NB-IoT vs LoRaWAN. Раунд 2

В настоящее время вопросы, касающиеся стандартов передачи данных, вызывают активные дискуссии у участников рынка. Это наглядно показал выход статьи «LoRaWAN и NB-IoT», эта тема получила широкий отклик и обсуждение среди пользователей нашего медиаресурса.

Специалисты компании МегаФон посчитали необходимым поделиться наиболее актуальной информацией относительно стандарта NB-IoT. МегаФон первым в России протестировал работу решения по дистанционному контролю и учету ресурсов ЖКХ на базе стандарта NB-IoT. В Иннополисе компания реализует пилотный проект «Умного города» и планирует внедрять комплексное решение для контроля домашних хозяйств.

Данной статьей МегаФон открывает совместный спецпроект с iot.ru, который будет продолжаться в течение следующего месяца. Следите за новостями, МегаФон будет стараться делиться актуальной и интересной информацией об Интернете вещей в России.

LoRaWAN и NB-IoT

Ожидается, что объём мирового рынка LPWAN с $0,5 млрд по итогам 2015 года к 2022 году вырастет до $46 млрд в 2022 году. Резкий рост спроса на LPWAN-решения обусловлен несколькими ключевыми факторами. Так, современные датчики способны контролировать множество критически важных показателей на производстве. Сенсоры год от года становятся «умнее», в том числе благодаря использованию технологий искусственного интеллекта. Растут требования предприятий к сервисам IoT. Заказчиков интересуют доступность инструментов, низкая стоимость обслуживания, простота развертывания и т.д.

Рассмотрим детально характеристики двух современных LPWAN-стандартов – LoRaWAN и NB-IoT.

LoRa – это запатентованное частотное расширение частотного спектра. В 2008 году патент на технологию получила компания Cycleo (Франция), а в 2012 году Cycleo приобрела Semtech (США).

NB-IoT разработана группой 3GPP на базе существующих стандартов мобильной связи. Существует два основных варианта этой спецификации: один выпущен Nokia, Ericsson и Intel, а другой - Vodafone & Huawei.

МегаФон:

Стандарт NB-IoT вместе с LTE-M вошел в 13-й релиз 3GPP, который был завершен в июле 2016 г. На данный момент технология стандартизирована и никаких нескольких вариантов не существует, при этом в процессе разработки и подготовки стандарта - разные участники 3GPP (крупнейшие международные институты в области стандартов связи ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TSDSI, TTA, TTC, мобильные операторы Европы, Азии и США) вносили свои предложения и идеи, которые различались, что является естественным в процессе разработки новых стандартов и спецификаций.

1. Простота развертывания

NB-IoT – это стандарт сотовой связи, поэтому для работы базовых станций необходимо получить лицензию. Вряд ли NB-IoT отважится развернуть компания, ранее не присутствовавшая на рынке мобильной связи. Строительство сети с ноля для охвата мегаполиса потребует существенных инвестиций. К тому же новичкам будет сложно конкурировать с компаниями, оказывающими традиционные услуги 2G/3G/4G на протяжении десятилетий. «Старожилам», к примеру, достаточно программно обновить существующие базовые станции, чтобы запустить сервисы NB-IoT. 

МегаФон:

При разработке 13-го релиза 3GPP были предприняты значительные усилия для развития рынка IoT.

Портфель технологий, которые операторы 3GPP смогут использовать для удовлетворения различных требования рынка, включает в себя следующие технологии:

1. eMTC. Дальнейшее усовершенствование стандарта LTE для коммуникаций типа M2M, опирающееся на работу, начавшуюся еще в Release-12 (UE Cat 0, новый режим экономии энергии: PSM)

2. NB-IOT. Новая радио технология, на основе LTE, оптимизированная для рынка “Low end” – энергонезависимые устройства, передающие минимальный объем данных. Технология NB-IoT использует лицензируемый диапазон частот, что гарантирует качество сервиса для пользователей, так как каждый оператор работает на разных частотных каналах и не создает помех друг другу. 

LoRaWAN – стандарт протокола LPWAN, работающий в технологической среде LoRa. LoRa - это тип модуляции для связи IoT. LoRa не является сотовым стандартом. Для работы LoRaWAN не требуется получение лицензий на использование частот.

2. Синхронизация

Так как сеть NB-IoT относится к сотовой связи, то устройства, работающие в ней, должны «просыпаться» и синхронизироваться с сетью. В противном случае получить или отправить сообщение не удастся. Каждый сеанс синхронизации отнимает у аккумулятора устройства заряд энергии.

Оборудование в сети LoRaWAN работает совершенно иначе. Асинхронная отправка данных подразумевает передачу данных только тогда, когда эти данные есть. Пока устройству нечего передавать, оно «спит», экономя энергию. Специалисты могут задать отправку данных по расписанию или вне зависимости от времени. 

МегаФон:

Технология NB-IoT рассчитана на длительную работу устройств без замены батареи, в зависимости от объемов и периодичности передаваемых данных вплоть до нескольких лет. Для снижения энергопотребления реализовано сразу несколько сетевых алгоритмов: Power Saving Mode (PSM), при котором устройство полностью выключает приемник на заданный период времени, по истечении которого он может быть доступно для получения данных от сети, а также режим eDRX, при котором даже устройства, для которых задержка критична и требуется интерактивный сценарий взаимодействия, могут периодически выключать приемник и экономить энергию - такие механизмы позволяет реализовать любые сценарии, как требующий постоянного отклика от сети, так и те, при которых устройство само инициирует передачу сообщений на сервер и может быть выключено сколь угодно долго.

3. Время автономной работы

Поскольку NB-IoT работает в лицензированном спектре частот, устройства должны синхронизироваться с сетью относительно часто. Это, в свою очередь, расходует батарею.

В архитектуре LoRa синхронизация с сетью не требуется. В асинхронных диапазонах, только природа конечного приложения определяет, как долго устройство может «спать». Следовательно, это помогает сохранить заряд батареи. Ранее эксперты ассоциации GSMA провели множественные тесты работы LPWAN. Выяснилось, что автономность LoRaWAN-устройств в три-пять раз выше, чем у девайсов, работающих в других LPWAN.

МегаФон:

Cм. п. 2.

4. Скорость передачи данных

Средняя скорость передачи данных в сетях NB-IoT – 200 Кбит/с, в сетях LoRaWAN – от 300 бит/с до 50Кбит в секунду. NB-IoT - это более эффективный протокол IoT для «более быстрых» приложений. Для большинства случаев использования устройствам LoRaWAN вполне достаточно скорости передачи данных в 11 килобит в секунду.

МегаФон:

В текущем 13-м релизе 3GPP NB-IoT поддерживает скорости передачи данных в UL от 600 бит/c до 62 Кбит/c, что позволяет реализовать различные сценарии и с разными требованиями к пропускной способности, а в следующем 14-м релизе будут доступны скорости до 100-140 Кбит/c.

5. Пропускная полоса

NB-IoT обычно работает на более высокой пропускной способности, чем LoRaWAN. Требования к пропускной способности сигнала, обозначенные 3GPP, составляют 180 кГц. LoRa требуется лишь 125 КГц.

МегаФон:

Для развертывания NB-IoT достаточно одной несущей шириной полосы 180 КГц, кроме того, данная технология может быть развернута внутри существующей несущей LTE, что не потребует выделения дополнительного спектра. При этом, технология LoRaWAN использует 6-9 каналов шириной по 125 КГц, т.е. в сумме не менее 750-1125 КГц (без учета разноса соседних каналов), что необходимо для реализации алгоритма Aloha, позволяющего переключатся между частотными каналами в случайном порядке, для снижения взаимного влияние в условиях одновременного использования одного и того же нелицензируемого частотного спектра сразу несколькими операторами.

6. Покрытие сети

NB-IoT лучше всего работает в сложных городских районах. Производительность сети будет избыточной в пригородных или сельских районах. LoRaWAN не полагается на мобильные данные и ее покрытие остается относительно устойчивым вне зависимости от условий местности. Более низкие инвестиции, необходимые для LoRa, в значительной степени действуют в ее пользу.

МегаФон:

Для LoRaWAN используется нелицензируемый диапазон частот, в РФ это 864-865, 868.7-869.2 МГц, что в соответствии с требованиями ГКРЧ накладывает большие ограничения на его использование, а именно мощность не более 25 мВт, первую большую часть диапазона запрещено использовать в пределах аэропортов, а в остальных местах рабочий цикл каждого передающего устройства ограничен 0.1 % времени, т.е. устройство на этих каналах может передавать не более 1.5 минуты в сутки, что конечно снижает емкость системы.

При этом NB-IoT имеет больший запас на распространения (~ +10 dB по сравнению с LoRa), что позволяет обеспечить покрытие в труднодоступных местах, например, в подвалах в городских условиях, а если речь идет об открытой и сельской местности, то соответственно меньшим числом БС.

7. Случаи применения

LoRaWAN считается идеальной для приложений и устройств, которые нетребовательны к скоростям передачи данных и количестве отправляемых данных. Однако устройства должны обеспечивать длительный срок службы батареи при минимальных затратах на техническое обслуживание. NB-IoT наилучшим образом подходит для приложений, требовательным к времени задержки (оно должно быть минимальным) и регулярному приему и отправке сообщений.

МегаФон:

Технология NB-IoT более универсальна с точки зрения задержек, качества, скоростей передачи данных и запаса на распространение радиосигнала, что существенно расширяет спектр ее применений.

8. Сценарии развертывания

Технология LoRa может использоваться как операторами, работающими в сфере мобильной связи, так и не имеющими отношения к этой сфере. NB-IoT могут развивать только мобильные игроки с именем. NB-IoT не используется частными предприятиями в их собственных сетях, в то время как LoRa подходит для этого. Крупные предприятия относительно просто смогут создавать гибридные модели IoT с LoRa, например, для реализации проектов «умная фабрика», и одновременно использовать общественную сеть для работы вне объекта. Использование NB-IoT ограничено только публичными моделями.

9. Коэффициент затрат

Общая стоимость модулей LoRaWAN составляет примерно в $8-$10, что в два раза дешевле модулей LTE, такие как NB-IoT. Затраты на новое развертывание LoRaWAN гораздо ниже, чем на строительство NB-IoT с ноля. Для охвата Амстердама, столицы Нидерландов, чья площадь составляет 219 кв. км, потребовалось установить 10 базовых станций. Стоимость каждой станции составила лишь $1,2 тыс.

МегаФон:

Для обеспечения покрытия только на улице, необходимое кол-во БС LoRa и NB-IoT сравнимо, но при необходимости обеспечения покрытия внутри помещений и подвалах для массового внедрения IoT, за счет выигрыша в 10 dB, при использовании NB-IoT требуется в 3-4 раза меньше БС.

10. Экосистема

Услуги связи LoRaWAN доступны в 40 странах мира и 250 городах. LoRaWAN уже принят в качестве стандарта сети IoT во многих странах, включая США, Австралию, Новую Зеландию, Тайвань и Нидерланды. Экосистема LoRa намного шире экосистемы NB-IoT. Например, в LoRa Alliance входит более 500 компаний – разработчиков аппаратного и программного обеспечения и операторы связи LoRaWAN. В России решения на LoRaWAN предлагают такие компании, как «Орион Система», «ЛоРа Линк», «Смартико» и др.

По данным GSMA, в апреле 2017 года в мире тестировались 40 NB-IoT сетей и только четыре сети начали полноценную работу. Вероятно, что NB-IoT по широте экосистемы сможет догнать LoRaWAN только через несколько лет.

МегаФон:

Технология NB-IoT основана на лучших практиках LTE и стандартизирована международной организацией 3GPP, что означает ее поддержку по всему миру операторами связи и производителями сетевого оборудования (Huawei, Nokia, Ericsson, ZTE и другие) и чипсетов для конечных устройств (Qualcomm, Hisilicon, Mediatek) – такое массовое распространение позволит обеспечить снижение стоимости устройств и их массовое распространение в дальнейшем.

Резюме

LoRa и NB-IoT имеют свои достоинства и недостатки. Однако, по большинству критериев, таких, как простота развертывания, экосистема, возможности развертывания, время автономной работы, эксплуатация в частных сетях, коэффициент затрат LoRaWAN превосходит NB-IoT. И все же эти два стандарта могут дружно сосуществовать друг с другом, обслуживая разные сегменты глобальных IoT-рынков.

МегаФон:

Обе технологии имеют свои плюсы и минусы, но NB-IoT является наиболее перспективной с точки зрения качества, безопасности и гарантированности сервиса за счет использования лицензируемого спектра и алгоритмов защиты данных LTE, глобальных возможностей роуминга за счет поддержки крупнейшими операторами, предоставляющими услуги на базе сетей LTE, более широкой зоной покрытия из-за существенно большего запаса на проникновение. Кроме того, технология NB-IoT более универсальна, что позволяет реализовывать всевозможные IoT сценарии, в том числе критичные к задержке и скорости передачи данных.

На правах рекламы