LPWAN-технология «СТРИЖ»

Развитие телекоммуникаций и интернета дало человечеству поистине безграничные возможности обмена знаниями и информацией, навсегда изменив окружающий нас мир.

В последние 20 лет возникло множество беспроводных стандартов и сетей, отвечающих требованиям постоянно растущего объема передачи данных между людьми — GSM, GPRS, 3G, LTE, Wi-Max, Wi-Fi.

Что такое LPWAN

LPWAN (LPWA Network, от англ. Low-power Wide-area Network) — новый тип беспроводных сетей, разработанных для передачи данных телеметрии различных устройств, сенсоров, датчиков и приборов учета на дальние расстояния. Появление сетей LPWAN главным образом связано с потребностями межмашинного общения (Machine-to-machine, M2M) и передачей данных в рамках концепции Интернета Вещей (Internet of Things, IoT).

Любые существующие беспроводные технологии передачи данных обладают такими характеристиками как дальность, скорость и энергоэффективность, причем одновременно можно соответствовать лишь 2-м из 3-х.

Например, GPRS-модем, регулярно передающий показания счетчика воды или газа, будет совершенно нерентабельным даже при абонентской плате в 2-3 раза ниже минимальных тарифов сотовых операторов. Регулярная подзарядка или частая замена батарей также делают эксплуатацию дорогой и хлопотной.

А, Wi-Fi, имея высокую пропускную способность в несколько Мб/сек и ограничение по дальности в пределах 100-200 метров, используется для построения беспроводных локальных сетей в пределах офиса, квартиры или дома.

Существующие беспроводные технологии не способны обеспечить потребности отдельных приложений в передаче небольших по объему данных на дальние расстояния при высокой автономности и низкой стоимости подключения. Как правило, такие приложения относятся к области межмашинного взаимодействия и Интернета Вещей.

Технология LPWAN обеспечивает энергоэффективную передачу данных на большие расстояния. СТРИЖ, используя подход LPWAN, создает устройства, способные передавать информацию на десятки километров и при этом работать в течение нескольких лет на одной батарее.

В концепциях IoT и M2M дистанционное взаимодействие между устройствами строится на обмене небольшими пакетами данных. Существующие беспроводные технологии далеко не всегда способны эффективно обеспечить такой обмен. Технология LPWAN была специально разработана с целью предоставить простой, надежный и дешевый способ связи для датчиков, разнесенных по большой территории, закрывая потребности приложений не требовательных к скорости передачи данных.

Как следует из названия технологии, ее главные характеристики — низкое энергопотребление (low-power) и широкий территориальный охват (wide-area). При этом особенности передачи данных в M2M и IoT предъявляют ряд дополнительных требований для телеметрических сетей класса LPWAN.

Ключевые параметры LPWAN-сетей приведены ниже:

• Дальность передачи радиосигнала (range)
• Энергоэффективность, автономность (autonomy)
• Скорость передачи данных (bit-rate)
• Проникающая способность радиосигнала (penetration)
• Задержка передачи сигнала (latency)
• Количество базовых станций, требуемое для покрытия определенного района (number of base stations)
• Производительность базовой станции (base station capasity) А
• бонентская плата, стоимость подключения (subscription costs)
• Стоимость компонентов (radio chipset costs)

Диаграмма для сравнения характеристик беспроводных технологий, применяемых для телеметрии приведена ниже:

Пропускная способность LPWAN-радиоканала

В основе межмашинного общения лежит обмен небольших по объему пакетов данных. Так, например, датчику дыма необходимо передать сигнал тревоги в момент обнаружения задымления и результат ежедневной самодиагностики диспетчеру — один бит информации. Тоже самое касается и датчиков в системах контроля протечки воды. Показания приборов учета воды, электричества, тепла, газа, а также датчиков влажности или температуры могут быть упакованы в несколько бит.

Скорость передачи данных зависит от конкретной решаемой задачи и, как правило, составляет от несколько сотен до нескольких бит в секунду. Потребности в высокой пропускной способности канала связи нет. Это, в свою очередь, открывает ряд возможностей для улучшения других, не менее важных параметров сети.

Дальность действия и площадь покрытия LPWAN-сети

Экономия в объеме передаваемой информации позволяет увеличить энергетику радиосигнала и, как следствие, значительно повысить энергетический потенциал канала связи (link budget). Высокая энергетика используется для увеличения дальности передачи сигнала и повышения его проникающей способности.

В результате, дальность передачи данных в сети LPWAN в несколько раз превышает дальность действия сотовой сети и составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров. Так, например, радиус действия базовой станции «СТРИЖ» в городской черте превышает 10 километров, а за пределами города ограничивается видимостью горизонта и, в среднем, составляет 50 км. Несложно посчитать площадь покрытия: в городских условиях — свыше 300 км², на открытой местности — порядка 8 000 км².

Выигрыш в дальности действия одной базовой станции позволяет охватывать большие площади меньшим количеством станций, что, в свою очередь, сокращает расходы на инфраструктуру и обслуживание сетей LPWAN.

Проникающая способность LPWAN-сигнала

Благодаря высокой проникающей способности LPWAN-сеть стабильно работает в условиях плотной городской застройки. Радиосигнал хорошо преодолевает стены зданий, устройства могут работать из подвалов или коммуникационных шахт зданий. Так, например, счетчики воды часто устанавливаются в стояках, куда не всегда проникает сигнал GSM. А значительная часть инженерных коммуникаций многоквартирных домов или промышленных предприятий находятся ниже уровня земли, в колодцах или подвалах зданий.

Производительность LPWAN-станции

Чем меньше базовых станций, тем лучше, так как снижаются расходы на поддержание сети. Но, с другой стороны, значительно вырастает нагрузка на каждую отдельную станцию. Пропускная способность базовой станции — ключевой параметр в сетях LPWAN, если говорить о крупных сетях в пределах города или области.

Представьте, такой мегаполис как Москва насчитывает сотни тысяч вышек сотовых операторов, которые обеспечивают полное покрытие столицы. В случае с LPWAN-сетью количество станций, достаточное для полного покрытия ограничивается несколькими десятками, от 40 до 100. В таком случае каждая станция должна выдерживать нагрузку в несколько сотен тысяч различных «умных» приборов учета, датчиков и сенсоров.

Принимая во внимание высокие требования к мощностям станций, «СТРИЖ» применяет технологии параллельной обработки радиосигнала при помощи высокопроизводительных процессоров. Такой подход обеспечивает беспрецедентную емкость LPWAN-сети, в которой каждая станция может обрабатывать данные с минимум 2 000 000 «умных» устройств.

Потребление энергии и автономность

Устройства, работающие в сетях LPWAN, способны работать в течение многих лет. Высокая автономность позволяет значительно сократить эксплуатационные расходы, ведь постоянная замена источников питания — дорогое удовольствие. А прокладка слаботочных кабелей далеко не всегда оправдана. Так, например, у датчиков парковки, вмонтированных в дорожное полотно, нет возможности менять источник питания каждые несколько дней. А система на проводах на порядок дороже беспроводных решений.

С одной стороны, большая автономность достигается за счет использования высокоемкостных аккумуляторов, не подверженных саморазряду, с другой — за счет низкого энергопотребления.

В процессе передачи данных устройство потребляет порядка 50 mA в течение нескольких секунд. Этого времени достаточно для передачи данных в сеть. Все остальное время прибор находится в спящем режиме, потребляя несколько μA. Результат? Аккумуляторная батарея АА-типа работает в течение 10 и более лет, снижая стоимость обслуживания до минимума.

Время задержки передачи сигнала

Время задержки при передаче сигнала не является ключевым требованием в LPWAN-сетях и составляет несколько секунд. Как правило, IoT и M2M приложения не чувствительны к задержке в передаче информации. Посудите сами, не критично, если показания счетчика воды или датчика влажности попадут в личных кабинет диспетчера через несколько секунд после считывания их сенсором.

Топология LPWAN-сети

Беспроводной сегмент LPWAN сети использует топологию «звезда». Это означает, что все устройства посылают данные напрямую на базовые станции.

Топология «звезда» дает неоспоримое преимущество для «умной» сети. Таким образом намеренно исключаются сложности, связанные с использованием mesh-протокола, который, кроме низкой надежности, провоцирует дополнительный расход энергии на передачу данных между устройствами.

«Умные» устройства, такие как приборы учета, датчики дыма или движения, могут располагаться в пределах жилых домов, офисных зданий или промышленных помещений. Отдельные решения требуют мониторинга вдали от готовой инфраструктуры.

В любом случае, применение связи короткого радиуса действия, например, ZigBee, будет сопряжено с необходимостью подключения дополнительного канала связи для передачи данных через интернет на каждом объекте, либо установки цепочки ретрансляторов.

В случае LPWAN-сети, базовая станция, обслуживая большое количество устройств, связывается с ними напрямую без использования промежуточных каналов связи и охватывает несколько объектов в радиусе своего действия.

Такой подход упрощает внедрение решения на одном объекте, так как не требует установки промежуточного оборудования. Достаточно установить и включить конечное устройство. При развертывании сети на нескольких объектах это существенно снижает стоимость оборудования и работ на развертывание сети.

Кроме того, отказоустойчивость всей системы повышается за счет формирования единой точки отказа. Так, например, в ZigBee-системах концентраторы устанавливаются без запаса по охвату, чтобы избежать излишнего удорожания решения. В случае отказа концентратора пропадают все счетчики в его радиусе действия. В случае с LPWAN отказ конечной точки никак не влияет на работоспособность других устройств.

Топология масштабной LPWAN-сети строится по принципу «звезда из звезд». Каждая базовая станция принимает данные с различных устройств и передает их на сервер для последующей обработки.

Стоимость

Масштабируемые технологии должны быть экономными. LPWAN позволяет эффективное управлять стоимостью на разных этапах построения сети. Ниже приведены несколько ключевых показателей:

• Стоимость развертывания и поддержания LPWAN-сети
• Стоимость LPWAN-устройств
• Стоимость внедрения решения на базе LPWAN
• Эксплуатационные расходы LPWAN-системы

Стоимость развертывания сети

Стоимость ввода в эксплуатацию и поддержания LPWAN-сетей — ключевой показатель для поставщиков решений на LPWAN. Учитывая большой радиус действия базовых станций, от 10 до 50 км, LPWAN-сеть может быть развернута на большой территории относительно небольшим количеством станций.

Так, например, «СТРИЖ» добился таких характеристик связи, которые позволяют покрыть город-миллионник одной-двумя LPWAN-станциями. Если провести сравнение с сотовыми сетями, где радиус действия станции ограничен 1-2 км, то для полноценного покрытия города плотность размещения станций на один-два порядка выше. Соответственно, пропорционально возрастают и расходы на развертывание и обслуживание такой сети.

Стоимость LPWAN-устройств

Стоимость «умных» устройств на базе технологии LPWAN напрямую зависит от цен на комплектующие. Так стоимость LPWAN-радиомодуля сегодня варьируется от $1.99 до $29 в зависимости от производителя, используемого протокола связи и закупаемого объема. Готовые LPWAN-устройства стоят дороже обычных приборов, но уже при этом выгоды, получаемые от внедрения таких приборов позволяют окупать системы менее чем за 1 год. Так, например, система учета воды на LPWAN экономят управляющим компаниям до 30% от ежемесячной стоимости ресурса за счет повышения собираемости, предотвращения махинаций с показаниями счетчиков и автоматизации процесса учета.

По мере популяризации технологии и постепенного уменьшения стоимости компонентов цена устройств будет снижаться. В конечном счете она достигнет такого уровня, при котором использование обычного устройства станет бессмысленным. Так, как, например, это произошло с обычным проводным телефоном или радиоточкой в квартире, их заменили дешевые беспроводные аналоги.

Стоимость внедрения решений на LPWAN

LPWAN-технология имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые позволяют внедрять готовые решения быстрее и дешевле. Особенно ощутимой становится выгода на масштабных проектах, где присутствуют требования к большому количеству автономных устройств и широкому территориальному охвату. Отсутствие промежуточного оборудования в виде концентраторов и ретрансляторов снижает общую стоимость проекта.

LPWAN позволяет экономить не только на стоимости оборудования, но и сократить смету на пуско-наладочные работы. Процесс запуска готовых систем на LPWAN производится через подключение «умных» устройств по принципу Plug-and-Play. Так, например, счетчики воды устанавливаются так же, как и обычные водомеры, после установки они сразу начинают передавать показания в LPWAN-сеть. Такой прибор может установить любой сантехник, в отличие от традиционных решений, ZigBee или GPRS, где требуется настройка и калибровка профессионалом.

Эксплуатационные расходы

Операторы сотовых сетей работают в определенном частотном диапазоне, и оплачивают выделенный для них радиочастотный спектр. В итоге, стоимость мегагерцев оседает в тарифах на мобильную связь конечных пользователей.

LPWAN-сеть работает в нелецензируемом частотном диапазоне. В частности, в России это 868,8 МГц. Таким образом, использование частотного спектра для конечного потребителя не стоит ничего.

Учитывая высокую автономность и отказоустойчивость LPWAN-систем, эксплуатационные расходы минимальны. Замена аккумуляторных батарей происходит раз в несколько лет, а отказ конечных устройств происходит крайне редко. Зачастую срок работы «умного» устройства значительно превышает его регламентируемый законодательством эксплуатационный период. Так, например, срок поверки счетчика воды, установленный законодательством — 6 лет, а расчетный срок работы, определенный производителем свыше 10 лет. Похожая ситуация складывается и с другими приборами учета: счетчиками электричества и газа.

Перспективы LPWAN

Учитывая возрастающую потребность в связи для Интернета Вещей, а также появление компонентной базы для недорогих и компактных устройств, актуальность LPWAN-сетей будет стремительно нарастать.

Так, по прогнозам исследовательского отчета Gartner, количество «умных» устройств на планете к 2020 году превысит 21 миллиард. Они будут способны обмениваться информацией по различным каналам связи и LPWAN станет одним из наиболее подходящих способов меж-машинной коммуникации.

Коммерческие и технические достоинства LPWAN позволяют уже сегодня использовать их для создания как локальных, так и территориальных телематических сетей. В дальнейшем этот тренд сохранится, покрытие LPWAN-сетей станет глобальным, а пользователи смогут подключать свои устройства в любой точке планеты.

Универсальность использования LPWAN-сетей в различных отраслях будет стимулировать разработчиков расширять семейство LPWAN-устройств. Стоимость устройств будет снижаться до уровня традиционных приборов и сенсоров.