Сети LPWAN: история и перспективы

Прототипы сетей LPWAN появились в 1980-1990 гг. Однако эти сети уступили место более эффективным технологиям. Современные же LPWAN могут составить конкуренцию даже разрабатываемым сетям 5G. Все дело в широком охвате, низкой стоимости оборудования и обслуживания и т.д. LPWAN-сервисы незаменимы в отслеживании активов, управлении зданиями, реализации концепции «умный город», умном учете ресурсов и сельском хозяйстве.

История

История LPWAN началось задолго до того, как французская Sigfox в 2009 году запустила в не лицензируемом диапазоне частот одноименную беспроводную сеть. Целью компании было подключение к сети объектов, которым для работы не требуется много энергии. Первыми были подключены счетчики, стиральные машины и т.д.

И все же первыми устройствами, которые начали работу в предшественниках современных LPWA-сетей, стали системы сигнализации. Так, в 1980-1990 гг. стали появляться аналогичные с LPWAN топологии и сетевые архитектуры. К примеру, компания AlarmNet, «дочка» ADEMCO, подключала с беспроводной сети пожарные извещатели и проводила мониторинг их работы. Сеть функционировала на частоте 928 МГц в США и охватывала 65% населения. В последствии Honeywell приобрела AlarmNet.

Еще один поставщик – ARDIS, основавший в 1980-х гг. беспроводную сеть с широкой зоной покрытия, принадлежал компании Motorola. К этой низкоскоростной сети подключали оборудование для автоматизации продаж и онлайн-транзакций. Впоследствии American Mobile приобрела ARDIS, и обслуживание клиентов новый собственник перевел в более современные сети.

С постепенным развитием технологий компании-поставщики решений для мониторинга перешли на сети 2G. Это случилось в конце 1990-х. По меркам того времени сети 2G имели повсеместное покрытие.

Современные LPWAN

Оборудование становится все более доступным по цене, а инструменты интеграции – более простыми в эксплуатации. Получать информацию с датчиков, расположенных в нескольких километрах от диспетчерского пункта, стало очень просто. К тому же интегрировать данные с удаленных устройств теперь можно в различные приложения. Осталось лишь организовать каналы связи.

Так как оборудование в LPWAN передает небольшие объемы информации, то надобность в обеспечении высоких скоростей для такого класса оборудования отсутствует. Это, в свою очередь, влияет на конечную стоимость устройств. Благодаря указанным факторам появились современные сети LPWAN.

Под термином LPWAN (LPWA Network, от англ. Low-power Wide-area Network) следует понимать несколько технологий, благодаря которым происходит соединение датчиков и контроллеров с Интернетом. Сети Wi-Fi и сотовой связи при этом не используются.

Эти технологии созданы для передачи телеметрических данных с приборов учета, датчиков и других устройств на дальние расстояния. Появление LPWAN во многом связано с потребностями M2M-устройств.

Как правило, сети LPWA используются для передачи малого объема данных (зачастую до 1МБ в месяц) от устройств, способных годами работать от одного AA-аккумулятора, на большие расстояния. Тем самым стоимость обслуживания такого оборудования в сетях LPWA сводится к минимуму.

К преимуществам LPWAN также следует отнести:

• Небольшое количество базовых станций, необходимых для охвата определенной территории. Одна базовая станция охватывает, в условиях ровного рельефа и неплотной застройки, территорию до 100 км и способна обслуживать несколько тысяч устройств;

• Проникающая способность радиосигнала. Как правило, счетчики располагаются в подвалах многоквартирных и частных домов. Сигнал сети LPWA успешно распространяется и в сильно застроенной городской среде, преодолевая стены и проникая в подвалы.

• Низкая стоимость оборудования и минимальные затраты на его обслуживание.

Сети LPWAN

Активно развивают сети LPWAN LoRa Alliance, Sigfox, Ingenu и другие провайдеры. Рассмотрим некоторые сети более детально.

Ultra Narrow Band

Ultra Narrow Band (UNB) – технология ультраузкой полосы модуляции. К UNB относятся такие известные сети, как NB-IoT и Sigfox. 

NB-IoT

NB-IoT была разработана на базе существующих стандартов мобильной связи. Сети NB-IoT работают в лицензируемом спектре частот. Стандартизация технологии завершилась в июне 2016 года. Курирует разработку этой сети 3GPP.

В NB-IoT обеспечивается поддержка более 100 тыс. соединений на соту, аккумулятор устройства, подключенного к NB-IoT, может работать до десяти лет без подзарядки. Также обеспечивается широкое покрытие с усилением 20 дБ в сети GSM и т.д.

Четыре cети NB-IoT, по данным GSMA, уже работали в апреле 2017 года. В это же время по всему миру тестировались 40 NB-IoT сетей.

Sigfox

Sigfox – французская компания, в 2009 году запустившая современную сеть LPWA во Франции. Сумма инвестиций в проект тогда составила €100 млн.

Для работы сети используется технология сверхузкополосной беспроводной связи. Сеть базируется на топологии «звезда». Кстати, такая топология характерна для большинства LPWA. Множество устройств по беспроводному соединению передают данные на шлюзы, а шлюзы перенаправляют информацию на сервер. Каждое устройство в сети может передавать до 140 исходящих сообщений в сутки. Объем сообщения не превышает 12 байт. Максимальное количество входящих сообщений – 4, объем каждого – до 8 байт.

Сеть работает в не лицензируемом частотном диапазоне. Сейчас для оказания услуг связи используется диапазон 868 МГц в Европе и 902 МГц в США. Сети Sigfox развернуты более чем в 26 странах мира.

LoRa

LoRa – это запатентованное частотное расширение спектра. В 2008 году технологию запатентовала французская компания Cycleo, а в 2012 году эту компанию приобрела Semtech. С этого момента начался взлет LoRaWAN. Semtech сумела заинтересовать новой технологией IBM и Cisco, которые впоследствии вошли в LoRa Alliance.

Наиболее известный протокол LoRa – LoRaWAN – это аппаратный протокол управления связью между LPWAN шлюзами и конечными узлами устройств. Сеть LoRaWAN (Long Range wide-area networks, глобальная сеть большого радиуса действия) развертывается в частотном спектре, не требующем лицензирования.

Устройства в сети LoRaWAN асинхронно передают данные для отправки на шлюз. Затем несколько шлюзов, получившие эту информацию, отправляют пакеты данных на централизованный сервер сети, а от него – на серверы приложений.

В России продвижением стандарта LoRaWAN занимаются Everynet и «Сеть 868». Заинтересовались этой технологией также «МегаФон», «ВымпелКом» и МТС. «В прошлом году мы успешно протестировали технологию LoRa, а в настоящий момент участвуем в пилотном проекте c департаментом информационных технологий Москвы», - сообщал iot.ru Дмитрий Солодовников, пресс-секретарь МТС.

Поддержку протоколу на глобальном уровне оказывает LoRa Alliance. Альянс объединяет более 500 компаний - разработчиков аппаратного и программного обеспечения и операторов LoRaWAN.

Услуги связи LoRaWAN оказывают 42 оператора более чем в 250 городах мира. Такую популярность этого стандарта специалисты объясняют низким уровнем энергопотребления (порядка 10 лет от одной батареи), большой территорией покрытия и невысокой стоимостью датчиков (до $10).

Ingenu

Эта сеть использует протокол RPMA (Random Phase Multiple Access). Технология доступна в 29 странах мира.

Примеры использования LPWAN

Сейчас LPWAN-технологии широко используются в отслеживании активов, управлении зданиями, реализации концепции «умный город», умном учете ресурсов и т.д. Аналитики Berg Insight отмечают, что LPWAN будут активно использоваться в сельском хозяйстве, особенно в местностях, не охваченной мобильной связью.

Например, сеть IoT с использованием наземных каналов – базовых станций LoRaWAN от Actility и спутникового канала (для передачи информации от базовой станции в интернет) в феврале 2017 года запустил глобальный провайдер спутниковой связи компания Inmarsat.

Реализация такого проекта позволит более эффективно выращивать масленичную пальму в Малайзии. Плантации, как правило, находятся вдали от цивилизации. Датчики соберут информацию о влажности почвы на угодьях, у корней растений, проанализируют количество пресной воды в резервуарах, позволят экономно расходовать ресурсы и увеличить урожайность этой агрокультуры.

Фермерам на удаленных фермах в Австралии отныне не придется тратить много времени на определение местонахождения, параметров здоровья и других важных показателей крупного рогатого скота. Как правило, добраться до некоторых ранчо можно только авиацией, поэтому услуги ветеринара не всегда доступны. Использование LoRaWAN и спутниковой связи решит эту проблему.

Пригодится такое решение и на нефтяных платформах в море. С помощью датчиков и предиктивной аналитики можно будет оперативно определить потенциальные точки сбоя и вовремя провести профилактику. Это убережет компании от простоев, ежедневные убытки от которых исчисляются миллионами долларов.

Будущее LPWAN

Аналитики J’son & Partners Consulting отмечали, что в России наиболее распространены такие стандарты LPWAN, как LoRaWAN и NB-IoT. Более 10 млн подключений в России придется к 2022 году на LPWAN.

По прогнозам компании Stratistics MRC среднегодовой темп роста мирового рынка LPWAN составит 88,8% с 2015 по 2022 годы. К 2022 объем рынка достигнет $46,3 млрд.

Сети 5G до 2028 года на глобальном рынке не смогут составить конкуренции NB-IoT и LoRa. На NB-IoT придется 90% от всех LPWAN-соединений в мире. Сети LoRa дополнят NB-IoT, преимущественно охватывая удаленные территории, полагают аналитики Lux Research.

CTO и учредитель компании Link Labs Брайан Рэй полагает, что на Sigfox и LoRa придутся миллиарды средних контрактов. Уникальные приложения и новые ниши позволят поставщикам LPWAN, оказывающим услуги в не лицензируемом спектре успешно вести бизнес.