Перспективные сети для Интернета вещей

В настоящее время для Интернета вещей разрабатывают как новые стандарты, так и модернизируют существующие сети мобильной связи для различных сценариев использования. Наиболее известные из таких сетей – стандартизированные LoRa, Sigfox и NB-IoT и в процессе стандартизации – EC-GSM и eMTC. Эксперты отмечают, что сети, работающие в нелицензируемом спектре частот, будут более востребованы в России. Первые из них – «Стриж» и LoRa, уже развертываются в нашей стране.

Сети для различных сценариев

По итогам 2015 года в мире насчитывалось около 6 млрд подключенных устройств, а уже к 2025 году их число вырастет до 27 млрд, сообщается в исследовании компании Machina Research. На LPWA-технологии (Sigfox, LoRa и LTE-NB1) к 2025 году придется 11% подключений.

К 2018 году количество IoT-устройств превысит количество мобильных телефонов, отмечается в Ericsson Mobility Report. К концу прогнозного периода из 28 млрд подключенных устройств 16 млрд будут приходиться на IoT-устройства. Среднегодовые темпы прироста IoT-подключений с 2015 по 2021 гг. составит 23%.

Источник: Ericsson, 2016

Наибольший темп роста прогнозируется в сегменте интернета вещей в сетях сотовой связи (Cellular Internet of Things), где количество подключенных устройств вырастет с 400 млн в 2015 году до 1,5 млрд в 2021 году. 

Источник: Ericsson, 2016

Ввиду того, что сценарии использования подключенных устройств в Интернете вещей различны, то и разработчики стандартов и спецификаций беспроводных технологий реализуют отраслевые решения. Например, для connected car необходимы высокие скорости передачи данных для взаимодействия автомобиля с дорожной инфраструктурой, другими объектами (автомобилями, пешеходами и т.д.). Для счетчиков, установленных в подвалах частных домов, подойдут маломощные сети с высоким радиусом действия, которые не требовательны к скоростям передачи данных. Так, в месяц такие счетчики могут передавать не более 100 Кбит данных. Это приводит к тому, что от одного заряда аккумулятора компактного размера многие подобные счетчики и датчики могут проработать более 10 лет.  

Беспроводные технологии последнего времени разрабатываются с учетом прогноза роста рынка Интернета вещей. Сети LTE оптимизируют для работы с IoT-оборудованием, а технологии малой мощности для нелицензируемого частотного диапазона, такие как LoRa, Sigfox, «Стриж» создавались с ноля.

Основные преимущества LPWA

Маломощные сети LPWA (Low Power Wide Area) с большим охватом и низким энергопотреблением – оптимальная инфраструктура для экосистемы Интернета вещей. Количество М2М-подключений с использованием LPWAN вырастет на 4200%: с 20 млн в 2015 году до 860 млн к 2020 году, отмечали ранее аналитики Pyramid Research.

Существующие сети дальнего радиуса действия (картинка кликабельна)

Источник: Command Spot

Технология LPWA обеспечивает большое покрытие при низкой потребляемой мощности, модульности и малой стоимости связи, создавая новые варианты применения M2M-коммуникаций, которые нельзя реализовать на основе лишь сотовых сетей. Сюда входят счётчики потребления, установленные в подвалах жилых домов, счётчики воды и газа без электропитания, уличное освещение и датчики сопровождения ресурсов.

LoRaWAN (Long Range wide-area networks, глобальная сеть большого радиуса действия) позволяет соединить устройства, чья работа от аккумулятора может достигать десяти лет, передавать данные на большие расстояния и т.д. Для развертывания сети используется частотный спектр, который не требует лицензирования. Это позволяет более оперативно выстраивать такую сеть. В отличии от традиционных мобильных, сети LoRaWAN являются гибридными и позволяют использовать частные и публичные сети.

«Технология LoRa была в «толпе» различных LPWAN-технологий и, возможно, не стала бы массовой, если бы не была приобретена в 2012 году за $5 млн компанией Semtech. После покупки, Semtech развернул революционную пропаганду, «зацепил» IBM и Cisco. Изначально стандарт продвигали только эти три компании, а уже сейчас в LoRa Alliance входит более 250 компаний», - рассказал Евгений Луппов, генеральный директор и основатель компании «ЛоРа Линк». 

Разработкой и стандартизацией LoRaWAN занимается LoRa Alliance. В это объединение входят Cisco, IBM, Sagecom, SemTech и многие другие вендоры и провайдеры. В задачах альянса – объединение аппаратного и программного обеспечения на базе стандарта LoRaWAN для операторов IoT-связи.

Одна базовая станция, если для сигнала нет препятствий, может обеспечить покрытие на территории более 100 км. В иных условиях – от двух до 15 км в зависимости от рельефа местности и плотности застройки. Именно поэтому для охвата всей территории Нидерландов было достаточно установить 500 базовых станций. Скорость обмена данными между устройствами составляет от 300 бит/сек до 100 кбит/сек. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить получение необходимых показателей, например, данных о потреблении коммунальных ресурсов, информации с метеостанций и т.д.

Проекты LoRaWAN

В июне 2015 года LoRa Alliance выпустил релиз LoRaWAN 1.0. Согласно данным Альянса, по итогам 1 квартала текущего года, сети LoRaWAN были запущены в эксплуатацию в 13 странах и тестировались порядка в 60 странах.  

Так, европейский оператор связи Orange сделал вывод, что LoRa лучше своих конкурентов и приступил к развертыванию сети для покрытия всей Франции, состоящей из 15 тыс. базовых станций. В России продвижением стандарта LoRaWAN занимается компания Everynet (ООО «LACE»), работающая в 13 городах России. В казанском Иннополисе сеть вещей Everynet стандарта LoRaWAN в тестовом режиме заработала в мае 2016 года.

По словам представителей мэрии Иннополиса, тестируемая технология в дальнейшем сможет автоматизировать практически все внутригородские процессы: сбор данных со счетчиков ЖКУ, организацию парковочных мест, городское освещение и безопасность движения. Планировалось, что к 2016 году сеть охватит всю территорию России и, возможно, выйдет на рынки стран Евразийского экономического союза (Белоруссии, Казахстана, Армении, Киргизии). Создатели сети отмечают, что она поможет сэкономить ан освещении до 70% от привычных затрат.

В январе 2016 года о тестировании своей сети в Москве заявили представители компании «СенЛаб Рус». Одновременно с развертыванием базовых станций компания ведет работу по локализации выпуска датчиков, работающих в сетях LoRaWAN с тем, чтобы удешевить стоимость конечного оборудования для российских клиентов.

Основные характеристики сети «Стриж»

Национальная телематическая сеть «Стриж» для Интернета вещей только разворачивается в России и странах СНГ. Сейчас она насчитывает более 200 базовых станций. Эта система реализуется компанией «Стрижа-Телематика». Для построения сети используется собственный протокол Marcato 2.0. Частота может быть адаптирована под ISM диапазон. Технологии «Стрижа» и LoRa практически идентичны, поэтому преимущества и недостатки у этих двух сетей одинаковы. Различия заключаются в том, что для LoRa используется широкополосное кодирование, а для «Стрижа» - узкополосная модуляция.

В самой компании заявляют, что узкополосная модуляция обладает определенными плюсами. Она позволяет гораздо эффективнее использовать полосу спектра, увеличить чувствительность и энергоэффективность и снизить стоимость.

Радиостанции «Стриж» способны собирать данные с устройств в радиусе 10 км в городской черте и 50 км на открытой местности. Одна станция может обслужить свыше 2 млн различных «умных» устройств. 100% сетью «Стриж» покрыта территория Москвы, частичное покрытие обеспечивают базовые станции компании в Московской области, Санкт-Петербурге, Перми, Уфе, Грозном, Новокуйбышевске, Ставрополе, Сыктывкаре, Ростове-на-Дону и других крупных городах.

Основные характеристики сети Sigfox

Разработчик системы – одноименная французская компания, которая была основана в 2009 году. Для построения сети используется технология Ultra Narrow Band (UNB).  Sigfox обеспечивает простую, надежную и экономически эффективную связь для устройств, которые передают малый объем информации.

SigFox использует распространенный европейский ISM диапазон на 868 МГц и 902 МГц в США (в зависимости от конкретных региональных правил). Сеть Sigfox, как и другие сети LPWAN, обладают широкой зоной покрытия, до 50 км. Кроме того, LPWAN имеют высокий уровень энергоэффективности – устройства, подключенные к такой сети, тратят минимальное количество заряда.

Решения Sigfox разработаны для «умных» городов, интеллектуальных зданий, отслеживания активов, дистанционного мониторинга, контроля и учета энергоресурсов и множества других приложений и позволят компаниям создавать новые сервисы и бизнес-модели, а также генерировать дополнительные доходы.

Устройство, работающее в сети Sigfox, может ежедневно отправить до 140 сообщений размером до 12 байт. В этот объем могут быть включены координаты девайса, отчет о потребляемой устройством мощности, сигналы тревоги и т.д. 

Sigfox, как и LoRa создали сильные экосистемы сетевых и телекоммуникационных партнеров для предоставления IoT-сервисов и строительства собственных общественных LPWA-сетей.

Источник: iot.ru, 2016 

Технологии, основанные на существующих стандартах мобильной связи

Технологии консорциума 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) для Интернета вещей основаны на существующих стандартах мобильной связи. Из-за нетребовательности M2M-оборудования к скоростям передачи данных, существующие сотовые сети принято считать дорогими. Работа датчиков и устройств из-за чрезмерного энергопотребления в мобильных сетях и сложных протоколов, приводит к быстрой разрядке батареи M2M-устройств. Поэтому сети сотовой связи модернизировали для работы IoT-девайсов.

Источник: Ericsson, 2016

Источник: Ericsson, 2016

Источник: Ericsson, 2016

К основным таким модернизированным сетям можно отнести: EC-GSM (также носит названия EC-GPRS, EC-GSM-IoT), eMTC (тоже, что и LTE-M, LTE Cat.M1) и NB-IoT. Недостатки этих сетей состоят в том, что для их функционирования необходим лицензируемый спектр, тарифы на передачу данных могут быть высокими для нетребовательного к скоростям оборудования, стоимость устройств, работающих в стандарте LTE, остается довольно высокой, необходимо разрабатывать оборудование, поддерживающего несколько стандартов связи и т.д. К преимуществам можно отнести использование инфраструктуры существующих мобильных операторов, поддержку роуминга, высокие скорости передачи данных для мультимедийного оборудования и устройств, которым необходимо функционировать в режиме реального времени и т.д.

Основные характеристики EC-GSM

Эта технология предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базового GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций этого стандарта без замены или модернизации аппаратного обеспечения. 

Ключевые преимущества EC-GSM заключается в том, что: сетевая инфраструктура существующей мобильной сети уже готова. Во многих случаях требуется только обновить ПО на узлах сети; сети GSM распространены по всему миру и имеют большой охват.
  
Основные характеристики eMTC

Вариант eMTC (встречаются также названия LTE-M, LTE Cat.M1) является адаптацией IoT для сетей LTE. Скорость передачи данных в eMTC в исходящем и входящем каналах составляет 1 Мбит/с, что востребовано при определенных сценариях.   

Этот стандарт по таким параметрам, как стоимость (за счет отказа от функциональности LTE), покрытие, срок автономной работы и в совокупности с максимальной совместимостью используемой инфраструктуры мобильных операторов сфокусирован на достижении целевых показателей массового IoT. eMTC может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО.

Основные характеристики NB-IoT

Narrowband IoT, или узкополосный IoT предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE. Однако для поддержки этого стандарта необходимо создание нового типа радиодоступа.

Сети NB-IoT предоставляют множество серьезных преимуществ, среди которых поддержка более 100 тыс. соединений на соту, десятилетняя гарантия срока службы аккумулятора, широкое покрытие с усилением 20 дБ в сети GSM, повышенная безопасность за счет двусторонней аутентификации и усиленного шифрования интерфейса, а также создание стабильных условий, в которых оператор связи сможет внедрять приложения для Интернета вещей и воплощать идею создания умных городов. 

Как ожидается, стоимость устройства NB-IoT по сравнению с LTE Cat.M1 удастся снизить на 90% благодаря существенной переработке протоколов канального уровня. Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom заявили о поддержке в своих продуктах и решениях технологии NB-IoT.

Сравнение технологий LoRaWAN и 3GPP-технологий

В целом, каждая из рассмотренных 3GPP-сетей обладает существенным преимуществом: экосистема сотовой связи глобальна, ИТ-инфраструктура уже готова, использование лицензируемого спектра приведет к удешевлению в конечном счете стоимости самого оборудования. Однако сегодня стандартизирована 3GPP только NB-IoT, а EC-GSM и eMTC ожидают стандартизации.

Тенденции и перспективы сетей для Интернета вещей в России

Географические масштабы страны могут способствовать развитию lIoT в России

Датчики Интернета вещей могут справится с задачей мониторинга удаленных объектов, таких, как «холодные» АЗС (без персонала), наблюдение за мостами, переправами, зимниками и т.д.

LoraWAN имеет наибольшую перспективу для развития в России

«Если в нашем офисе, гипермаркете, на заводе и т.п. нет сети, то мы можем поставить собственную базовую станцию и выбрать формат работы с этой базовой станцией – либо исключительно под нас, либо с доступом к этой базовой станции устройствам других пользователей (что позволяет экономить затраты на эксплуатации сети)», – комментирует Андрей Мелузов, директор департамента ИТ-аутсорсинг ГК «КОРУС Консалтинг».

Драйвером роста использования IoT-связи станет реализация концепции мультисервисной сети

К таким сетям можно подключать оборудование вне зависимости от используемых протоколов.

Заказчики предпочтут ту сеть, оборудование в которой прослужит дольше

По мнению экспертов, решающим фактором для некоторых заказчиков станет такой параметр, как работа устройства в IoT-сети без подзарядки в течение максимально возможного времени.

Применение LPWAN в России может быть затруднено ввиду устаревших требований

«Существующие счетчики и передовые технологии (например, LoRaWAN) из-за низкой скорости передачи данных не подходят под требования основных заказчиков, таких, как «Россети». Скорость передачи данных в оборудовании «Россетей» превышает 1 килобит в секунду, в то время как у Sigfox и NB-IoT скорость передачи данных менее 1 тыс. бит в секунду», - полагает Александр Максютов, технический директор Mobix Chip.

Трудности с лицензированием могут препятствовать появлению 3GPP-сетей для IoT в России

Так, сеть LoRaWAN использует общедоступный открытый диапазон, который не требует дополнительного лицензирования. А трудности с процедурой лицензирования и выделения частот в России может стать барьером для других сетей, считает Андрей Мелузов.

Без стандартизации пропиетарного оборудования рост рынка LPWAN будет консервативным

Для дальнейшего роста рынка открытость экосистемы LPWA имеет решающее значение, поскольку такие технологии сталкиваются с серьезной конкуренцией со стандартами 3GPP, считают аналитики ABI Research. Низкая стоимость оборудования в таких сетях является определенным преимуществом, однако отсутствие стандартов – это самый серьезный недостаток. «Закрытая экосистема ограничивает внедрение инноваций и подавляет рост объемов рассматриваемого рынка», - говорит Адарш Кришнан (Adarsh Krishnan), старший аналитик аналитики ABI Research.