Битва за потребителя: беспроводные сети среды IoT

Опубликовано в номере:
PDF версия
Рынок энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (LPWAN) — это настоящее поле битвы для разных стандартов. Sigfox, LoRa и NB-IoT — технологии, наиболее распространенные сегодня, и пользователи ждут, кто же из них победит в конкурентной борьбе. Но может быть, самая лучшая стратегия — не ждать, а сразу выбрать сеть, которая лучше всего подходит для ваших решений в среде «Интернета вещей» (IoT)?

Не нужно ждать, что какая-нибудь уникальная беспроводная технология вроде NB-IoT или другие альтернативы LPWAN, например LoRaWAN или Sigfox, полностью завоюет рынок. Здесь всегда будет разделение, поскольку каждая технология имеет свои преимущества и недостатки.
Алисия Асин (Alicia Asin), соучредитель и CEO компании Libelium

Инновационные технологии, такие как IoT, требуют введения новых стандартов связи. Согласно Vodafone M2M Barometer 2015, высокая цена — это третий из наиболее распространенных барьеров, после безопасности и защиты от несанкционированного доступа, который мешает росту применений решений для IoT и M2M. Широкое распространение решений, использующих беспроводные сети IoT, требует увеличения жизни батареи, уменьшения стоимости устройств, снижения затрат на подготовку к эксплуатации и увеличения покрытия, по сравнению с доступными сейчас сетями M2M.

Возникшую пустоту между сотовыми сетями и сетями малого радиуса действия (например Bluetooth или Wi-Fi) заполнили сети LPWA. В результате борьба за рынок стала полем битвы для нескольких стандартов.

Что такое LPWA? Это энергоэффективная технология дальнего радиуса действия, новый тип стандартов связи, разработанный для того, чтобы пополнить ряды уже существующих телекоммуникационных сетей и соединить IoT-устройства. Сети LPWA работают в разных частях беспроводного спектра на более низких диапазонах частот и обеспечивают доступ к широкополосной связи по приемлемой цене и с низким энергопотреблением. Технология используется для дальних коммуникаций в среде мегаполиса, позволяя реализовывать интеллектуальные городские решения: освещение, снятие показаний приборов учета, мониторинг энергосетей. Это хороший вариант и для приложений в узких областях, где особенно необходим увеличенный срок службы батарей, например, для решений в сельскохозяйственной отрасли или постоянного мониторинга трубопроводов. Такие сети не предназначены для устройств, используемых в зонах с постоянным доступом к локальным сетям Wi-Fi и источникам питания, и не могут использоваться для применений, где требуется высокая скорость передачи данных и большая надежность, например для связи автомобилей при движении.

Самые заметные стандарты в сфере LPWA — Sigfox, NB-IoT и LoRa. Более мелкие — Ingenu, Weightless-P и Waviot. Для того чтобы сравнить эти LPWA-технологии, необходимо понять предпосылки возникновения каждого стандарта, их технологические аспекты и бизнес-модели, стоящие за ними.

 

Появление стандартов LPWA

Sigfox (французская компания, созданная в 2009 г.) намеревалась создать глобальную инфраструктуру дальнего действия, и одной из первых определила эту нишу, которую впоследствии заняли LPWA. В качестве стартапа компания привлекла $309 млн. инвестиций, при этом в рамках последних двух раундов инвестиции достигли рекордных взносов: более чем $100 млн. (серии The BATTLE for D, февраль 2015 г.) и $160 млн. (серии E, ноябрь 2016 г.). Сеть Sigfox быстро растет и в данный момент используется почти в 30 странах, 12 из которых уже имеют полное покрытие. Недавно компания объявила о 20%-м покрытии в США, где всего лишь за один год было подсоединено более 100 городов. Sigfox действует исключительно как владелец и оператор сетей, используя нелицензируемый широкополосный спектр. Компания устанавливает свои собственные антенны для базовых станций (БС), по мере необходимости сотрудничая с операторами мобильной связи (MNO). Все данные от устройств проходят через серверы Sigfox для дальнейшей передачи в клиентские сети.

LoRa/LoRaWAN — это LPWA-стандарт нелицензируемого спектра, созданный компанией–производителем чипов Semtech и получивший свое развитие после приобретения Semtech IP-провайдера Cycleo в 2012 г. LoRa (Long Range) может рассматриваться как физический уровень или беспроводной модуль, тогда как LoRaWAN — это протокол связи и архитектура системы для сети. В 2014 г. был основан LoRa Alliance, открытая некоммерческая организация, цель которой — стандартизация LPWA-сетей для IoT. LoRaWAN и LoRa широко распространены в Европе, и в некоторых странах их использование растет с каждым годом. В феврале 2016 г. количество членов организации превысило 200. LoRa не имеет такого покрытия, как Sigfox, но быстро догоняет его, не смотря на то, что появилась на три года позже.

NB-IoT (Narrow-Band IoT) — это самый новый стандарт LPWA. По сравнению с Sigfox и LoRa, он покрывает лицензируемый спектр частот LTE. В рамках проекта консорциума 3GPP для реализации проектов с уже использующейся LTE и GSM-инфраструктурой Ассоциацией GSM была определена технология узкополосной радиосвязи. Цель Форума GSMA NB-IoT — запустить уже в 2017 г. коммерческие решения на основе нового стандарта. Но в 2016 г. оператор Deutsche Telekom опередил всех и развернул экспериментальную схему реализации сети на основе NB-IoT. Пробные испытания в Германии были проведены с использованием оборудования Huawei. Соперник Deutsche Telekom, компания Vodafone также завершила первые тесты и объявила о запуске в I кв. этого года первых коммерческих NB-IoT-сетей в Германии, Ирландии, Испании и Нидерландах.

Таблица. Стандарты LPWA
 Sigfox  LoRa  NB-IoT
Выход на рынок, г. 2009 2012 2017
Количество соединений 9 млн. Нет данных 10 тыс.
Диапазон частот Нелицензируемый в области 900 МГц До 900 МГц Лицензируемый диапазон частот LTE, защитная полоса частот, индивидуальная полоса
Максимальная скорость передачи данных, кбит/с 0,1 0,3–50 170–250
Стратегия управления сетями Сеть, управляемая Sigfox Сеть, которая может управляться кем угодно Сеть, которая может управляться любой телекоммуникационной компанией
Стратегия использования оборудования Открыто для всех поставщиков оборудования Открыто для всех поставщиков оборудования, но только с лицензионными компонентами Открыто для всех поставщиков оборудования
Публичная/частная сеть Публичная Публичная и частная Публичная
Типичный пример использования Связанные «умные» мусорные баки Точное земледелие/удаленная поливка Умный мониторинг приборов учета

 

Технические детали

Сеть Sigfox работает в нелицензируемом спектре частот 868 МГц или 902 МГц с шириной полосы 100 Гц на канал и скоростью передачи данных менее 0,1 кбит/с, т.е. максимальный размер пакета составляет 12 байт обратного потока (от IoT-устройства) и 8 байт к IoT-устройству. Соединение ориентируется на низкочастотные применения, объем ограничивается 140 сообщениями в день. Так как оборудование для модулей Sigfox — это устройства с низким потреблением энергии, то, в основном, сеть используется для удаленных, труднодоступных областей без доступа к источникам питания. Один из примеров применения сети Sigfox, который реализован в Барселоне, — проект по оснащению «умных» мусорных баков небольшими модулями, отправляющими отчет о том, что бак полон и готов к выгрузке.

Для загрузок или соединений типа «конечная точка–БС» эта система более эффективна, чем для приема данных (соединения «БС–конечная точка»). Все модемы и БС имеют уникальный ID, он передается с каждым сообщением, отправляемым для аутентификации устройства, но детали передачи не записываются самим устройством. Модем передает каждое сообщение три раза по трем разным каналам, но при этом не предупреждает БС, находящиеся в пределах связи. Поэтому информация может затеряться, если ни одна БС, которая могла бы получить сообщение, не находится в онлайновом режиме. Сеть может покрыть несколько километров, поэтому возможно, что другая система, использующая те же частоты, может стать помехой при передаче данных, если будет расположена около устройства Sigfox. Низкая скорость передачи, и, соответственно, более длительное время передачи повышает вероятность конфликта с другими устройствами в той же сети, что может привести к потере данных.

LoRa также использует нелицензируемый спектр с шириной меньше 500 кГц, для которой Semtech и другие члены Альянса LoRa предлагают наборы микросхем для устройств с однонаправленной (860–1020 МГц) и двунаправленной (860–960 МГц в верхнем или 169–510 МГц в нижнем диапазоне) передачей данных. Скорость передачи данных здесь значительно выше и составляет 0,3–50 кбит/с, при этом с двунаправленной передачей данных эффективны и отправка, и прием. В то время как Sigfox может апеллировать к разработчикам, заинтересованным в отправке/получении небольших сообщений, главное преимущество LoRa — это эффективный прием данных. Если устройство служит не только для сообщений о событиях, но и для отправки команд для запуска действий, то связь должна поддерживаться в обе стороны. В качестве примера можно рассмотреть решения для агропромышленного сектора — когда нужно несколько раз в час измерять характеристики грунта и при необходимости активировать систему полива.

Спектр NB-IoT — лицензируемая индивидуальная защитная полоса LTE с шириной канала около 200 кГц и скоростью передачи данных до 170 кбит/с для приема и до 250 кбит/с для отправки данных. Это выше, чем предлагает LoRa, и выходит за рамки того, что предлагает Sigfox. Высокая производительность NB-IoT отражается на сроке службы батареи и стоимости услуги (она более высокая). Типичное применение — использование NB-IoT для мониторинга приборов учета, что требует более высоких скоростей передачи данных и более частой связи для получения сведений в режиме почти реального времени. NB-IoT работает в спектре, общем для сетей LTE и GSM, поэтому ее использование не требует внедрения новой инфраструктуры. Однако некоторые БС будут нуждаться в обновлении.

 

Стратегии выхода на рынок

Я вижу Sigfox основным реализатором приложений IoT. Здесь можно провести аналогию с изобретением магазинов мобильных приложений. Наша технология отлично подходит для требований среды IoT, у нас сильная команда, запускающая различные новые инновационные и промышленные приложения.
Аурелий Восайлус (Aurelius Wosylus), директор по продажам и работе с партнерами Sigfox

Основное преимущество Sigfox — низкая стоимость устройств, низкие затраты на роуминг по всему миру, т.е. входной барьер для технологии достаточно низок.

Могут использоваться чипы большого количества поставщиков, что снижает затраты на оборудование. Компания предлагает свои услуги по договору подписки, при этом модель ценообразования зависит от ключевых переменных, например от общего числа присоединенных устройств, максимального объема отправленных сообщений и продолжительности подписки. Обычно затраты составляют от $1 до $7 для каждого объекта в год.

Альянс LoRa позволяет каждому участнику стать его членом. Сетевые спецификации находятся в свободном доступе, их можно скачать с сайта Альянса. Основная идея, стоящая за такой открытой бизнес–стратегией, — возможность быстро внедрить технологию и убедиться, что установка сети не ограничивается только операторами мобильной связи. С помощью БС LoRa любой желающий может развернуть свою собственную сеть. Например, американский стартап Cattle Traxx установил сети LoRa для мониторинга условий содержания скота. Сети LoRa также планируют использовать телекоммуникационные компании: Softbank в Японии, Comcast в США, Orange во Франции. Приблизительное количество пользователей составляет 200 млн.

Несмотря на то, что все спецификации находятся в открытом доступе, для модулей трансиверов LoRa могут использоваться только лицензионные микросхемы. Изначально Semtech была единственным поставщиком, но затем другие продавцы, такие как Microchip Technology и STMicroelectronics, стали лицензированными партнерами и поставщиками оборудования. Ценообразование зависит от провайдера сети. Для примера: в июле 2016 г. SK Telecom завершила общенациональный запуск LoRa в Южной Корее, сейчас сеть покрывает 99% населения страны. При этом ежемесячная стоимость составляет от $0,30 до $1,75, в зависимости от планируемого времени использования.

Следующие несколько лет покажут, насколько хорошо будет принята технология NB-IoT. Она поддерживается ассоциацией GSMA и некоторыми мобильными операторами. Так, уже несколько мобильных операторов вместе с Deutsche Telekom и Vodafone объявили о планах по внедрению этой технологии. NB-IoT не поддерживает запуск частных сетей, пользователи будут зависеть от растущей поддержки среди телеком–операторов. Еще один плюс: по сравнению с Sigfox, у пользователей будет возможность поддержки более чем одного оператора из предлагающих связь по стандарту NB-IoT.

 

Боевая ничья

Все три технологии имеют свои преимущества в конкретных ситуациях. Различные свойства LPWA охватывают разные потребности, и выбор наиболее подходящих зависит от технических условий и настроек каждого конкретного применения. Sigfox, вероятно, лучшее решение для большинства базовых устройств для IoT, когда требуется только отправка сообщений и не требуется получение большого объема информации. Такие устройства могут дольше работать благодаря увеличенному сроку службы батареи и не нуждаются в пристальном внимании. LoRa подходит для применений, где требуется большой срок службы батареи и где необходимо отправлять и получать б?льшие объемы данных. NB-IoT — это будущее для всего, что требует более высоких скоростей передачи данных, при этом срок службы батареи не столь важен. Любой организации, рассматривающей использование стандарта LPWA, нужно сначала точно определить, что ей нужно от технологии, это поможет понять, какой стандарт из рассмотренных подходит лучше всего.

 

Дополнительная информация по модулям доступна по ссылкам:

NB-IoT /LTE Cat1

LoRa & Sigfox Modem

LoRaWAN smart sensor

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *