Энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (LPWAN — Low‑power wide area network) становятся доминирующей технологией в области Интернета вещей. Как подсказывает название, LPWAN — это группа стандартов беспроводной связи, нацеленных на оптимизацию двух показателей для Интернета вещей:
Датчикам и устройствам Интернета вещей нужно постоянно передавать данные, но доступ к ним зачастую затруднён, поэтому очень важно, чтобы время работы от батареи было настолько продолжительным, насколько это только возможно.
Чтобы от устройств Интернета вещей была польза, они должны быть способны поддерживать связь из любого места, где бы они ни понадобились, включая промышленные и сельскохозяйственные объекты, которые нередко оказываются удалены от места обработки данных.
Стандарты LPWAN отличаются от беспроводных технологий для персональной сети (PAN), таких как Zigbee, Bluetooth и др. Хотя последние и можно использовать для Интернета вещей, радиус действия и сфера их применения ограничены.
Не удивительно, что существует несколько конкурирующих стандартов LPWAN, ставящих инженеров перед выбором из многих вариантов при разработке сети для Интернета вещей. В общих чертах, стандарты LPWAN можно разделить на две категории: сотовые, для которых используют лицензируемые частоты сотовых сетей, и несотовые, для которых используют нелицензируемые промышленные, научные и медицинские диапазоны радиочастот (ISM).
Чтобы помочь понять, чем отличаются эти конкурирующие стандарты LPWAN, мы поговорили с представителями промышленности и академической среды о доступных вариантах, сценариях использования для каждого из них и о том, как определиться, какой из стандартов LPWAN лучше всего подойдёт для вашей сети Интернета вещей.
Прежде чем рассмотреть различия между стандартами LPWAN, окинем взглядом самые главные из них.
LPWAN относится ко всему, что позволяет налаживать связь на больших расстояниях при использовании устройств с низким энергопотреблением, — сообщил Акшай Гадре, глава проекта исследований в области LPWAN в Университете Карнеги — Меллона. Сюда входят все варианты, позволяющие осуществить именно это. Эти конкретные стандарты не определяют технологию LPWAN; эти стандарты определяются требованиями технологии LPWAN.
А что собой представляют эти требования технологии LPWAN? Похоже, что пока не существует формальной спецификации на эту технологию, но большинство стандартов LPWAN выдерживают следующие параметры:
Не все стандарты LPWAN равны между собой, некоторые имеют больше преимуществ, чем другие. Среди сотовых стандартов LPWAN одним из самых популярных является LTE‑M, который работает поверх существующей инфраструктуры сотовых сетей. Среди несотовых лидирует LoRaWAN, работающий в ISM‑диапазоне 915 МГц.
Орган по стандартизации в области сотовой связи 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project — Партнёрский проект по технологиям 3‑го поколения) опубликовал три различных стандарта LPWAN, самым видным из которых является LTE‑M. LTE‑M — сокращение от LTE‑MTC (Machine Type Communication — Машинная связь) и название специального сотового стандарта LTE, нацеленного на межмашинную связь.
Преимуществом стандарта LTE‑M является полная совместимость с существующими сотовыми сетями. Телекоммуникационным операторам не нужно устанавливать какое-либо новое оборудование для его использования — надо просто загрузить новое программное обеспечение в свои существующие базовые станции. По этой причине такие компании, как Verizon и AT&T, уже начали развёртывать системы LTE‑M. В Канаде компания Bell осуществила пробный проект, в котором для мониторинга условий окружающей среды в винограднике в провинции Онтарио используется её сеть LTE‑M.
Согласно Крису Мурхэду (вице‑президенту по Интернету вещей в Северной Америке компании Gemalto), LTE‑M — это реализация сотовой связи, созданная специально для Интернета вещей и Промышленного Интернета вещей. По сравнению с LTE этот стандарт предлагает лучший спящий режим, лучшие энергетические характеристики и другие свойства и функции для расширения охвата устройств.
На данный момент, я думаю, Cat‑M [LTE‑M] — это лучшее решение, — сообщил Мурхэд. — Год или полтора-два и Narrowband IoT, может быть, вступит в игру.
Narrowband IoT (NB‑IoT или “Узкополосный Интернет вещей”) — второй стандарт LPWAN, выпущенный консорциумом 3GPP, и имеет несколько кардинальных отличий от LTE‑M. Во‑первых, он предполагает меньшую пропускную способность — 250 кбит/с против 1 Мбит/с LTE‑M. Другое отличие заключается в том, что стандарт NB‑IoT основан на модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS), так что он не связан с LTE, как LTE‑M. К тому же стандарт не ограничивает используемые полосы диапазоном LTE. NB‑IoT может работать либо в защитной полосе сигнала LTE, либо независимо в неиспользуемых полосах GSM (Global System for Mobile — Глобальная система для мобильной связи) с шириной полосы канала 180 кГц.
Хотя некоторые компании Северной Америки, такие как T‑Mobile, начали инвестировать в технологию NB‑IoT, этот стандарт LPWAN больше заметен в Европе. Согласно Мурхэду, есть ряд причин, из‑за которых NB‑IoT отстаёт от LTE‑M, включая недостаточную поддержку со стороны оборудования.
Доступно всего несколько модулей, — объяснил Мурхэд. — Чтобы стандарт Narrowband стал выгодным и актуальным для бизнеса, вам понадобится такое оптимизированное по стоимости устройство. А для этого вам необходима микросхема, созданная специально для Narrowband, но до сих пор мы не наблюдаем большого количества таковых на рынке. Я думаю, бо́льшая часть из них выйдет ближе к концу этого года или в следующем году. Так что наличие родного для Narrowband набора микросхем до сих пор является ограничивающим фактором.
Несмотря на отставание от LTE‑M, некоторые считают, что стандарт NB‑IoT займёт специализированную нишу. Компания BeWhere, работающая в области учёта активов и выпускающая маячки на основе технологии Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE —Bluetooth Low Energy), теперь работает над созданием альтернативы в виде сети LPWAN на основе сотовой технологии. Альбан Ходжа, технический директор компании BeWhere, предсказывает использование NB‑IoT в промышленности.
Это более надёжный стандарт, — поясняет Ходжа. — Отслеживание нештатных ситуаций станет основой основ для NB‑IoT. Он заменит Bluetooth (BLE) до определённой степени, но будут и другие области, где они станут конкурировать друг с другом. А что касается сегодня, то BLE работает таким образом, что они постоянно посылают объявления. Обратная связь является проблемой, поэтому вам всегда необходим пограничный шлюз, чтобы передать данные в облако.
(Стандарт NB‑IoT, напротив, не требует шлюза. По этому стандарту данные отправляются напрямую на главный сервер.)
Стандарт NB‑IoT к тому же предписывает более низкое энергопотребление, чем LTE‑M, однако это палка о двух концах. Хотя низкое энергопотребление всегда хорошо, когда речь идёт об Интернете вещей, оно также означает, что стандарт NB‑IoT предполагает худшее прохождение радиоволн сквозь препятствия, по сравнению с LTE‑M.
Интернет вещей с расширенным покрытием на базе Глобальной системы для мобильной связи (EC‑GSM‑IoT — Extended Coverage Global System for Mobile IoT) — третий стандарт LPWAN консорциума 3GPP, который работает в лицензируемом диапазоне.
В отличие от стандарта LTE‑M, который работает в диапазонах LTE, EC‑GSM работает в диапазоне пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS — General Packet Radio Service). Чтобы применить стандарт EC‑GSM‑IoT в сетях GSM, необходимо просто обновить программное обеспечение на оборудовании сети, так как большинство производителей мобильного оборудования уже поддерживает стандарт. Из трёх сотовых вариантов стандарт EC‑GSM‑IoT, похоже, имеет наименьшее количество преимуществ.
Нелицензируемые диапазоны радиочастот ISM приютили самую раннюю версию LPWAN, Sigfox, об этом сообщил Аджай Рэйн из компании Sigfox. «Мы можем записать себе в заслугу в большой степени создание самого класса LPWAN, — сказал он. — Я бы сказал, мы в сущности изобрели этот термин».
Является ли компания автором термина или нет, Sigfox работает в области LPWAN уже почти десять лет и стала одним из лидирующих игроков среди предлагающих несотовые решения. Компания основана во Франции в 2009 году и на сегодня имеет сети в 47‑и странах, и это число растёт. Цель компании — присутствие в 60‑и странах к концу 2018 года и в конечном счёте создание глобальной сети Sigfox — локальная сеть в масштабах всего мира, по словам Рэйна.
Стоит обратить внимание на бизнес-модель компании Sigfox, так как она несколько отличается от других, о которых мы вкратце поговорим ниже. Компания зарабатывает на сети — пользователи платят только за отправку сообщений. Фактическая стоимость зависит от количества отправляемых сообщений. Одно или два сообщения в день обойдётся примерно в 1 долл. США в год. Одно сообщение каждые 10 минут — около 140 сообщений в день — обойдутся примерно в 1 долл. США в месяц.
Модель Sigfox очень проста, — объясняет Рэйн. — Sigfox делает деньги только на подписке. Мы не взимаем какие-либо отчисления с поставщиков наших микросхем. Фактически мы предоставляем IP‑блоки бесплатно и без лицензионных отчислений. Мы предлагаем несколько типовых вариантов дизайна, включая некоторые доступные без лицензионных отчислений. Разработчикам можно сфокусироваться только на создании дизайна. Вам нет необходимости беспокоиться о промежуточных элементах сети. Нужен ли мне коммутатор? Нужен ли мне маршрутизатор? Нужен ли мне шлюз? Нужен ли мне внутренний сервер аутентификации? Ничего из этого. Так как мы уже решили вопросы, связанные с сетью. Всё что нужно делать инженерам — это сфокусироваться на их ключевой компетенции и создать наилучшее устройство, насколько это только возможно.
Как бы просто это не звучало, решение Sigfox имеет один недостаток, который может оказаться существенным для потенциального пользователя: размер сообщения. С каждым сообщением можно передать до 12 байт, что в ряде случаев может оказаться недостаточным. Рэйн легко признаёт этот факт и рассматривает сеть Sigfox как дополнение к более производительным сетям, таким как NB‑IoT и LTE‑M.
Sigfox — это безопасность и небольшие объёмы данных, — делится Рэйн. — Эта наша рыночная ниша, и мы считаем, что большинство устройств Интернета вещей будут работать в пределах этих 12‑и байт данных. Но если речь идёт о данных, превышающих 12 байт, или если вы хотите транслировать видео или аудио, то это за пределами наших возможностей — таково ограничение.
LoRaWAN является, пожалуй, самым сильным игроком из всех несотовых стандартов LPWAN. За ним стоит LoRa Alliance, консорциум более чем 500 компаний, включая Cisco, IBM, Alibaba, SK Telecom и др. Поддержка со стороны такого большого количества игроков индустрии Интернета вещей обеспечивает прочное положение стандарта LoRaWAN на рынке LPWAN.
В нелицензируемом сегменте LoRa массово принят в качестве стандарта, — сообщил Саджай Кхатри, глава маркетинга для платформ в области Интернета вещей компании Cisco.
LoRa…LoRaWAN…в чём разница? LoRa относится к физическому уровню (PHY), эта технология принадлежит компании Semtech Corporation, тогда как LoRaWAN относится к подуровню управления доступом к среде (MAC) и развивается консорциумом LoRa Alliance. Спецификация LoRaWAN находится в свободном доступе, а LoRa является проприетарной технологией, и компания Semtech собирает лицензионные отчисления с поставщиков микросхем, которые продают модули LoRa.
Радиоинтерфейс принадлежит Semtech, но поверх него находится целый сетевой стек, — поделился Кхатри.
В отличие от стандарта Sigfox инженерам, использующим LoRaWAN, придётся разбираться с компонентами сети, такими как шлюзы, точки доступа, серверы и коммутаторы. Однако компании — члены консорциума LoRa Alliance, например Cisco, предлагают шлюзы и другие готовые решения для сети LoRaWAN.
Учитывая полезную ёмкость сообщения в 222 байт, стандарт LoRaWAN подходит для более широкого круга применения, чем Sigfox, и способен поддерживать более сложные устройства, например те, которым необходимо обновление по беспроводной связи (OTA, over-the-air — «по воздуху»). По этой причине Кхатри считает, что стандарт LoRaWAN обеспечивает более устойчивую экосистему по сравнению с Sigfox.
С LoRa у вас больший запас с точки зрения пропускной способности и размера сообщения, — заявляет он. — А порог вхождения и лицензионные выплаты для компаний не такие уж и большие.
Кроме того, Кхатри также считает, что стандарт LoRaWAN способен дополнять лицензируемые технологии LPWAN. «Наше видение в Cisco не представляет собой «или…или» [лицензируемые и нелицензируемые]; они станут дополнять друг друга. Для последней мили вы будете использовать по большей части технологию LoRa, а затем подключать обратный поток этой последней мили к облаку, существует много различных видов технологий, включая LTE».
В своём проекте исследований в области LPWAN Университет Карнеги — Меллона использует стандарт LoRaWAN. Проект включает Choir, систему, предназначенную для улучшения сети LPWAN в плотной городской среде, и OpenChirp, свободно доступная инфраструктура управления для устройств LPWAN.
Разные стандарты позволяют внедрять новшества на различных уровнях, но LoRa лучше всего подходит для университетских исследователей, — пояснил Акшай Гадре. — Этот стандарт позволяет модифицировать по своему желанию все уровни. LoRa включает открытый для вас полный стек, начиная с прикладного уровня и заканчивая физическим. Единственный ограничивающий фактор — это аппаратное обеспечение, „кремний“ закрыт компанией Semtech.
LoRaWAN не единственный стандарт LPWAN, который использует физический уровень LoRa. Компания Link Labs разработала конкурирующее решение LPWAN на основе LoRa, называемое Symphony Link, которое по заявлениям способно превзойти LoRaWAN посредством таких функций и свойств, как гарантированное получение сообщения, бо́льшую ёмкость, использование ретрансляторов и более простое обновление встроенного программного обеспечения.
Однако из‑за того, что за стандартом LoRaWAN стоит консорциум LoRa Alliance, у Symphony Link никогда на самом деле не было больших шансов против него, и компания Link Labs недавно сконцентрировала свою стратегию на разработке готовых решений для Интернета вещей.
В отличие от LoRa и Sigfox, которые используют ISM‑диапазон 915 МГц, стандарт Ingenu работает в ISM‑диапазоне 2,4 ГГц, так же как и Wi‑Fi и Bluetooth. Преимуществом этого диапазона в том, что он доступен для использования по всему миру, и производители не должны заботиться, в каком регионе их продукты будут эксплуатироваться.
Для стандартов LoRa и Sigfox, напротив, в зависимости от местности используются различные диапазоны, например в Северной Америке (915 МГц) и Европе (869 МГц). У диапазона 2,4 ГГц к тому же гораздо большая ширина, чем у диапазона 915 МГц.
Ядром стандарта Ingenu для сетей LPWAN является система, называемая Множественный доступ со случайной фазой (RPMA — Random Phase Multiple Access), которая представляет собой физический уровень PHY и подуровень управления доступом к среде MAC, разработанные компанией Ingenu специально для покрытия требований, которые, как предполагает компания, существенны для сетей LPWAN: глобально доступный диапазон (2,4 ГГц), широкое покрытие (одна точка доступа RPMA может покрыть до 455 км²), гигантская производительность (одна точка доступа RPMA способна принять 535 117 сообщений в час), долгая работа от батареи (10—20+ лет) и устойчивость к радиопомехам.
Стандарт RPMA также отвечает тому, что компания Ingenu называет Биллем о правах устройств LPWA: двунаправленный поток данных, подтверждение доставки, изменяемые размеры пакета, отзывчивость сети, возможность аутентификации и широковещательной передачи.
Помимо разработки стандарта LPWAN компания Ingenu управляет Machine Network, общедоступной сетью стандарта RPMA, которая покрывает более 259 000 км² в более чем 30‑и городах в США, а также покрывает более 30‑и стран.
Компания Ingenu делает серьёзные заявления о превосходстве RPMA над стандартами LoRa, Sigfox и сотовыми стандартами LPWAN, но, согласно Саджай Кхатри из компании Cisco, Ingenu в последние годы несколько пропала из виду. Не далее как в прошлом месяце Ingenu анонсировала переориентацию своей корпоративной стратегии на предоставление услуг RPMA в рамках модели Платформа как услуга (PaaS — Platform as a Service).
Стандарт Weightless начинался как три стандарта, называемых Weightless‑N, Weightless‑W и Weightless‑P. Похоже, что организация Weightless Special Interest Group (Weightless SIG — Специальная группа по вопросам стандарта Weightless) полностью отказалась от стандартов Weightless‑N и ‑W и теперь продвигает единственный Weightless‑P, который порой называют просто Weightless.
Одной из ключевых особенностей стандарта Weightless заключается в том, что он разработан для нескольких диапазонов. Он предназначен для работы во всех нелицензируемых субгигагерцовых ISM‑диапазонах, включая 163, 433, 470, 780, 868, 915 и 923 МГц.
Weightless также является открытым стандартом, направляемым организацией Weightless SIG, который, как правило, лучше, чем проприетарные стандарты, подобные LoRa, подходит как для разработки инноваций, так и для конкуренции на рынке. Однако, несмотря на своё имя Weightless (невесомый), стандарт, похоже, пригвоздило к земле — нехватка доступного аппаратного обеспечения и редкие обновления спецификации свидетельствуют о стагнации.
Но стандарт Weightless живёт и здравствует, по крайней мере, в некотором смысле. Nwave, технологическая компания, занимающаяся автоматизированной парковкой, использует для своих автоматических счётчиков продолжительности стоянки проприетарный стандарт LPWAN, который изначально послужил основой для стандарта Weightless‑N, первого из серии Weightless.
При таком множестве вариантов реализации LPWAN, не просто понять, какой из них лучше соответствует вашим потребностям. Если вы нацелены на сотовые варианты, то стандарт LTE‑M, пожалуй, станет на сегодня лучшим выбором, так как он обладает самой широкой поддержкой со стороны телекоммуникационных операторов и производителей коммерческого оборудования. Хотя стандарт NB‑IoT вполне может найти свою нишу в грядущие годы, аппаратное обеспечение и инфраструктура ещё очень далеки от того состояния, при котором этот стандарт сможет реализовать свой потенциал.
Что касается несотовых вариантов, Крис Мурхэд из компании Gemalto видит сегодняшнюю ситуацию во многом схожей с противостоянием форматов видеокассет VHS и Betamax в 70‑х и 80‑х годах. Все варианты стандартов обеспечивают ключевые характеристики для сетей LPWAN в той или иной степени. В конце концов победителем может оказаться просто стандарт LPWAN с бо́льшим количеством преимуществ.
На данный момент, похоже, что стандарт LoRaWAN, имеющий поддержку консорциума LoRa Alliance, занимает как раз эту позицию. Следующий за лидером стандарт Sigfox легче применить с точки зрения инженеров, но его распространение может сдерживать небольшой размер сообщения 12 байт. Стандарты Ingenu и Weightless, прекрасные стандарты, возможно, уже остались за бортом этой гонки.
В конечном счёте, выбор стандарта LPWAN будет сделан исходя из специфики необходимого вам конечного решения Интернета вещей.
Для нас это целое расследование: что клиенты хотят сделать, чего хотят достичь, в каком регионе они будут разворачиваться и какие аспекты их процесса развёртывания являются критическими, — поделился Мурхэд. — Возможность подключиться где бы то ни было? Управление питанием, энергетические характеристики? Зависимость от размера пакета данных? Это всё приходится учитывать. Здесь нет простого ответа.
Чтобы помочь вам, мы представили ключевые характеристики стандартов LPWAN в виде удобной таблицы.
8PSK — восьмеричная фазовая манипуляция.
16‑QAM — 16‑позиционная квадратурная амплитудная модуляция.
ALOHA — метод множественного доступа ALOHA (Additive Links On-line Hawaii Area — Дополнительные линии, подключённые в регионе Гавайи).
BPSK — двоичная фазовая модуляция.
CSS — расширение спектра методом линейной частотной модуляции.
D-BPSK — дифференциальная двоичная фазовая манипуляция.
GMSK — минимальная гауссовская манипуляция.
OFDMA — множественный доступ с ортогональным частотным разделением.
OQPSK — квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом.
QPSK — квадратурная фазовая манипуляция.
RFTDMA — случайный множественный доступ с частотным разделением и разделением по времени.
RPMA — множественный доступ со случайной фазой.
SC-FDMA — множественный доступ с ортогональным частотным разделением с одной несущей.
TDMA — множественный доступ с временным разделением.
Вольтик
