LPWAN: умная сеть будущего

Через десять лет практически все, а не только компьютеры, смартфоны, планшетные ПК и бытовая электроника, будет объединено в сеть. Этот процесс уже начинается в четырех стенах отдельных квартир и постепенно распространится по всему городу.

Но существующих технологий, таких как WLAN и высокоскоростной LTE, для этого пока что недостаточно. Чтобы выдержать такой наплыв устройств, должны появиться новые беспроводные сети. Что же это значит для устройств? Речь идет об Интернете вещей (Internet of Things, IoT), разработкой которого сейчас занимаются многие технологические гиганты, промышленные корпорации и стартапы.

По имеющимся оценкам, в 2025 году будет насчитываться 30 миллиардов подключенных к сети устройств.

В принципе, практически не существует предметов, которые нельзя включить в систему IoT. Выглянув из окна, вы сразу же увидите ряд подходящих объектов: парковые скамейки, мусорные баки, парковочные места, уличные фонари, велосипеды. Их взаимодействием займется так называемая LPWAN-сеть (Low Power Wide Area Network), для которой существуют различные открытые и проприетарные технологические стандарты. CHIP расскажет об этих стандартах связи.

Срок службы батареи — более 10 лет

Особенностью протоколов связи LPWAN является низкая требовательность к аппаратным средствам. Это важно для сетей, где применяются датчики, ведь их производство и обслуживание должны быть очень дешевыми, а срок службы без замены батареи должен составлять 10 и более лет.

В таблице перечислены стандарты LPWAN, которые претендуют на первенство в этой категории. Структура этих сетей в основном схожа. С помощью датчиков к базовой станции (шлюзу) подключены устройства, образующие «звезду». Шлюзы собирают данные и передают их на серверы в фоновом режиме. Эти серверы в то же самое время являются точками доступа для пользователей.

Тот, кто ищет свободное парковочное место, через приложение подключается к веб-службе, получающей данные от шлюза, которому, в свою очередь, передают информацию датчики парковки. При этом датчики используют только узкие полосы частот (от 100 Гц) и частоты с хорошими характеристиками распространения.

Оборудование для Интернета вещей

Для умного города будущего понятие «сеть LPWAN» имеет ключевое значение. Аббревиатура расшифровывается как Low Power Wide Area Network, то есть энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия для датчиков и небольших устройств.

Большинство сетей используют нелицензируемый частотный диапазон ниже 1 ГГц, что помогает избежать проблем с органами власти, но имеет один существенный недостаток. Эти частоты используются для передачи данных многими пользователями, что приводит к сбоям. И для того, чтобы сети удовлетворяли требованиям Интернета вещей, новые стандарты беспроводной связи должны работать с заданным коэффициентом ошибок при выявлении подобных сбоев.

Существуют и другие решения для Интернета вещей. Так, сеть специального назначения LTE (LTE-M) подразумевает использование существующих сетей мобильной связи для объединения предметов повседневной жизни в сеть. Эта технология дает такое преимущество, как полный двунаправленный обмен данными.

Протокол SigFox, конкурирующий с LTE-M, также обеспечивает двунаправленную связь, но при этом использует чрезвычайно узкий канал загрузки с низкой пропускной способностью. По этой причине установка обновления безопасности для датчиков представляет собой довольно трудоемкий процесс.

Тот, кто хочет объединить в сеть целые города, должен обращать внимание не только на стоимость датчиков. Большое значение также имеет количество базовых станций. По дальности покрытия до десяти километров стандарты LPWAN значительно превосходят классические мобильные сети. Например, для покрытия всей Калифорнии компании SigFox хватило всего 1 500 базовых станций.

Операторам мобильной связи потребуется около 20 000 базовых станций, чтобы покрыть такую же площадь. Один шлюз сети LPWAN может поддерживать огромное количество оконечных устройств. Типичная сеть LTE-М объединяет 20 000 устройств в городских условиях, используя при этом 50 000 узлов связи. NB-Fi будет обрабатывать более одного миллиона устройств через один шлюз. При этом учитывается тот факт, что не все эти устройства могут передавать данные одновременно.

Разработчики LPWAN исходят из предположения, что в типичном городе каждое устройство регистрируется в сети в среднем два раза в день. Тем не менее, большинство стандартов LPWAN выдерживают до 5 000 одновременных передач данных.

Конкурент технологии WLAN

В начале 2016 года была представлена технология беспроводной связи WiFi HaLow (802.11ah), отличающаяся низким энергопотреблением. По аналогии с вышеописанными сетями LPWAN стандарт WiFi HaLow работает в диапазоне ниже 1 ГГц (в Европе — 863-868 МГц) и по сравнению с широко распространенными стандартами WLAN использует очень узкую полосу (1 МГц, 2 МГц).

Дальность передачи данных увеличивается примерно на один километр. Поэтому стандарт связи 802.11ah не соперник другим LPWAN, а скорее задуман как альтернативный вариант для перегруженных домашних сетей, который позволит в будущем подключить гораздо больше оборудования на местах.

Обзор архитектуры LPWAN-сети

Центральными компонентами LPWAN-сети являются датчики, шлюзы и серверы. Датчики, называемые также узлами, передают пакеты данных через шлюзы на сервер.

Оконечные устройства
Пользователи получают доступ к собранным данным с помощью ПК, ноутбуков и в первую очередь смартфонов (например, приложение для поиска парковочных мест).

Сервер/облако + шлюз
Шлюзы собирают данные с датчиков и передают их на сервер для хранения и обработки.

Датчики
Датчики, встроенные в предметы повседневной жизни, служат для их подключения к сети. Производство таких датчиков обходится довольно дешево, и они потребляют очень мало энергии.

Объединение стандартов LPWAN

В настоящее время разработчики технологий LPWAN часто просто соперничают друг с другом, и кому первому в регионе удается развернуть убедительный демонстрационный проект, тому и достаются контракты на сотрудничество. И хотя уже существует сетевое аппаратное обеспечение, которое поддерживает различные стандарты LPWAN, но оно, как правило, дорогое.

Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI) работает против наличия разных стандартов связи, выступая с инициативой по их объединению. Под именем oneM2M создается единая платформа для взаимодействия, основанная на существующих технологиях LPWAN. Кроме обеспечения взаимодействия между стандартами LPWAN, технология oneM2M также имеет дополнительные функции безопасности.

Фото: Microchip Technology Inc.; LX Group (2)