Что такое LPWAN? Введение в технологию сетей с низким энергопотреблением

Сегодня, благодаря впечатляющему прогрессу в технологиях Интернета вещей, соединения между людьми и устройствами, которые раньше были невозможны, стали реальностью. Технология LPWAN стала популярной темой в мире Интернета вещей, предлагая ранее недостижимые решения. Для коротких расстояний у нас были такие решения, как Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и другие. А для более дальних расстояний существовали сотовые сети 2G, 3G, 4G и т.д.

Но если взглянуть на эти беспроводные технологии с точки зрения их энергопотребления и дальности действия, то можно заметить, что существует пробел для маломощных решений с большим радиусом действия. Именно в эту нишу идеально вписывается технология LPWAN. Она заполняет пробел, связанный с коротким временем автономной работы и высокой дальностью связи, которого не хватало в линейке беспроводных решений, существовавших ранее.

Что такое LPWAN

LPWAN, или «Low Power Wide Area Network» (иногда также называемая LPWA), — относительно новый термин, не являющийся стандартом или единой технологией. Это скорее общий термин, включающий различные проприетарные и открытые протоколы. По сути, LPWAN относится к семейству беспроводных сетей, разработанных для энергосберегающей связи между устройствами на больших расстояниях.

Дальность связи, обеспечиваемая технологиями LPWAN, варьируется от нескольких километров в городских районах до более 10 километров в сельской местности. По сути, это означает повышение эффективности и экономичности связи, то есть возможность максимально увеличить дальность связи при меньшем энергопотреблении. Предполагается, что в ближайшем будущем технология LPWAN получит более широкое применение и станет гораздо более инновационной.

Топология и архитектура в технологиях LPWAN

По топологической структуре сети LPWAN можно разделить на две основные категории: звездообразные и сетчатые. В этом отношении сотовые технологии, как правило, универсальны и поддерживают мобильность. Топологии «звезда» или «звезда-звезда» предпочтительны для сетей LPWAN по сравнению с сетчатыми сетями благодаря своей экономической эффективности.

В основе LPWAN лежат беспроводная связь, интернет и облако. Базовая станция/шлюз собирает данные с множества удалённо распределённых конечных узлов и реагирует на входные данные от LPWAN. Базовая станция/шлюз — это граничное устройство, которое принимает и демодулирует эти данные и отправляет их по стандартному каналу TCP/IP, например, Ethernet, сотовой сети и т. д., на внутренний сервер.

В публичных LPWAN-сервисах данные пересылаются через серверы оператора сети, прежде чем попасть в приложение конечного пользователя. В частных LPWAN-сетях данные могут быть направлены непосредственно на заранее определённый сервер конечного пользователя. Это гарантирует конфиденциальность и безопасность данных на устройстве LPWAN.

Стандарты LPWAN: сотовый LPWA и несотовый LPWA

Прежде чем углубляться в технологии LPWAN, важно понять основные категории, на которые они делятся. LPWAN можно в целом разделить на две группы: технологии, работающие в нелицензируемых частотных диапазонах (например, LoRa и SigFox), и сотовые технологии, работающие в лицензируемых частотных диапазонах и соответствующие стандартам 3GPP (например, LTE-M и NB-IoT). Ниже мы рассмотрим некоторые активно внедряемые варианты технологий LPWAN.

Сотовая связь LPWAN (лицензируемый спектр)

Сотовые сети LPWAN требуют разрешения государственных или регулирующих органов и, как правило, используют существующую инфраструктуру сетевых операторов. Однако для них требуется надежное соединение устройства с базовой станцией, поэтому они больше подходят для густонаселенных районов, таких как городские центры, жилые зоны и промышленные парки. Стандарты сотовых сетей LPWAN включают EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) и NB-IoT, работающие в диапазоне LTE (700 МГц–3.5 ГГц).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT (расширенное покрытие GSM IoT) был первоначально представлен 3GPP в версии 13. Это сотовая технология LPWAN на основе eGPRS, предназначенная для использования существующих мобильных сетей и инфраструктуры (в основном 2G/GSM) для установления удалённых соединений IoT. Она использует лицензированный спектр для обеспечения надёжной и безопасной связи. По сравнению с другими сотовыми технологиями, GSM обеспечивает более широкое покрытие. Его улучшенная версия, eGPRS/EDGE, сохраняет это преимущество, поддерживая более высокие скорости передачи данных.

Узкополосный Интернет вещей (NB-IoT)

NB-IoT (Narrowband Internet of Things) — стандарт радиотехнологии LPWAN, разработанный 3GPP для подключения устройств Интернета вещей. Будучи технологией CIoT 3GPP, NB-IoT более точно определяет беспроводной интерфейс для связи с Интернетом вещей по сравнению с EC-GSM-IoT и LTE-M. Работая в лицензированных диапазонах спектра, он использует узкую полосу пропускания около 180 кГц. Стандарт NB-IoT был разработан в результате сотрудничества 3GPP и ведущих поставщиков телекоммуникационного оборудования, таких как Nokia, Huawei и Ericsson.

LTE-М

LTE-M (LTE-Machine-to-Machine), также известная как eMTC (Enhanced Machine-Type Communication), — это ещё одна технология 3GPP LPWAN IoT, созданная на основе LTE. Она поддерживает более высокую скорость передачи данных и мобильность (до 350 км/ч) по сравнению с NB-IoT. LTE-M работает в лицензированном спектре, сосуществуя с сотовыми сетями 2G, 3G, 4G и 5G.

Первоначально LTE-M назывался Low-Cost MTC в версии 3 12GPP, а затем был переименован в eMTC в версии 13. Усовершенствования, внесенные в версии 3 и 14, расширили возможности LTE-M. Версии 15 и 14 обеспечили поддержку улучшенного покрытия с мобильными технологиями. В версии 15 была добавлена поддержка VoLTE (голосовая связь по LTE). В версии 16 были разработаны новые сценарии использования для устройств Интернета вещей с более высокой мобильностью. В версии 5 эта тенденция продолжилась, благодаря улучшениям для совместимости с XNUMXG New Radio (NR).

Несотовый LPWAN (нелицензируемый спектр)

Несотовые LPWAN-сети работают в нелицензируемых диапазонах частот ISM и не зависят от инфраструктуры сетевого оператора. Устройства передают данные напрямую или через шлюзы на серверы приложений/сети. Помимо LoRa, к несотовым LPWAN-сетям относятся Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize, DASH7 и др., использующие субгигагерцовый диапазон частот со скоростью передачи данных от ~100 бит/с до 250 кбит/с и расстоянием от 2 до 100 км. Несотовые LPWAN-сети обычно развертываются в удаленных районах с ограниченным покрытием сотовой связи, в горных районах, на островах, а также для развертывания специализированных корпоративных сетей.

LoRa/LoRaWAN

Lora Это спецификация физического уровня стека протоколов, в частности, относящаяся к фирменной модуляции Chirp Spread Spectrum, разработанной Semtech. LoRaWAN Стандарт определяет протокол уровня MAC и архитектуру системы, работающей над уровнем LoRa PHY, поддерживаемым альянсом LoRa, который быстро растет и объединяет почти 500 компаний-членов по всему миру.

Технология LoRa в первую очередь предназначена для восходящей связи между несколькими конечными устройствами и шлюзами с использованием кодированных сообщений по разным каналам и с разной скоростью передачи данных для уменьшения коллизий и увеличения пропускной способности шлюза. Она отлично подходит для приложений, требующих небольшого объёма данных и нечастой связи как в городских, так и в сельских/удалённых районах. Один шлюз LoRaWAN может обрабатывать соединения от множества узлов и конечных устройств.

Sigfox

Sigfox — одна из широко распространённых технологий LPWAN, не относящихся к 3GPP. Это запатентованная технология LPWAN, названная в честь компании Sigfox, которая её впервые представила. Она использует сверхузкополосный радиоканал для обеспечения сверхбольшого радиуса действия и низкого энергопотребления беспроводного подключения к Интернету вещей.

Однако узкая полоса пропускания Sigfox серьёзно ограничивает возможности передачи данных по нисходящему каналу связи к устройствам. А сверхузкая полоса пропускания может привести к потенциальным помехам. Несмотря на эти ограничения, Sigfox остаётся заметным игроком на рынке LPWAN и успешно развивается в Европе.

невесомый

Группа Weightless Special Interest Group (Weightless SIG) была создана в 2008 году с целью стандартизации технологии LPWAN. В состав группы входят Accenture, M2COMM, ARM, Telensa и Sony Europe.

Weightless представлен тремя вариантами, разработанными для различных сценариев применения: Weightless-W, Weightless-N и Weightless-P. Weightless-W работает в телевизионном спектральном пространстве (TVWS) и имеет более сложную схему развертывания. Weightless-N похож на Sigfox, представляя собой узкополосный протокол, работающий в субгигагерцовом нелицензируемом диапазоне, используемом NWave. В целом, Weightless-N и Weightless-P получили больше внимания и получили большее распространение, чем Weightless-W.

Симфоническая ссылка

Symphony Link — это протокол LPWAN, разработанный компанией Link Labs, членом альянса LoRa. Хотя Link Labs использует чипсеты физического уровня LoRa от Semtech, вместо открытой спецификации LoRaWAN компания реализовала собственный программный стек MAC-уровня под названием Symphony Link.

По сравнению со стандартом LoRaWAN ключевыми отличиями Symphony Link являются некоторые расширенные сетевые возможности, такие как надежная доставка сообщений и динамическое расширение сети путем добавления шлюзов.

Применение технологий LPWAN

LPWAN — лучший вариант по дальности действия и энергопотреблению. Использование LPWAN позволяет удалённо собирать данные с датчиков и отслеживать местоположение на больших расстояниях. В этом разделе мы рассмотрим некоторые практические примеры его применения.

Умный учет газа и воды

Автоматизированные системы считывания показаний счетчиков используют сети LPWAN для удалённого беспроводного сбора данных о потреблении коммунальных услуг, включая электроэнергию, газ и воду. Прошли времена, когда операторам приходилось вручную проверять и регистрировать данные. Пользователи также могут отслеживать объём данных о потреблении, которые они используют ежедневно.

Умные Здания

Внутри зданий сети LPWAN используются в жилых, коммерческих и промышленных помещениях, делая их более интеллектуальными. В жилых помещениях устройства «умного» дома, такие как интеллектуальные замки, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) и освещения, можно интегрировать и централизованно управлять через LPWAN. В офисных и коммерческих зданиях сети LPWAN позволяют централизовать мониторинг присутствия людей в помещении и системы безопасности, такие как датчики открывания дверей.

Умное управление отходами

Интеллектуальное управление отходами всё шире используется в инициативах умных городов. Датчики, установленные в мусорных баках, могут контролировать уровень заполнения, передавая данные по сети LPWAN в центральную систему. При достижении заданного уровня заполнения формируются оповещения для своевременного сбора и утилизации. Более того, можно получать информацию о местоположении мусоровозов, оснастив их трекерами LPWAN.

Умная парковка

В системах интеллектуальной парковки технология LPWAN позволяет осуществлять мониторинг и управление занятостью парковочных мест в режиме реального времени. Датчики, установленные на парковочных местах, точно определяют их занятость. Пользователи могут проверять наличие свободных мест через мобильное приложение и дистанционно оплачивать парковку.

Умное Сельское хозяйство

Технологии LPWAN расширяют применение в системах интеллектуального сельского хозяйства. Фермеры могут устанавливать на полях различные датчики (влажности почвы, температуры, влажности, освещенности и т. д.). Затем они могут собирать данные с этих датчиков удаленно, используя LoRaWAN или другие LPWAN, например, NB-IoT.

Популярное сравнение лицензированных и нелицензированных LPWAN

Учитывая разнообразие доступных технологий LPWAN, правильный выбор имеет решающее значение. Согласно прогнозам маркетингового исследования IoT Analytics, к 2024 году более 97% систем LPWAN будут развернуты с использованием технологий LTE-M, NB-IoT, Sigfox или LoRa. Поэтому мы сравним четыре ведущие технологии LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox и LoRa.

Сравнительная таблица NB-IoT, LTE-M, LoRaWAN и Sigfox

Правильный выбор LPWAN

NB-IoT — это технология 3GPP LPWAN, которая использует существующие сети LTE/GSM для обеспечения подключения устройств Интернета вещей с низкой пропускной способностью. Она повышает энергопотребление устройств, производительность системы, эффективность использования спектра и глубину покрытия, что подходит для применения в промышленности, автоматизации зданий, умных городах, мониторинге состояния здоровья и ликвидации последствий стихийных бедствий.

LTE-M предназначен для тех же приложений, что и NB-IoT, но с более высокой пропускной способностью, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных и более высокий уровень безопасности, хотя и с более высоким энергопотреблением. Он подходит для приложений, требующих более высокой пропускной способности, например, видеонаблюдения, где ограничения по мощности менее строгие.

Sigfox и LoRaWAN — это технологии, не относящиеся к 3GPP и работающие в нелицензируемом спектре. Их узкая полоса пропускания обеспечивает сверхнизкое энергопотребление для нечастой передачи небольшой полезной нагрузки с конечных точек, требующих многолетнего срока службы батареи, но с низкими ограничениями по скорости передачи данных. Sigfox делает ставку на низкое энергопотребление и простоту развертывания, но не имеет нисходящего канала для обновления прошивки. LoRaWAN поддерживает двунаправленное управление устройствами при низкой стоимости. Обе технологии могут использоваться в интеллектуальном сельском хозяйстве, отслеживании активов и связанных с ними сценариях мониторинга Интернета вещей с низкой пропускной способностью.

LPWAN — это будущее

Будучи быстро развивающейся новой технологией, LPWAN находится в стадии разработки и ещё не достиг зрелости. Ввиду большого количества участников рынка, победители пока не определены, особенно учитывая неопределённые темпы его развития. Долгосрочные перспективы каждого варианта LPWAN также остаются неопределёнными, поскольку многие из них всё ещё находятся на начальном этапе развёртывания и не имеют комплексных и масштабных испытаний в реальных условиях.

Фактически, исследование ABI Research указывает на прогнозируемый всплеск внедрения устройств Интернета вещей, при этом, по оценкам, 5.3 млрд  Прогнозируется, что к 2030 году устройства Интернета вещей будут использовать технологии LPWAN. Обнадёживает тот факт, что LPWAN — самая быстрорастущая область подключения на рынке. Этот рост обусловлен спросом на такие приложения, как удалённый мониторинг, требующий нечастой передачи данных и работы от аккумулятора, — характеристики, для которых технологии LPWAN особенно хорошо подходят.

Получите лучшие устройства IoT LPWAN с MOKO

Являясь ведущим производителем устройств Интернета вещей, мы предлагаем универсальные и надежные конечные устройства LPWAN. Наш трекер LoRaWAN и сотовой связи обеспечивает исключительную эффективность отслеживания. Обратитесь к нашим экспертам по Интернету вещей, чтобы получить рекомендации по решению.

ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ О LPWAN

• LoRaWAN против NB IoT: в чем их сравнение и различия