АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ LPWAN В ИНФРАСТРУКТУРЕ УМНЫХ ГОРОДОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены современные подходы к использованию технологий LPWAN (Low Power Wide Area Network) в инфраструктуре умных городов. Проведен анализ ключевых сфер применения LPWAN — транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство, экология, безопасность, утилизация отходов, озеленение, а также социальные и административные сервисы. Описаны основные преимущества LPWAN-сетей: низкое энергопотребление, большой радиус действия, низкая стоимость развертывания и высокая масштабируемость. Особое внимание уделено сравнительному анализу технологий LoRaWAN, NB-IoT и Sigfox, их архитектурным особенностям и зарубежному опыту внедрения. Отмечены ограничения LPWAN, связанные с пропускной способностью и задержками передачи данных. Приведены тенденции развития рынка LPWAN и перспективы внедрения данных технологий в городах Кыргызстана. Статья предназначена для специалистов в области цифровизации городской среды, инженеров, муниципальных управленцев и всех, кто интересуется развитием умных городов и интернетом вещей.

ABSTRACT

The article examines modern approaches to the use of LPWAN (Low Power Wide Area Network) technologies in smart city infrastructure. The analysis covers key areas of LPWAN application, including transport, housing and utilities, ecology, safety, waste management, landscaping, as well as social and administrative services. The main advantages of LPWAN networks are described: low power consumption, long range, low deployment cost, and high scalability. Special attention is paid to the comparative analysis of LoRaWAN, NB-IoT, and Sigfox technologies, their architectural features, and international implementation experience. The limitations of LPWAN related to bandwidth and data transmission delays are noted. The article presents trends in the development of the LPWAN market and prospects for the implementation of these technologies in the cities of Kyrgyzstan. The article is intended for specialists in the field of urban digitalization, engineers, municipal managers, and all those interested in the development of smart cities and the Internet of Things.

Ключевые слова: LPWAN, умный город, интернет вещей, LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, цифровая инфраструктура, городское управление, автоматизация, мониторинг, энергоэффективность.

Keywords: LPWAN, smart city, Internet of Things, LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, digital infrastructure, urban management, automation, monitoring, energy efficiency.

Введение

Технологии LPWAN (Low Power Wide Area Network) становятся фундаментом для цифровой трансформации городской среды. Благодаря энергоэффективности, большому радиусу действия и низкой стоимости развертывания, LPWAN-сети позволяют подключать десятки и сотни тысяч устройств, обеспечивая сбор и передачу данных для различных сфер городской инфраструктуры. Это открывает новые возможности для повышения эффективности управления городом, улучшения качества жизни граждан и оптимизации расходов.

1. Сферы применения LPWAN в умных городах

Транспорт и мобильность.

LPWAN используется для мониторинга общественного транспорта, управления светофорами, организации «умных» парковок, отслеживания электросамокатов и велошеринга. Датчики фиксируют занятость парковочных мест, движение транспорта, состояние батарей и технические неисправности, что позволяет оптимизировать трафик и повысить удобство для жителей.

ЖКХ и городская инфраструктура.

Умные счетчики воды, газа и электроэнергии автоматически передают показания, выявляют утечки и превышения норм. Датчики давления и влажности контролируют состояние трубопроводов, а телеметрия с лифтов и другого оборудования позволяет проводить профилактическое обслуживание. LPWAN также применяется для управления уличным освещением и мониторинга состояния городской инфраструктуры.

Экология и мониторинг окружающей среды.

Сети LPWAN обеспечивают сбор данных о качестве воздуха (PM2.5, CO₂, NO₂), уровне шума и вибраций, мониторинге уровня воды в реках и ливневых стоках. Это позволяет оперативно реагировать на экологические угрозы и предотвращать наводнения.

Городская безопасность.

LPWAN интегрируется в системы экстренного оповещения, датчики открытия люков, обнаружения пожаров и задымлений. Это повышает уровень безопасности и позволяет быстро реагировать на чрезвычайные ситуации.

Утилизация отходов и санитария.

«Умные» мусорные контейнеры с датчиками уровня заполненности и температуры оптимизируют маршруты вывоза отходов. Мониторинг санитарного состояния уличных туалетов и контейнеров для раздельного сбора позволяет своевременно проводить обслуживание.

Городское озеленение и агрономия.

Датчики влажности почвы и температуры управляют системами полива, контролируют состояние растений в парках и скверах, что способствует рациональному использованию ресурсов.

Социальные и административные сервисы.

LPWAN поддерживает системы обратной связи с гражданами, мониторинг использования городской инфраструктуры, подсчет людей в общественных местах и учреждениях.

2. Преимущества и ограничения LPWAN в городской среде

Преимущества:

Низкое энергопотребление (срок службы батареи до 10 лет).

Большой радиус действия (до 15 км в городе, до 30 км за городом).

Низкая стоимость развертывания и эксплуатации.

Возможность работы в условиях плохого сигнала (подвалы, шахты, люки).

Высокая масштабируемость и простота интеграции новых устройств.

Ограничения:

Низкая пропускная способность и высокая задержка по сравнению с сотовыми сетями.

Ограничения по объему и частоте передачи данных (особенно в нелицензируемых диапазонах).

Не подходит для приложений, требующих передачи больших объемов данных или работы в реальном времени.

3. Технологии и архитектура LPWAN

Наиболее распространённые стандарты LPWAN — LoRaWAN, NB-IoT и Sigfox.

LoRaWAN — открытый протокол, поддерживаемый альянсом LoRa Alliance, объединяющим более 500 компаний, включая мировых лидеров в области электроники и телекоммуникаций. LoRaWAN обеспечивает высокую емкость сети (до 1 млн устройств), низкое энергопотребление и большую дальность связи. Сеть строится по топологии «звезда», где шлюзы передают данные от конечных устройств на центральный сервер.

NB-IoT и Sigfox также активно внедряются в городских инфраструктурах, особенно в Европе и Китае.

4. Зарубежный опыт внедрения LPWAN

Мировой рынок IoT и LPWAN растет двузначными темпами. По прогнозам, к 2025 году объем рынка LPWAN достигнет$6,4 млрд, а количество подключений превысит 1 млрд. В Китае к 2026 году планируется подключить к NB-IoT 600 млн устройств.

В Европе и США активно развиваются частные и публичные LPWAN-сети для ЖКХ, транспорта, экологии, промышленности и сельского хозяйства.

Внедрение LPWAN позволяет автоматизировать сбор данных, повысить прозрачность и эффективность управления ресурсами, снизить издержки и повысить качество городских сервисов.

5. Перспективы развития LPWAN в Кыргызстане

Эксперты ожидают быстрый рост внедрения LPWAN в Кыргызстане, особенно в сфере беспроводного учета ресурсов ЖКХ и городской инфраструктуры. LPWAN открывает новые возможности для цифровизации городов, повышения их устойчивости и комфорта для жителей.

Заключение

LPWAN — это технологическая основа для построения умных городов, обеспечивающая эффективное взаимодействие между устройствами, инфраструктурой и людьми. Развитие и внедрение LPWAN-сетей — ключевой шаг на пути к цифровому будущему городской среды.

Список литературы:

1. Almuhaya, M. A., Jabbar, S., Sulaiman, M., & Abdulmalek, S. (2022). A Comprehensive Survey on Low Power Wide Area Networks (LPWAN) for IoT Applications. IEEE Access, 10, 166-190.
2. Mekki, K., Bajic, E., Chaxel, F., & Meyer, F. (2019). A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment. ICT Express, 5(1), 1-7.
3. Raj, S., Verma, S., Dalal, U., Shukla, S., & Garg, S. (2023). LPWAN Technologies for IoT: A Review and Future Directions. IEEE Internet of Things Journal, 10(2), 210-225.
4. Lalle, Y., et al. (2019). Scalability Analysis of LoRaWAN for Smart Water Grids. Sensors, 19(1), 1-18.
5. Hossain, M., & Markendahl, J. (2021). A Comparative Analysis of LPWAN Technologies for Smart Cities. IEEE Communications Magazine, 59(3), 888-895.
6. Palattella, M. R., et al. (2016). Internet of Things in the 5G Era: Enablers, Architecture, and Business Models. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 34(3), 510-527.
7. Raza, U., Kulkarni, P., & Sooriyabandara, M. (2017). Low Power Wide Area Networks: An Overview. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 19(2), 855-873.
8. Ibrahim, M. (2019). Low Power Wide Area Networks for IoT: A Review. International Journal of Computer Applications, 178(7), 234-240.
9. Rose, K., Eldridge, S., & Chapin, L. (2016). The Internet of Things: An Overview. Internet Society (ISOC), 1-50.
10. LoRa Alliance. (2022). LoRaWAN® Publicly Available Specifications and Market Reports. https://lora-alliance.org/
11. Sigfox. (2023). Sigfox Technology Overview and Global Coverage. https://www.sigfox.com/
12. GlobalData. (2022). Global LPWAN Market Analysis and Forecasts.
13. QY Research. (2022). Global LPWAN Market Size, Status and Forecast 2022-2028.
14. Министерство цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Кыргызской Республики. (2023). Цифровизация городской инфраструктуры: опыт и перспективы.
15. Кузнецов, С. В., & Иванова, А. П. (2021). LPWAN-сети для умных городов: обзор технологий и решений. Вестник связи, 7, 45-52.
16. Воробьев, А. А., & Петров, И. В. (2020). Применение LoRaWAN в системах ЖКХ. Энергосбережение и водоснабжение, 4, 33-38.
17. Klaina, H., et al. (2022). Experimental Evaluation of LPWAN Technologies for Smart Agriculture. Sensors, 22(3), 1-15.
18. Ayoub, K., Samhat, A. E., Nouvel, F., Mroue, M., & Prevotet, J. C. (2019). LPWAN Technologies: Emerging Application Requirements, Evaluation, and Comparison. IEEE Internet of Things Journal, 6(3), 1572-1580.
19. Vodafone Corporate Communications. (2021). NB-IoT Rollout and Coverage in Europe.
20. Durand, A., Visagie, L., & Booysen, M. J. (2019). Empirical Evaluation of LPWAN Technologies for Smart City Applications. IEEE Access, 7, 2540-2550.