СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

АННОТАЦИЯ

В связи с быстрым ростом рынка Интернета вещей (IoT) маломощные глобальные сети (LPWAN) стали популярной технологией низкоскоростной радиосвязи на большие расстояния. Sigfox, LoRa и NB-IoT - три ведущие технологии LPWAN, которые конкурируют за крупномасштабное развертывание IoT. В этой статье дается всестороннее и сравнительное исследование этих технологий, которые служат эффективными решениями для подключения интеллектуальных, автономных и разнородных устройств. Мы показываем, что Sigfox и LoRa выгодны с точки зрения срока службы, емкости и стоимости батареи. Между тем, NB-IoT предлагает преимущества с точки зрения задержки и качества обслуживания. Кроме того, мы анализируем факторы успеха этих технологий LPWAN для Интернета вещей и рассматриваем возможности применения.

ABSTRACT

Due to the rapid growth of the Internet of Things (IoT) market, low-power wide area networks (LPWAN) have become a popular technology for low-speed long-distance radio communication. Sigfox, LoRa, and NB-IoT are the three leading LPWAN technologies that compete for large-scale It deployment. This article provides a comprehensive and comparative study of these technologies, which serve as effective solutions for connecting intelligent, autonomous, and heterogeneous devices. We show that Sigfox and LoRa are profitable in terms of battery life, capacity, and cost. Meanwhile, NB-IoT offers advantages in terms of latency and quality of service. In addition, we analyze the success factors of these LPWAN technologies for the Internet of Things and consider possible applications.

Ключевые слова: Интернет Вещей, сенсорные сети, I2C, RS232, ZigBee, LoRa, Arduino, ESP-12, Raspberry Pi.

Интернет вещей (IoT) относится к взаимодействию и обмену данными между устройствами датчиками. В настоящее время, в связи со стремительным ростом технологий IoT, все большее количество практических приложений можно найти во многих областях, включая безопасность, отслеживание активов, сельское хозяйство, интеллектуальные измерения, умные города и умные дома. Приложения IoT предъявляют особые требования, такие как большие расстояния, низкая скорость передачи данных, низкое энергопотребление и экономическая эффективность. Широко используемые технологии ближней радиосвязи (например, ZigBee, Bluetooth) не адаптированы для сценариев, требующих передачи на большие расстояния. Решения, основанные на сотовой связи (например, 2G, 3G и 4G), могут обеспечить большее покрытие, но они потребляют чрезмерное количество энергии устройства. Таким образом, требования приложений IoT привели к появлению новой технологии беспроводной связи: глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWAN).

LPWAN становится все более популярным в промышленных и исследовательских сообществах из-за его низкого энергопотребления, большого радиуса действия и невысокой стоимости связи [1]. Обеспечивает дальнюю связь до 10–40 км в сельской местности и 1–5 км в городских зонах. Кроме того, он отличается высокой энергоэффективностью, срок службы батареи более 10 лет и по стоимости недорогой. Эти многообещающие аспекты LPWAN послужили поводом для недавних экспериментальных исследований производительности LPWAN в наружной и внутренней среде. Таким образом, LPWAN очень подходит для приложений IoT, которым необходимо передавать только крошечные объемы данных на большие расстояния, как показано на рисунок 1 .

Рисунок 1. Требуемая скорость передачи данных в зависимости от дальности действия технологий радиосвязи: определение местоположения LPWAN

Еще в начале 2013 года термина «LPWAN» вообще не существовало. Многие технологии LPWAN возникли как в лицензированной, так и в нелицензированной полосе частот.  Среди них Sigfox, LoRa и NB-IoT - ведущие на сегодняшний день развивающиеся технологии, которые предполагают множество технических отличий.

Таблица 1.

Обзор технологий LPWAN: Sigfox, LoRa и NB-IoT [2]

Технология Sigfox. Sigfox - оператор сети LPWAN, предлагающий решение для сквозного подключения к Интернету вещей, основанное на его запатентованных технологиях. Sigfox развертывает свои собственные базовые станции, оснащенные когнитивными программно-определяемыми радио модулями, и подключает их к внутренним серверам с помощью IP-сети [3]. Конечные устройства, подключенные к этим базовым станциям, используют модуляцию двоичной фазовой манипуляции (BPSK) в сверхузкой полосе (100 Гц) несущей полосы ISM суб-ГГц. Sigfox использует нелицензированные диапазоны ISM, например, 868 МГц в Европе,  915 МГц в Северной Америке и 433 МГц в Азии. Благодаря использованию сверх узкой полосы частот, Sigfox эффективно использует полосу частот и испытывает очень низкие уровни шума, что приводит к очень низкому энергопотреблению, высокой чувствительности приемника и недорогой конструкции антенны за счет максимальной пропускной способности всего 100 бит / с.

Технология LoRa.  LoRa - это технология физического уровня, которая модулирует сигналы в диапазоне ISM суб-ГГц с использованием собственной техники расширения спектра. Как и Sigfox, LoRa использует нелицензионные диапазоны ISM, то есть 868 МГц в Европе, 915 МГц в Северной Америке и 433 МГц в Азии [4]. Двунаправленная связь обеспечивается модуляцией с расширенным спектром ЛЧМ (CSS), которая расширяет узкополосный сигнал по более широкой полосе пропускания канала. Результирующий сигнал имеет низкий уровень шума, что обеспечивает высокую устойчивость к помехам, и его трудно обнаружить или заблокировать [5].

LoRa использует шесть коэффициентов расширения (от SF7 до SF12) для адаптации скорости передачи данных и диапазона. Более высокий коэффициент расширения позволяет увеличить дальность за счет более низкой скорости передачи данных, и наоборот. Скорость передачи данных LoRa составляет от 300 до 50 Кбит/с в зависимости от коэффициента расширения и пропускной способности канала. Кроме того, сообщения, передаваемые с использованием разных коэффициентов расширения, могут одновременно приниматься базовыми станциями LoRa.

NB-IoT. Это технология узкополосного Интернета вещей, указанная в версии 13 3GPP в июне 2016 года. NB-IoT может сосуществовать с GSM (глобальная система мобильной связи) и LTE (долгосрочная эволюция) в лицензированных диапазонах частот (например, 700 МГц, 800 МГц и 900 МГц). NB-IoT занимает полосу частот 200 кГц, что соответствует одному блоку ресурсов при передаче GSM и LTE. При таком выборе полосы частот возможны следующие режимы работы, как показано на рисунке 2:

Рисунок 2. Режимы работы для NB-IoT

Автономная работа: Возможный сценарий - использование полос частот GSM, используемых в настоящее время.

Работа охранной полосы: использование неиспользуемых блоков ресурсов в пределах защитной полосы, несущей LTE.

Внутриполосная работа: использование блоков ресурсов на носителе LTE.

Сравнение факторов Интернета вещей. При выборе соответствующей технологии LPWAN для приложения IoT следует учитывать множество факторов, включая качество обслуживания, время автономной работы, время ожидания, масштабируемость, длину полезной нагрузки, покрытие, диапазон, развертывание и стоимость. Далее Sigfox, LoRa и NB-IoT сравниваются с точки зрения этих факторов и их технических различий [6]. На рисунке 3 приведены преимущества технологий Sigfox, LoRa и NB-IoT с точки зрения факторов IoT.

Рисунок 3. Соответствующие преимущества Sigfox, LoRa и NB-IoT с точки зрения факторов IoT

Качество обслуживания. Sigfox и LoRa используют нелицензированные спектры и асинхронные протоколы связи. Они могут отражать помехи, многолучевость и замирания. Однако они не могут предложить такое же качество обслуживания, которое обеспечивает NB-IoT. NB-IoT использует лицензированный спектр и синхронный протокол на основе LTE, которые оптимальны для QoS за счет стоимости, т. Е. Стоимость лицензионных аукционов на использование спектра LTE превышает 500 миллионов евро за МГц. Из-за компромисса QoS и стоимости NB-IoT предпочтительнее для приложений, требующих гарантированного качества обслуживания, тогда как приложения, у которых нет этого ограничения, должны выбирать LoRa или Sigfox.

Срок службы батареи и время ожидания. Sigfox, LoRa и NB-IoT конечные устройства большую часть времени вне работы находятся в спящем режиме, что снижает количество потребляемой энергии, то есть длительный срок службы конечных устройств. Однако оконечное устройство NB-IoT потребляет дополнительную энергию из-за синхронной связи и обработки QoS, а его режимы доступа OFDM / FDMA требуют большего пикового тока. Это дополнительное потребление энергии сокращает срок службы конечного устройства NB-IoT по сравнению с Sigfox и LoRa.

Однако NB-IoT предлагает преимущество низкой задержки. В отличие от Sigfox, LoRa предоставляет класс C для обработки низкой двунаправленной задержки за счет повышенного потребления энергии [7]. Следовательно, для приложений, которые нечувствительны к задержке и не имеют большого объема данных для отправки, Sigfox и LoRa класса A являются лучшими вариантами. Для приложений, которым требуется низкая задержка, лучшим выбором будут NB-IoT и LoRa класса C.

Масштабируемость и длина полезной нагрузки. Поддержка огромного количества устройств - одна из ключевых особенностей Sigfox, LoRa и NB-IoT. Эти технологии хорошо работают с увеличением количества и плотности подключенных устройств. Считается, что несколько методов справляются с этой функцией масштабируемости, например, эффективное использование разнесения в канале, а также во времени и пространстве. Однако NB-IoT предлагает преимущество очень высокой масштабируемости, чем Sigfox и LoRa. NB-IoT позволяет подключать до 100 K конечных устройств на ячейку по сравнению с 50 K на ячейку для Sigfox и LoRa Тем не менее, NB-IoT также предлагает преимущество максимальной длины полезной нагрузки. Как представлено в таблице 2, NB-IoT позволяет передавать данные размером до 1600 байт. LoRa позволяет отправлять до 243 байтов данных. Напротив, Sigfox предлагает самую низкую длину полезной нагрузки, равную 12 байтам, что ограничивает ее использование в различных приложениях IoT, которым необходимо отправлять большие размеры данных.

Покрытие сети и диапазон. Основное преимущество использования Sigfox заключается в том, что весь город может быть покрыт одной базовой станцией (то есть, > 40 км). В Бельгии, стране с общей площадью около 30 500 км², развертывание сети Sigfox охватывает всю страну всего с семью базовыми станциями. Напротив, LoRa имеет меньшую дальность действия (дальность <20 км), поэтому для покрытия всего города, такого как Барселона, требуется всего три базовых станции. NB-IoT имеет самый низкий диапазон и возможности покрытия (диапазон <10 км). Основное внимание уделяется классу устройств, которые устанавливаются в местах, удаленных от обычных сотовых сетей (например, в помещении, в глубине помещения). Кроме того, развертывание NB-IoT ограничено базовыми станциями LTE. Таким образом, он не подходит для сельских или пригородных регионов, которые не имеют покрытия LTE.

Модель развертывания. Спецификации NB-IoT были выпущены в июне 2016 года; таким образом, потребуется дополнительное время, прежде чем сеть будет установлена. Однако экосистемы Sigfox и LoRa являются зрелыми и сейчас находятся в стадии коммерциализации в разных странах и городах. LoRa имеет то преимущество, что в настоящее время его можно развернуть в 42 странах по сравнению с 31 страной для Sigfox. Тем не менее, развертывание LoRa и Sigfox по всему миру все еще продолжается.

Кроме того, одним из значительных преимуществ экосистемы LoRa является ее гибкость. В отличие от Sigfox и NB-IoT, LoRa предлагает развертывание локальной сети, т. Е. LAN с использованием шлюза LoRa, а также работу в общедоступной сети через базовые станции. В промышленной сфере можно использовать гибридную операционную модель для развертывания локальной сети LoRa в производственных зонах и использовать общедоступную сеть LoRa для покрытия внешних зон.

Стоимость. Необходимо учитывать различные стоимостные аспекты, такие как стоимость спектра (лицензия), стоимость сети развертывания и стоимость устройства [8]. Таблица 2 показывает стоимость Sigfox, LoRa и NB-IoT. Очевидно, что Sigfox и LoRa более рентабельны по сравнению с NB-IoT.

Таблица 2.

Разная стоимость Sigfox, LoRa и NB-IoT

Заключение. В данной статье обобщены технические различия Sigfox, LoRa и NB-IoT, а также обсуждаются их преимущества с точки зрения факторов IoT и основных проблем. Каждая технология найдет свое место на рынке Интернета вещей. Sigfox и LoRa будут служить более дешевым устройством с очень большим радиусом действия (большой охват), нечастой скоростью связи и очень длительным сроком службы батареи. В отличие от Sigfox, LoRa также будет обслуживать развертывание локальной сети и надежную связь, когда устройства перемещаются с высокой скоростью. Напротив, NB-IoT будет обслуживать более ценные рынки IoT, которые готовы платить за очень низкую задержку и высокое качество обслуживания. Несмотря на тесты сотовых компаний, отсутствие коммерческого развертывания NB-IoT в настоящее время оставляет открытыми вопросы о фактическом сроке службы батареи и производительности, достижимой с помощью этой технологии в реальных условиях. Наконец, ожидается, что беспроводная мобильная связь 5-го поколения (5G) предоставит средства, позволяющие к 2020 году создать полностью связанный мир людей и устройств, что приведет к глобальному решению LPWAN для приложений IoT.

Список литературы:

1. Научный доклад. Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно- коммунальном хозяйстве. Системы дистанционного сбора данных на базе энергоэффективных сетей LPWAN. – С. 73–74.
2. Концепция построения и развития узкополосных беспроводных сетей свяи «Интернета Вещей», 2019. С. 27-28
3. Киричек Р. Разработка и исследование комплекса моделей и методов для летающих сенсорных сетей // глава 2. С. 34-35
4. Кумаритова Д. Л., Киричек Р. В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWAN сетей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. № 4. С. 33–48.
5. Современная сверхузкополосная система передачи данных LоRа.  2017 г. В.И. БОЛДИНА, А.А. ФРОЛОВ // С. 1144-1145.
6. Долгушев Р. А., Киричек Р.В., Кучерявый А.Е. Обзор возможных видов и методов тестирования Интернет Вещей. 2016. С 6-7.
7. Бухтеев М. 2019. Сети IOT на основе технологии LoRaWAN. Сisco. // С 25-26.
8. Кулик В. А., Киричек Р. В., Бондарев А. Н. Методы исследования беспроводных каналов связи Интернета Вещей в условиях совместной работы // Информационные технологии и телекоммуникации. 2015. № 1 (9). С. 106–114.