Анализ популярных сетей, построенных на технологии LPWAN

Аннотация. В данной статье приведён обзор и сравнение беспроводных сетей, созданных на базе LPWAN-технологий. Обнаружены фактические и заявленные разработчиками характеристики международных стандартов LoRaWan и Sigfox, а также «СТРИЖ» от российской компании. Они являются активно развивающимися LPWAN-технологиями не лицензируемого частотного спектра. Использовался метод сравнения параметров каждой из технологий LPWAN на основе зарубежной и отечественной литературы, научных статей и публикаций. Приведён сравнительный анализ реальных и заявленных разработчиками параметров технологий. Сравнительный анализ позволяет выявить более эффективные технологии сети LPWAN.

Введение:

В последнее время для беспроводных технологий характерен поиск решений по сокращению энергопотребления и увеличения дальности передачи. В результате таких поисков была создана LPWAN-технология. Так что же представляет собой LPWAN? LPWAN – это беспроводная технология, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей.[1] В основе LPWAN-технологии лежит свойство радиосистем – увеличения энергетики. При уменьшении битовой скорости передачи, имеется возможность вложить больше энергии в каждый бит, что позволит легче выделить его на фоне шумов в приёмной части системы. Таким образом, уменьшая скорость передачи, увеличивается дальность приёма.[2]

Стоит отметить, что LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров.

Структура связи LPWAN-технологии: с модема или с устройства передаются данные по радиоканалу на базовую станцию. После принятия станцией сигнала со всех устройств, расположенных в радиусе действия, отцифровывает и передаёт на удалённый сервер. Сервер использует полученные данные для отображения, анализа, построения отчетов и принятия решений. Для передачи обычно используют не лицензируемый спектр частот, разрешенных к свободному использованию в регионе построения сети: 2,4 ГГц, 868/915 МГц, 433 МГц, 169 МГц.[3]

На основе данной разработки созданы сети: «СТРИЖ», LoRaWan, Sigfox, Ingenu, Weightless, ISA-100.11.a, DASH7, Symphony Link, RPMA. В статье будут рассмотрены только популярные из технологий, а именно «СТРИЖ», LoRaWan, Sigfox. В процессе исследования были выявлены как положительные, так и отрицательные стороны и по полученным данным проведено сравнение параметров.

Описание рассматриваемых стандартов

LoRaWan – это беспроводная связь, представляющая собой совокупность шлюзов, соединяющих конечные устройства и через сетевой сервер, сервер приложений. Для данной технологии характерна топология «звезда». [4]

Рисунок 1. Структурная схема сети LoRaWAN

Сеть LoRaWan появилась сравнительно недавно, а точнее была запатентована в 2008 году компанией Cycleo (Франция) и с тех пор постоянно развивается. В настоящий момент — сетью владеет Semtech (США), и это довольно-таки распространенный бренд на рынке беспроводных технологий. [5] Разберёмся в стандарте подробнее.

В LoRaWan данные кодируются широкополосными ЛЧМ – импульсами с частотой, увеличивающейся или уменьшающейся на некотором временном интервале. [6] А это имеет свои плюсы, например, такой, как повышение чувствительности приёмника. Основным достоинством частотной модуляции является высокая помехозащищённость. Её можно достичь за счёт того, что шумы в радиотракте, в основном, оказывают влияние на амплитуду сигнала, а не на его частоту. Однако, у частотной модуляции имеется существенный недостаток в виде большой ширины спектра, что значительно снижает пропускную способность канала связи.

В 2014 году российские производители компании «СТРИЖ» разработали одноименную технологию. В «СТРИЖ» используется узкополосная модуляция. По данным компании, такой вид модуляции позволяет наиболее эффективно использовать полосу спектра, увеличить чувствительность и энергоэффективность, а также снизить стоимость. Из-за того, что оконечные устройства и базовые станции лежат в не лицензированном диапазоне, где в эфир выходят множество устройств из других сетей, то возникает необходимость в защите от помех и коллизий. Коллизия – это наложение сигналов.

Для того чтобы устранить их «СТРИЖ» использует сверхузкополосный сигнал и специальные алгоритмы приема-передачи:

• планирование сеансов связи: алгоритм приема-передачи, зашитый в самом устройстве и базовой станции;
• Обеспечивается помехоустойчивость за счет узкополосного сигнала.
• математические методы и CRC-проверки, позволяющие существенно повысить вероятность корректной доставки.

Передаваемый устройством сигнал в полосе 100 Гц, и высокая энергетика на каждый бит передаваемой информации и высокий показатель чувствительности приемника, обеспечивают хороший бюджет канала связи в 174 дБм и высокую помехоустойчивость.[7]

Рисунок 2. Структурная схема сети «СТРИЖ»

Компания производящая «СТРИЖ» также занимается приборами учета для ЖКХ, вследствие чего большинство устройств уже оборудованы возможностью передачи данных и управления ими по беспроводной сети. Все данные от счетчиков обрабатываются в фирменном облачном сервере, после чего передаются пользователю. Технология в данный момент распространена только в России и странах СНГ. У разработки есть свои плюсы и минусы.

Теперь рассмотрим технологию Sigfox. Она была разработана в 2009 году французской компанией с соответствующим названием. Технология распространена, но в России пока её нет. Sigfox часто используют для создания умных технологий.

Политика компании не предусматривает разглашение спецификаций, поэтому в открытом доступе информации нет. Однако известно, что SigFox для подключения удаленных устройств к шлюзам используется сигнал узкого спектра. SigFox работает с частотами 868 МГц, на которых спектр разделён на 400 каналов по 100 Гц По утверждению компании шлюз может обслуживать до миллиона устройств в радиусе 3-10 км в городе. Sigfox заявляет, что из-за того что конечные устройства подчинены строгим циклам, технология имеет малые энергозатраты. Особенность состоит в том, что, когда оконечному устройству нужно что-то передать, интерфейс схем SigFox приводится в активное состояние, и сообщение передаётся по каналу связи “вверх” от оконечного устройства; затем, это устройство “слушает” эфир на протяжении непродолжительного отрезка времени на тот случай, если было отправлено сообщение на оконечное устройство по каналу связи “вниз”. Другими словами, трафик “вниз” поддерживается благодаря тому, что оконечное устройство активно отправляет данные на шлюз. Такая особенность работы делает SigFox довольно интересным выбором для сбора информации, но, в то же время, менее удобным для сценариев, где необходимо постоянно контролировать устройства и давать им команды.

Рисунок 3. Структурная схема сети Sigfox

Сравнительный анализ стандартов

В кратком обзоре были рассмотрены технические подробности интересующих нас сетей. Однако для выявления лучшей стоит сделать сравнение по наиважнейшим параметрам.

Теперь определимся с параметрами, по которым будем сравнивать системы. Так как технология LPWAN разрабатывалась для создания энергоэффективных и обладающих большой дальностью действия устройств, то именно энергопотребление и дальность будут основными характеристиками.

Для любой сети важно то, с какой скоростью передается информация, помехоустойчивость, время автономной работы, поэтому в сравнительный анализ будут добавлены и эти параметры. Также стоит учесть тот факт, что компании не всегда разглашают достоверную информацию, поэтому для начала сравним данные предоставляемые разработчиками, а после уже ту информацию, которую, предоставляют люди, работавшие с технологиями. В таблице ниже будут те факты, которые известны от разработчиков.

Таблица 1

Сравнительная таблица по данным от разработчиков [8],[9],[10]

По результатам, приведенных данных лидером по своим качествам является Sigfox. Но теперь посмотрим ту информацию, которая предоставлена пользователями.

В 2016 году в России, городе Пермь проводился эксперимент по определению зоны покрытия базовой станции сети LoRaWAN в условиях городской и промышленной застройки. Инициаторами эксперимента были  компании Lace и AURORA Mobile Technologies. Эксперимент проводился следующим образом: базовую станцию установили на высоте 16 м. и постепенно удалялись от неё до того момента пока сигнал не пропадал. В результате все точки установки оборудования были определены в пределах 3-3,5 км. [11]

Таблица 2

Сравнительная таблица по данным от пользователей [11], [12], [13], [14], [15]

Заключение

Из рассмотренных выше данных можно сделать вывод о том, что наиболее приемлемыми параметрами обладают Sigfox и LoRaWAN, но принимая во внимание тот факт, что на российском рынке Sigfox не представлен, Лучшей имеющийся технологией в сфере LPWAN можно считать LoRaWAN.