet утверждает, что использование сетей SIGFOX на порядок дешевле, чем традиционных сотовых сетей с поддержкой NB-IoT [36].

Очень важное значение при выборе той или иной технологии имеет область применения данных сетей. В работе [37] проанализирована целесообразность использования наиболее распространенных сетей LPWAN в конкретных приложениях. На рис. 13 показаны сравнительные характеристики лидирующих в настоящее время технологий LPWAN.

Cравнительные характеристики технологий LPWAN: NB-IoT, LoRa, SIGFOX

Рис. 13. Сравнительные характеристики технологий LPWAN: NB-IoT, LoRa, SIGFOX

При мониторинге энергосистем в реальном времени необходим контроль пиковых нагрузок и своевременное принятие решений по перераспределению нагрузки или ликвидации аварий в электросетях. Поэтому для беспроводных систем контроля расхода электроэнергии нужны небольшие интервалы между сеансами передачи данных, высокая скорость передачи данных и малые времена задержки. В большинстве случаев такие беспроводные модули имеют электропитание от магистральной сети. Для этих сетей не требуется батарейное питание с длительным сроком службы. Поскольку технологии типа SIGFOX не позволяют работать с малыми задержками и приемлемыми скоростями передачи данных, они малопригодны для современных систем контроля электропитания. В то же время для этой цели в принципе подходят устройства LoRa класса C. Однако наилучшими параметрами для беспроводных систем контроля расхода электроэнергии обладают устройства NB-IoT.

То же самое можно сказать и об автоматизированных промышленных беспроводных системах контроля, работающих в режиме реального времени. Здесь также явным преимуществом обладают устройства на базе NB-IoT или LoRa.

Для банкоматов и торговых автоматов необходимо гарантированное качество и высокие скорости передачи данных. Поскольку такие терминалы имеют постоянную линию подключения к электросети, в этом случае технология NB-IoT является оптимальным решением. Однако следует отметить, что устройства нового стандарта UWB 802.15.4z могут представлять в данном сегменте сильную конкуренцию.

В беспроводных системах приложений «умный дом» приоритет будут иметь технологии сверхширокополосной связи UBW и широкополосной связи LoRa, а также Thread и Weightless.

Еще одно приложение, в котором используются беспроводные технологии, — оно связано с автоматизированными системами сельского хозяйства. Здесь необходимы сенсоры с батарейным питанием, длительным временем работы от одной батареи, которые несколько раз в день отправляют на центральный пульт данные о температуре, влажности, щелочности и т. д. Для этого приложения отлично подходят LoRa, SIGFOX, Thread. Технология NB-IoT не является оптимальным решением для сельского хозяйства.

В аналогичных системах контроля параметров атмосферного воздуха, таких, например, как системы контроля метеоданных и радиационной обстановки, предпочтение отдается LoRa, SIGFOX, Thread. Эти технологии оптимальны для контроля перемещения различных грузов.

В приложениях «умный город» могут быть задействованы гибридные технологии, включающие комбинации разных сетей. Например, для контроля уличного освещения целесообразно использовать mesh-сети на базе технологий UNB в комбинации с сетями контроля и регулирования движения автотранспорта. Для контроля состояния опор мостов и фундаментов зданий оптимальна новая редакция UBW 802.15.4z.

Несомненно, перспективными для этих приложений являются технологии Thread и Weightless. Вероятно, в ближайшем будущем они получат самое широкое распространение в определенных сегментах проектов «умный город».

Подводя итог обзору технологий WPAN нелицензионного диапазона, изложенных выше, можно с уверенностью говорить о том, что не существует единственной универсальной технологии, пригодной на все случаи жизни. Для каждого приложения оптимален свой вариант. Возможно, критерии, отмеченные в этой статье, помогут разработчикам сделать правильный выбор для своего конкретного проекта.

Литература
  1. minpromtest.ru/reshenie-gkrch-07-20-03-001-ot-07-05-2007/
  2. machinaresearch.com/news/global-m2m-market-to-grow-to-27-billion-devices-generating-usd16-trillion-revenue-in-2024/
  3. slideplayer.com/slide/6920628/
  4. ieeexplore.ieee.org/document/6185525
  5. researchgate.net/publication/312483331_A_novel_IEEE_802154e_DSME_MAC_for_wireless_sensor_networks/link/59783b5745851570a1b5d72d/download
  6. wi-sun.org/our-vision/
  7. threadgroup.org/what-Is-thread
  8. threadgroup.org
  9. threadgroup.org/ThreadSpec
  10. threadgroup.org/thread-group
  11. openthread.io
  12. tuv.com/media/corporate/products_1/electronic_components_and_lasers/TUeV_Rheinland_Overview_LoRa_and_LoRaWANtmp.pdf
  13. lora-alliance.org
  14. semtech.com/lora/what-is-lora
  15. researchgate.net/publication/320649650_A_study_of_LoRa_low_power_and_wide_area_network_technology
  16. link-labs.com
  17. etsi.org/deliver/etsi_en/300200_300299/30022001/02.04.01_40/en_30022001v020401o.pdf
  18. arcep.fr/fileadmin/reprise/dossiers/frequences/ERC-REC-70-03E-version02.PDF
  19. slideshare.net/Reseauxetservicestpa/rs-10-juin-2015-sigfox-christophe
  20. fccid.io/pdf.php?id=2393011
  21. elsevier.com/books/cognitive-radio-communications-and-networks/wyglinski/978-0-12-374715-0
  22. weightless.org/about/what-is-weightless
  23. weightless.org/
  24. weightless.org/keyfeatures/capacity
  25. ubiik.com/lpwan-technology
  26. weightless.org/news/weightless-and-etsi-partner-on-lpwan-iot-standards-development
  27. telensa.com
  28. telensa.com/news/telensa-and-senaptic-come-together-to-build-iot-future/
  29. telensa.com/news/telensa-urban-iq-solution-connects-sensors-through-smart-streetlight-infrastructure/
  30. waviot.ru
  31. electronicdesign.com/iot/12-wireless-options-iotm2m-diversity-or-dilemma
  32. wireless-e.ru/wp-content/uploads/BT0251_Listalka.pdf
  33. iotbusinessnews.com/2018/03/14/20954-nb-iot-ignites-the-race-to-a-billion-lpwaconnected-devices-by-2025/
  34. link-labs.com/blog/sigfox-vs-lora
  35. disk91.com/2017/technology/internet-of-things-technology/learn-about-sigfox-and-lora-radio-technologies/
  36. analysysmason.com/Research/Content/Comments/sigfox-lpwa-niche-rdme0
  37. sciencedirect.com/science/article/pii/S2405959517302953

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada