ОБЗОР КОНЦЕПЦИИ СЕТЕЙ IOT И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

OVERVIEW OF THE CONCEPT OF IOT NETWORKS AND THEIR APPLICATION

Интернет вещей относится к видам связи между устройствами или датчиками. В настоящее время, из-за взрывного роста и улучшению отказоустойчивости технологий IoT, применение данных технологии можно найти во многих сферах, включая безопасность, системы “Умный город”, сельское хозяйство, учет потреблений, а также и умные дома. К устройствам IoT предъявляют особые требования к дальности, скорости передачи данных, энергопотребления и экономики. Широко известными и используемыми в данное время технологии ближнего радиуса действия, как ZigBee или Bluetooth не приспособлены для сценариев использования, требующих передачи на расстояния больше 1 км, а решения, которые основаны и используемые в сотовой связи (например, GPRS, 3G и LTE), могут обеспечить данное покрытие, но они потребляют слишком много энергий для связи с устройствами. Данные требования к IoT привели к появлению новой технологии беспроводной связи, как глобальная сети с низким энергопотреблением (LPWAN).

 

LPWAN становится все более популярным в промышленных и исследовательских сообществах по причине низкого потребления и большой дальности. Технология может обеспечить дальнюю связь до 15–25 км в сельской местности и до 1–5 км в условиях городской застройки. Кроме того, устройства данной технологии очень энергоэффективны и (до 10 лет автономной работы) экономически выгодны, потому что стоимость чипсета составляет менее 300 рублей, а эксплуатационные расходы составляют порядка 100 рублей на устройство в год. Таким образом, технология LPWAN очень подходит для приложений IoT, которым необходимо передавать лишь небольшие объемы данных на большие расстояния. Стоит отметить, что многие технологии LPWAN возникли как в лицензированной, так и в нелицензированной полосе частот. Среди них Sigfox, LoRa и NB-IoT - это ведущие современные развивающиеся технологии, которые связаны со многими техническими различиями [1].

 

Технология Sigfox была разработана в 2010 году стартапом Sigfox во Франция. Данная компания является, как и производителем технологии, так и оператором сети LPWAN. Sigfox эксплуатирует свое собственное решение IoT в более 30 странах и все еще находится в процессе развертывания по всему миру благодаря партнерству с различными сетевыми операторами.

Технология LoRa была впервые разработана стартапом Cycleo в 2009 году также во Франции, но была куплена через три года компанией Semtech из США. В 2015 году LoRa была стандартизирована компанией LoRa-Alliance и развернута в 42 странах и странах благодаря инвестициям различных мобильных операторов по всему миру.

NB-IoT - это технология LPWAN, основанная на технологии узкополосного радио и стандартизированная партнерским проектом 3GPP. Его спецификации были опубликованы в 13 выпуске, 3GPP в июне 2016 года. В декабре 2016 года Vodafone и Huawei интегрировали NB-IoT в сеть испанского провайдера Vodafone и отправили первое сообщение, которое соответствовала стандарту NB-IoT, на устройство, установленное в счетчике воды. В 2017 году NB-IoT получил частоты в России. В ноябре 2018 года “Билайн” первым в РФ запустил в опытную эксплуатацию участок гибридной IoT-сети в Войковском районе г. Москвы, которая поддерживает две технологии — NB-IoT и LTE Cat-M. В мае 2019 года МегаФон сообщил о масштабном запуске сети NB-IoT в Новосибирске, Красноярске, Омске и Томске. В общей сложности покрытие четырёх городов обеспечивают порядка 500 базовых станций, что по данным оператора обеспечивает 90-процентное покрытие мегаполисов.

 

При выборе подходящей пользователю технологии LPWAN для IoT следует учитывать множество факторов, как охват территории, экономическая целесообразность, качество обслуживания, время автономной работы, масштабируемость и задержка сигнала.

Основным преимуществом использования Sigfox является то, что весь город может быть покрыт лишь одной базовой станцией (дальность более 40 км). Например, В Голландии, стране с площадью около 40000 км2, развертывание сети Sigfox позволить охватить всю страну с менее 10 базовыми станциями [2].

В отличие от этого, LoRa имеет меньшую дальность действия (порядка 15 км в сельской местности), для которой требуется всего 12 базовых станции, чтобы охватить весь город, такой как Ростов-на-Дону. 

NB-IoT имеет наименьшую дальность и возможности охвата среди представленных решений (менее 10 км). В данном случае внимание уделяется классу устройств, устанавливаемых в местах, далеких от досягаемости сотовых сетей (подвалы, подземные комплексы, удаленные технические объекты). Кроме того, развертывание NB-IoT ограничено базовыми станциями LTE, по причине необходимости частот. Можно предположить, что он не подходит для сельских регионов, без покрытия LTE.

Необходимо учитывать различные аспекты стоимости, такие как стоимость спектра (лицензия), стоимость сети, развертывания и стоимость устройства. Таблица 1 показывает стоимость реализации Sigfox, LoRa и NB-IoT.

 

Таблица 1.

Сравнение IoT-решений

       Технология

Стоимость частоты

Стоимость БС

Конечное устройство

Sigfox

Бесплатно

>250000 руб./БС

<200 руб.

LoRa

Бесплатно

>7000 руб/шлюз

>70000 руб./БС

500-2000 руб.

NB-IoT

35000 руб./MГц

>1000000 руб./БС

>1500 руб.

 

Очевидно, что Sigfox и LoRa более рентабельны по сравнению с NB-IoT .

В Sigfox, LoRa и NB-IoT конечные устройства большую часть времени находятся в режиме ожидания изменения состояния, т.е. вне работы, что снижает количество потребляемой энергии, что увеличивает срок службы данных устройств. Однако конечное устройство NB-IoT потребляет дополнительную энергию из-за синхронной связи и обработки протокола QoS, а его режимы доступа требуют большего пикового тока [3]. Такое дополнительное энергопотребление сокращает срок службы конечного устройства NB-IoT по сравнению с Sigfox и LoRa. Тем не менее, NB-IoT предлагает преимущество низкой задержки. В отличие от Sigfox, LoRa предоставляет класс C, который также поддерживает низкую двунаправленную задержку за счет повышенного энергопотребления. Поэтому для программного обеспечения, которые нечувствительны к задержке и не имеют большого объема данных для отправки, Sigfox и LoRa класса A являются лучшими вариантами. Для приложений, которые требуют низкой задержки, NB-IoT и LoRa класса C являются лучшим выбором.

  LoRa и SigFox используют нелицензионные спектры и протоколы асинхронной связи. По этой причине может происходить многолучевое распространение и затухание сигнала, они не могут предлагать такое же QoS, как NB-IoT. NB-IoT использует покупаемый лицензионный спектр и синхронный протокол на основе протокола LTE (LTE-m), которые являются наиболее оптимальными для QoS за счет затрат, то есть Вследствие QoS и компромисса с затратами NB-IoT является предпочтительным для приложений, которые требуют гарантированного качества обслуживания, тогда как приложения, не имеющие этого ограничения, должны выбирать LoRa или Sigfox[4].

В данной статье были наиболее концентрированно изложены технические отличия Sigfox, LoRa и NB-IoT, а также показаны их преимущества и недостатки с точки зрения факторов IoT и основных проблем. Каждый подход имеет право на свою часть рынка IoT. Sigfox и LoRa будут служить более дешевым устройством с очень большим радиусом действия, но нечастой скоростью связи и очень длительным сроком службы батареи. В отличие от Sigfox, LoRa также будет обеспечивать развертывание локальной сети и надежную связь, когда устройства перемещаются с высокой скоростью. Напротив, NB-IoT будет обслуживать рынки IoT с более высокой стоимостью, которые готовы платить за очень низкую задержку и высокое качество обслуживания.

Стоит отметить, что несмотря на испытания сотовых компаний, отсутствие коммерческих развертываний NB-IoT в настоящее время оставляет открытые вопросы о фактическом сроке службы батареи и производительности. Ожидается, что беспроводная мобильная связь 5-го поколения предоставит IoT средства, которые позволят к 2020 году объединить весь мир людей и устройств, что приведет к глобальному распространению LPWAN для приложений IoT.

 

Список литературы:

  1. Эштон К. That "Internet of Things” Thing // RFID Journal: электронный журнал. URL: http://www.rfidjournal.com/articles/view? 4986 (дата обращения: 19.11.19)
  2. Patel, M. Won, Experimental study on low power wide area networks for mobile internet of things, in: Proc. of VTC, Sydney, Australia, 2017, pp. 1–5.
  3. Raza U., Kulkarni P., Sooriyabandara M. Low power wide area networks: An overview IEEE J. Commun. Tuto., 19 (2) (2017), pp. 855-873
  4. Oh S.-M., Shin J. An efficient small data transmission scheme in the 3GPP NB-IoT system IEEE Commun. , 21 (3) (2017), pp. 660-663