Сети для IoT: LPWAN

Решения для телеметрии и телемеханики применяются уже больше столетия, но с появлением модного термина «Интернет вещей» поток инвестиций в данную область существенно увеличился. Одно из новых направлений — территориально распределенные сети LPWAN, обеспечивающие беспроводное подключение устройств с очень щадящим режимом энергопотребления: автономная работа от аккумуляторов до 10 лет. Внедрение LPWAN открывает множество перспектив для всех игроков рынка беспроводных сетей передачи данных, поэтому неудивительно, что эта тема стала одной из основных на прошедшей в сентябре конференции «БЕСЕДА», традиционно организуемой компанией CompTek.

Существует множество прогнозов относительно роста числа подключенных «вещей», причем указываемые в них цифры могут отличаться на порядок. Так, скажем, эксперты Gartner полагают, что к 2020 году будет насчитываться «всего» около 21 млрд подключенных устройств, а в Intel исходят из того, что их будет в десять раз больше — 200 млрд.

Ввиду таких расхождений, в качестве «отправной точки» лучше всего взять достаточно сдержанный прогноз Ericsson Mobility Report. Согласно этому документу, общее число подключенных устройств в период с 2015 по 2021 год вырастет примерно в два раза: с 15 до 28 млрд штук, — причем в нем учитываются и традиционные средства для связи «человек — человек» (мобильные и фиксированные телефоны), а также для работы в Сети (ПК, ноутбуки, планшеты). По данным J’son & Partners Consulting, «общее число подключенных устройств в распределенных системах телеметрии России» за рассматриваемый период также увеличится примерно в два раза: с 16,1 до 32,6 млн штук. Хотя аналитики Ericsson и J’son & Partners использовали разные критерии для оценки, даже по грубой прикидке видно, что российский рынок IoT составляет существенно менее 1% от общемирового.

Интересно отметить, что, согласно Ericsson Mobility Report, в 2015 году общее число традиционных коммуникационных устройств (10,1 млрд штук) более чем в два раза превосходило число подключенных «вещей» IoT (4,6 млрд штук). В 2021 году расклад сил изменится уже в пользу IoT: 15,7 против 11,8 млрд устройств. При этом число традиционных средств связи будет увеличиваться лишь на несколько процентов в год, тогда как число подключенных вещей — более чем на 20% (см. рис. 1).

Рис. 1. Рост числа подключенных устройств

В исследовании Ericsson Mobility Report отдельно учитываются устройства IoT, подключенные через сети сотовой связи (cellular IoT) и с помощью других технологий беспроводной связи (non-cellular IoT). Последних в 2015 году было примерно в 10 раз больше. Подобное соотношение сохранится и в 2021 году.

Как считают многие эксперты, беспроводное подключение «вещей», распределенных по большой территории, будет в основном осуществляться посредством сетей с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area Network, LPWAN). Еще каких-то пять лет назад такого термина не существовало вовсе, а сейчас это наиболее перспективное решение для IoT (см. рис. 2). В отличие от классических систем сотовой связи, LPWAN специально разрабатывались в расчете на Интернет вещей и обеспечивают столь важные для этого применения характеристики:

• низкую стоимость оборудования самой сети, а также микросхем для конечного устройства,
• малое энергопотребление, а значит, длительное время автономной работы от аккумуляторов (до 10 лет и более).

Рис. 2. Рост числа соединений M2M, реализуемых с помощью технологий 2G, 3G, 4G и LPWA

Для построения сетей LPWAN уже разработано множество технологий, в том числе в России, однако в глобальном масштабе тремя основными считаются LoRa, Sigfox и NB-IoT. Поскольку Sigfox пока никак не представлена в России, в этом материале сосредоточимся на рассмотрении двух оставшихся.

LORA: КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Технология LoRa была представлена в начале 2015 года компанией Semtech и исследовательским центром IBM Research. Она опирается на метод модуляции LoRa, запатентованный компанией Semtech, а также открытый сетевой протокол Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN). Модуляция LoRa основана на технологии расширения спектра (Spread Spectrum Modulation) и вариации линейной частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS). Такое решение обеспечивает высокую устойчивость связи на больших расстояниях. Модуляция LoRa определяет физический уровень сети радиодоступа, которая может иметь различную топологию: ячеистую (mesh), звезда, «точка — точка» и др.

Развитием технологии LoRaWAN (см. рис. 3) занимается некоммерческая организация LoRa Alliance, в которую входят такие компании, как IBM, Semtech, Cisco, Actility и др. В ноябре 2015 года LoRa Alliance представила программу сертификации для обеспечения гарантированной совместимости оборудования LoRa разных производителей.

Рис. 3. Архитектура сети LoRaWAN

Зона охвата базовой станции (шлюза) в сети LoRaWAN составляет до 20 км, скорость передачи данных — от 290 бит/с до 50 Кбит/с (см. табл. 1). Заявленная продолжительность автономной работы конечного устройства (при использовании аккумулятора емкостью 2000 мА×ч) — 105 месяцев, то есть почти девять лет.

Таблица 1. Характеристики некоторых беспроводных технологий для IoT

ЭВОЛЮЦИЯ РЕШЕНИЙ 3GPP ДЛЯ IOT

Технологию NB-IoT следует рассматривать в контексте движения отрасли сотовой связи к Интернету вещей. Ее основной орган по стандартизации 3GPP начал прорабатывать эту тему еще несколько лет назад — в выпущенном в 2012 году Release 11 появился ряд функций для машинных коммуникаций (Machine Type Communications, MTC). В Release 12 (2015 год) для MTC определено так называемое устройство Категории 0 (Category 0) с одной антенной и другими упрощениями.

В результате для LTE оказалось специфицировано девять категорий пользовательских устройств с различными возможностями и поддерживаемыми скоростями передачи данных. До появления Категории 0 устройствами с наиболее ограниченной функциональностью были устройства Категории 1, для которых не была предусмотрена возможность использования нескольких пространственных потоков (отсутствие поддержки MIMO), а максимальная скорость передачи составляла «всего» 10 Мбит/c в нисходящем канале. Для сравнения: для устройств Категории 5, поддерживающих MIMO 4x4, максимальная скорость в 30 раз больше — 300 Мбит/с (см. табл. 2). При определении Категории 0 ее возможности были существенно урезаны даже в сравнении с Категорией 1: максимальная скорость 1 Мбит/c, полудуплексный режим передачи.

Таблица 2. Максимальные скорости передачи (Мбит/с) для различных категорий пользовательских устройств LTE

В спецификациях Release 13, опубликованных в 2016 году, предприняты дальнейшие шаги по поддержке приложений IoT, в том числе меры по снижению стоимости устройств, расширению покрытия и увеличению времени автономной работы. В частности, определена Категория M1 (для ее обозначения также используются аббревиатуры eMTC и LTE-M). Для снижения энергопотребления наряду с технологией Power Saving Mode (PSM), которая была определена и для категорий 0 и 1, предусматриваются механизмы Extended Discontinuous Reception (Extended DRX, eDRX). Указанные технологии позволяют снизить частоту обмена обязательными служебными сообщениями, оптимизировать интервалы приема и получения информации, а также поддерживать длительные периоды «молчания» (когда устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию).

В этом контексте следует также упомянуть, что в Release 13 в части дальнейшего развития технологии GSM был определен режим EC-GSM-IoT (или просто EC-GSM). В нем также используются механизмы PSM и eDRX. Помимо этого, предусматривается возможность многократного повторения передаваемой информации для улучшения покрытия (+20 дБ) по сравнению с традиционными системами GSM. В EC-GSM упрощена система сигнализации (исключена та часть, которая обеспечивает совместную работу с сетями WCDMA/LTE), усовершенствованы механизмы аутентификации и обеспечения безопасности соединений и пр. При использовании несущей шириной 200 кГц (в полосе GSM 900 и 1800 МГц) технология EC-GSM-IoT обеспечивает максимальную скорость 240 Кбит/с и позволяет обслуживать до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции.

Примерно схожие характеристики (до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции, скорость до 250 Кбит/с) имеет и определенная в Release 13 технология Narrowband IoT (NB-IoT). Но если LTE-M и EC-GSM-IoT предусматривают максимальную совместимость с инфраструктурой, уже имеющейся у операторов сотовой связи, и могут быть развернуты путем обновления ПО на существующих сетях LTE и GSM соответственно, то NB-IoT — это относительно новое направление развития решений для IoT в рамках 3GPP, хотя оно и предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE. В данном случае предлагается новый тип радиодоступа, характеристики которого существенно отличаются от характеристик имеющихся систем. Как полагают ряд экспертов, переработка протоколов канального уровня в NB-IoT позволит значительно (до 90%) снизить стоимость соответствующих устройств NB-IoT по сравнению с устройствами LTE Категории M1 (см. рис. 4). Многие известные производители, включая Ericsson, Huawei, Nokia, Intel и Qualcomm, уже заявили о поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах.

Рис. 4. Сравнение характеристик различных технологий для IoT

LORA В СРАВНЕНИИ С NB-IOT

Системы LoRa используют нелицензируемый частотный диапазон и асинхронный протокол, который является оптимальным для снижения стоимости оконечных устройств и повышения времени автономной работы. Но они не способны обеспечить столь же высокое качество обслуживания (QoS), как синхронные протоколы сотовой связи, которые выделяют гарантированные временные слоты для передачи информации. Поэтому для тех приложений, которым требуется гарантия QoS (в том числе малая задержка), лучше подходят технологии поддержки IoT, разрабатываемые сообществом операторов сотовой связи. Они же предпочтительнее для приложений, которым нужен интенсивный обмен сообщениями и/или большой объем передаваемых данных. Там же, где на первом месте стоят низкая стоимость, длительное время автономии и необходимость поддержки большого числа устройств, разбросанных по значительной территории, LoRa оптимальна.

При анализе времени автономной работы устройства необходимо учитывать два важных фактора: собственное энергопотребление устройства и специфику работы коммуникационных протоколов. Асинхронная природа протокола, применяемого в сетях LoRaWAN, означает, что большую часть времени устройство может находиться в «спящем» режиме — до тех пор, пока оно не потребуется приложению. В сотовом мире применяются синхронные протоколы, а значит, устройство должно периодически обмениваться служебными сообщениями с сетью, даже если оно не требуется пользователю. Скажем, типичный сотовый телефон каждые 1,5 секунды должен синхронизироваться с сетью. При использовании механизмов NB-IoT синхронизация производится реже, но все равно регулярно, на что расходуется энергия аккумулятора.

Применяемые в сотовой связи алгоритмы модуляции (OFDM или FDMA) нацелены на максимально эффективное использование частотных ресурсов, но не на эффективное расходование ресурсов аккумулятора. Эти алгоритмы требуют использования линейного передатчика (усилителя), который потребляет значительно более высокий пиковый ток, чем передатчики с нелинейной модуляцией, применяемые в системах LoRa. Более высокий пиковый ток, очевидно, ведет к более быстрому расходованию ресурсов аккумулятора.

Поскольку протокол LoRaWAN значительно проще используемых в NB-IoT, значит, его проще и дешевле реализовать, в том числе на базе недорогих, широко распространенных контроллеров. Более сложная схема модуляции и протокол NB-IoT требуют более дорогих микросхем. Модули LoRaWAN уже широко доступны и на западных рынках стоят порядка 7–10 долларов, причем, как полагают эксперты, по мере расширения масштабов внедрения, развития экосистемы и повышения массовости производства цена таких модулей может снизиться до 4–5 долларов. Стоимость выпускаемых сегодня модулей LTE оценивается в 20 долларов.

При сравнении LoRa и NB-IoT также важна такая характеристика, как зона обслуживания (покрытия) сети. Преимуществом NB-IoT является то, что существующая инфраструктура сотовой связи может быть модернизирована для поддержки этой технологии — хотя это может оказаться возможным только для определенных моделей базовых станций и стоить недешево. Однако вариант с модернизацией имеет право на существование только в городах с хорошим покрытием сетями 4G/LTE. Далеко не во всех пригородах, а уж тем более сельских районах имеется развитая инфраструктура LTE.

Одним из преимуществ LoRa является то, что соответствующие решения могут быть развернуты не только в сетях общего пользования, но и в частных или корпоративных сетях. За границей довольно много крупных компаний планируют реализовать гибридную модель: наряду с использованием ресурсов сети LPWAN общего пользования дополнительно построить свою (корпоративную) сеть для обслуживания отдельных зон.

При развертывании сети LoRaWAN могут использоваться как вышки сотовой связи, так и другие места установки: например, промышленные шлюзы можно размещать на производственных площадках, а небольшие пикошлюзы — прямо на домах. Стоимость шлюза для размещения на вышке оценивается в 1000 долларов, промышленного шлюза — примерно в 500, шлюз для пикосоты может стоить всего около 100 долларов. Затраты на модернизацию базовой станции 4G LTE для поддержки NB-IoT, по оценкам экспертов, могут составить более 10 тыс. долларов.

Спецификация NB-IoT опубликована в июне 2016 года, однако выпуск первых микросхем для конечных устройств с поддержкой этой технологии запланирован только на 2017 год. Затем потребуется время на тестирование, организацию массового производства продуктов NB-IoT, запуск сетей в коммерческую эксплуатацию. Иначе говоря, пройдет еще пара-тройка лет до тех пор, пока NB-IoT станет реальностью. Решения LoRa уже доступны. Они опробованы, а соответствующие сети находятся в коммерческой эксплуатации в ряде стран, в том числе в национальном масштабе.

СИТУАЦИЯ В РОССИИ

Российские операторы сотовой связи, как и операторы других стран, очевидно, делают ставку на разработки для IoT организации 3GPP. Так, в июле 2016 года компания «МегаФон» объявила о планах развертывания технологии NB-IoT совместно с компанией Huawei. В рамках выставки «Иннопром-2016» партнеры продемонстрировали один из примеров применения нового стандарта NB IoT — «умную» парковку. На конец года планируется пилотный запуск такой парковки в Москве.

По мнению специалистов «МегаФона», NB-IoT — это наиболее подходящее решение LPWAN для предприятий различных отраслей, c помощью которого можно подключать к сети оператора счетчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одним из достоинств технологии является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тыс. устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. При этом использование низкочастотного диапазона позволяет обеспечить покрытие таких труднодоступных мест, как цокольные помещения, подвалы и т. д. По оценке «МегаФона», счетчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи установленным в подвальном помещении.

Другой ведущий оператор, МТС, в июне 2016 года на полях ХХ Петербургского международного экономического форума объявил о подписании соглашения с Ericsson, в рамках которого компании, в частности, планируют протестировать технологию EC-GSM-IoT, обеспечивающую работу М2М-устройств на уже существующих сетях МТС. Как отмечают специалисты МТС, новый радиоинтерфейс позволит многократно увеличить количество работающих в сети устройств M2M, а за счет роста чувствительности радиомодулей удастся в семь раз расширить радиус действия базовой станции и снизить энергопотребление устройств. Кроме того, утверждается, что внедрение EC-GSM-IoT не потребует масштабной замены оборудования связи — в большинстве случаев можно обойтись обновлением ПО на узлах радиосети.

Сети LoRa в России развивают несколько компаний: Lace, «Сеть 868», «Лартех Телеком». Так, например, сеть IoT Lace функционирует с начала 2015 года в Москве и Санкт-Петербурге. В сентябре 2015 года компания объявила о расширении зоны своего покрытия на города Воронеж, Екатеринбург, Иннополис, Казань, Красноярск, Калининград, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Ставрополь, Тверь, Челябинск, Ярославль. Планы у компании амбициозные: «полное покрытие всей территории России».

Как нам сообщили в базирующейся в Краснодаре компании «Лартех Телеком», в этом городе уже развернуто около 20 базовых станций LoRa, что с учетом большой зоны охвата означает покрытие значительной части территории. Кроме того, станции LoRa этой компании развернуты в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове, Самаре, Барнауле и других городах.

В феврале 2016 года компании Lace, AURORA Mobile Technologies (поставщик компонентов и готового оборудования для беспроводных коммуникаций и навигации, проектировщик и производитель таких систем) и «Тоэс» (проектировщик и оператор систем АСУТП тепло- и водоснабжения) провели в Твери тестирование системы мониторинга сетей и объектов тепло- и водоснабжения на базе LoRaWAN в условиях плотной застройки. По итогам успешного эксперимента принято решение интегрировать модемы LoRa c используемыми термопреобразователями и датчиками давления в единое устройство.

Кроме того, в России развиваются сети LPWAN, построенные на базе отечественных разработок. В сентябрьском номере «Журнал сетевых решений/LAN» уже рассказывал о проекте «Стриж» (см. статью автора «Промышленный интернет вещей. Готовы ли сети?»). Оригинальную технологию построения сети LPWAN представила на конференции «БЕСЕДА» компания «Телекан». Она предлагает строить IoT-инфраструктуру «умного» города на основе решения «умного» освещения, что позволит существенно сократить расходы на такую инфраструктуру. Разработанные «Телеканом» микробазовые станции встраиваются непосредственно в светильники городского освещения (см. рис. 5), причем это может осуществляться в процессе плановой замены устаревающих светильников и перехода на более современные и экономичные источники света.

Рис. 5. Один из вариантов развертывания инфраструктуры IoT на базе решения Lumiot компании «Телекан»

«Телекан» разработал собственную технологию беспроводной связи Lumiot, в перспективе планируется также поддержка LoRa. Одна базовая станция Lumiot обеспечивает работу до 2000 устройств в радиусе до 4 км. Управление устройствами, сбор и визуализация данных из разных источников осуществляются в облаке, для подключения к которому базовых станций применяется GSM. На данном этапе решение «Телекана» тестируется в городах России и СНГ.

Как полагает Виталий Солонин, руководитель департамента беспроводных технологий J’son & Partners Consulting, 2017 год пройдет под знаком конкурентной борьбы между операторами сотовой связи за проекты IoT для крупных госкомпаний и корпоративных заказчиков. Кроме того, за этих заказчиков будут бороться как крупные игроки ИТ-рынка (Cisco, HP, SAP, Microsoft и т. д.), так и стартапы рынка LPWAN. Последние пока работают в основном на рынке ЖКХ и в проектах «умного города».

Александр Барсков, ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN»