Обзор протоколов беспроводной связи для Интернета вещей

По результатам исследования, опубликованным J`son & Partners, в зависимости от зоны охвата и некоторых других характеристик сетей для Интернета вещей, беспроводные сети делятся на персональные (PAN), городские сети (MAN), локальные (LAN) и глобальные (WAN). Для любой сети важными свойствами являются адаптивность, отказоустойчивость, возможность самоорганизации, продолжительная автономная работа и эффективность.

К протоколам, обслуживающим PAN -сети, относятся 6LoWPAN, ZigBee, Thread, BLE 4.2, Z-Wave и другие. Сети, базирующиеся на этих протоколах, характеризуются низким потреблением энергии и небольшим радиусом приема сигналов.

6LoWPAN– это стандарт, который позволяет перенести распространенные IP-протоколы, в частности IPv6, на сенсорные сети (IEEE 802.15.4) для согласованного соединения с уже существующими IP-сетями, то есть 6LoWPAN-сеть совместима с любыми сетевыми подключениями, применяет популярные стандарты (HTTP, UDP, TCP, COAP) и устанавливает между всеми узлами IP-адресацию. Архитектура 6LoWPAN включает маршрутизатор, роутеры и хосты. Маршрутизатор объединяет сети и подключает их к Интернету, роутеры передают данные между элементами сети, а хосты (конечные устройства) длительное время находятся в спящем режиме, обеспечивая энергосбережение. 6LoWPAN - это mesh-сеть, топология которой гарантирует надежность, самовосстановление и гибкость при настройке.

Если 6LoWPAN находится между канальным и сетевым уровнями модели ISO/OSI, то протокол ZigBee располагается на верхних уровнях. Это значит, что данная спецификация не предназначена для поддержки протокола IP, и для подключения к традиционным сетям возникает необходимость в шлюзе. Сеть ZigBee также имеет ячеистую топологию, которая объединяет все устройства сети друг с другом, обеспечивая надежность, масштабируемость и самовосстановление. Она состоит из трех видов устройств – шлюза, роутеров и конечных устройств. Рабочая частота сети – 2.4 ГГц. Главная область применения ZigBee – системы «умный дом». Главным недостатком таких сетей является невысокий уровень стандартизации, что не позволяет создавать специфические приложения. Стандарт развивается усилиями участников ZigBee Alliance, которые обеспечивают сертификацию и совместимость продуктов. Уже создан протокол (ZigBee IPv6), позволяющий подключать ZigBee-сеть к другим сетям с помощью маршрутизатора.

Протокол Z-Wave разработан специально для систем домашней автоматизации. У его истоков лежит компания Sigma Designs, которая создала и запатентовала протокол. Рабочая частота сети лежит в открытом диапазоне до 1 ГГц. Z-Wave – это mesh-сеть, конечные устройства которой способны передавать простые команды с небольшими задержками. Система является энергоэффективной, но работает на низких скоростях. Также ограничением является количество подключенных конечных устройств. Для улучшения совместимости в 2013 году протокол был дополнен – так появился протокол Z-Wave Plus.

Bluetooth LE – это стандарт, характерной чертой которого является низкое потребление энергии. Он работает на частоте 2.4 ГГц и обеспечивает подключение устройств на расстоянии более 100 м. Широкая известность Bluetooth позволила ему проникнуть во все уголки мира и во многие устройства – смартфоны, наушники, медицинские приборы, бытовую технику, ПК и ноутбуки, автомобили и многие другие. BLE с успехом применяется в системах «умный дом». Также он лег в основу iBeacon-маяков. Последний стандарт Bluetooth 5, разработанный в 2016 году, ориентирован на Internet of Things.

«В настоящее время область домашнего Интернета вещей совершенно открыта, поскольку в большинстве домохозяйств еще не начали покупать подключаемые к сети термостаты и дверные замки. Технология Bluetooth обладает определенными преимуществами перед конкурентами, поскольку уже сейчас встроена в большинство существующих смартфонов и планшетов. Что же касается альтернатив, к которым относятся, например, ZigBee и Z-Wave, они пока не пользуются особой популярностью. Резонно предположить, что в ближайшие два-три года фактически каждый телефон будет поддерживать Bluetooth 5. А зачастую именно повсеместное распространение становится важнейшим преимуществом стандарта», - приводит слова аналитика ABI Research Эви Грингарт (Avi Greengart) издание Computerworld.

К LAN-сетям для Интернета вещей можно отнести Wi-Fi. Сети стандарта IEEE 802.11 имеют множество достоинств, среди которых высокая скорость, повсеместная распространенность и совместимость. Но некоторые недостатки, такие как энергоемкость, помехи, уязвимость безопасности, ограничивают использование протокола в области IoT, поэтому специально для Интернет вещей был разработан новый стандарт Wi-Fi HaLow. Устройства, поддерживающие этот протокол, могут выйти уже в 2018 году. Wi-Fi HaLow увеличит дальность распространения сигнала до1000 м, будет работать на частоте 900 МГц, но уменьшит пропускную способность по сравнению с предпоследней версией протокола.

Городские и глобальные сети должны обладать не только энергоэффективностью, но и значительной дальностью приема. Обе эти задачи решают сети LPWAN. Исследователи Pyramid Research утверждают, что к 2020 году количество подключений с использованием LPWAN вырастет на 4200% по сравнению с 2015 г. и достигнет 860 млн. Перспективность технологии доказывают сети LoRaWAN, Sigfox, Weightless, "Стриж", DASH7, RPMA, ISA-100.11.a, Symphony и многие другие.

Протокол LoRaWAN был разработан компаниями Semtech и IBM Research. Он на канальном уровне модели ISO/OSI , в то время как на физическом применяется модуляция LoRa, основанная на расширении спектра. LoRa обеспечивает дальность связи до нескольких десятков километров, а автономная работа устройств может продлиться до 10 лет. Технология работает в нелицензируемом диапазоне ISM.

Сеть LoRaWAN имеет топологию «звезда», то есть множество устройств (датчиков, сенсоров) по беспроводному соединению передают данные на шлюзы, а шлюзы перенаправляют информацию на сервер. Для развития стандарта 2 года назад был основан LoRa Alliance.

Российская компания «СТРИЖ-Телематика» на базе собственного протокола развернула LPWAN- сеть «СТРИЖ». Она имеет очень много схожих с LoRaWAN особенностей, серьезным отличием является использование узкополосной модуляции (100 Гц). Сфера применения – ЖКХ, сельское хозяйство, электроэнергетика, smart city. Сеть «СТРИЖ» включает около 300 базовых станций.

В Европе LPWAN-сети также развиваются, например, сеть французская сеть Sigfox. Особенность этого варианта - технология UNB (сверхузкополосная беспроводная связь). Sigfox распространилась не только в Европе, но и в Северной Америке.

Еще один крупный сегмент глобальных беспроводных сетей – это сети LPWAN, построенные на базе существующих сотовых сетей или Cellular Internet of Things. К протоколам, разработанным для этой цели, относится NB-IoT. Он позволяет подключить IoT-устройства к LTE-сетям на рабочей частоте 7-900 МГц. NB-IoT имеет все преимущества LPWAN, в частности, низкое потребление энергии, большую область покрытия, улучшенную проникающую способность в городе и возможность подключить множество конечных устройств.

Развитием технологий CIoT занимаются корпорации Huawei Technologies, Qualcomm, Nokia Networks, Intel, Ericsson, Samsung и многие другие. Присоединились к ним и операторы Vodafone, TeliaSonera ,T-Mobile, China Unicom. Кроме протокола NB-IoT, к CIoT относятся LTE-M, EC-GSM, NB LTE-M. Больших возможностей технологии CIoT ожидают от 5G-сетей, которые смогут подключить и мобильные гаджеты, и Smart Things. В то же время до сих пор в качестве беспроводных М2М-соединений используются GSM и GPRS, например, в системах учета электроэнергии.

Протоколы решают различные задачи по обеспечению необходимых условий: скорости передачи, радиуса действия, частотного диапазона, уровня энергопотребления и безопасности. Варианты комбинаций этих условий объясняют многообразие протоколов беспроводных соединений «умных» устройств.