«МегаФон» показал свою экосистему интернета вещей на базе NB-IoT. Стандарт NB-IoT Low-Power and Wide-Area, LPWA Энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия

Класс беспроводных телематических устройств, передающих данные по радиоканалу; основной принцип - цифровая передача данных на сверхузкой частотной полосе на низких скоростях. Особенность технологии - большая дальность передачи сигнала от конечного устройства до принимающей станции (до 10 км в городской черте и до 40 км на открытой местности); длительный срок работы конечных устройств (более 10 лет без внешнего питания); экономичность и простота внедрения решений; отличная масштабируемость за счет практически неограниченного количества подключаемых датчиков. Технология рассчитана на сбор информации с устройств интернета вещей и осуществления межмашинных коммуникаций (m2m). В Европе LPWAN работает на частотах 169 МГц, 433 МГц, и 868 МГц.

О стандарте NB-IoT

Стандарт NB-IoT был разработан консорциумом 3GPP с учетом требований, предъявляемых операторами: услуги IoT должны передаваться по технологии передачи, известной как «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия» (Low-Power and Wide-Area, LPWA) и использовать существующую инфраструктуру оператора. С точки зрения универсальности, NB-IoT – это наиболее подходящее решение LPWA для предприятий различных отраслей, c помощью которого можно подключать к сети оператора счетчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одной из особенностей технологии является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тысяч устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. Использование низкочастотного диапазона позволит обеспечить покрытием такие труднодоступные места, как цокольные помещения, подвалы и т.д. Кроме того, при работе в новом стандарте устройства экономнее расходуют аккумулятор, что позволяет им работать без подзарядки гораздо дольше. Например, счетчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи установленным в подвальном помещении.

По прогнозам ассоциации GSMA, к 2020 году количество подключений Интернета вещей по сетям мобильной связи и LPWA превысит 3 миллиарда. Счетчики ресурсов, наручные часы и браслеты, ошейники для домашних питомцев, датчики на парковках – каждому из устройств понадобится доступ к сети. Технология NB-IoT (Narrow Band IoT) связи для Интернета вещей значительно снижает потребление энергии конечными устройствами, обеспечивает значительно лучшее покрытие и проникновение связи, увеличивает максимальное количество подключенных к сети устройств.

Существует три технологических варианта развертывания NB-IoT, а именно:

• в полосе частот наряду с LTE -сервисами;
• в неиспользованной части радиоспектра между частотными диапазонами (в целях предотвращения помех от смежного канала на границах существующих LTE-частот);
• использование отдельно выделенного спектра (далее в статье мы обсудим компромиссные решения и связанные с ними факторы, определяющие наилучший выбор технологии при развертывании NB-IoT).

NB-IoT позволит операторам мобильной связи незамедлительно обеспечить предоставление коммерческих решений в сегменте IoT. Это произойдет уже в 2017 году, задолго до того, как будет стандартизирована.

Три варианта развертывания «узкополосного IoT» влияют на производительность не только для NB-IoT RAN (Radio access network; сеть радиодоступа в различных стандартах сотовой связи), но и для одновременного развертывания и IoT, и MBB (mobile broadband, мобильный широкополосный доступ).

С точки зрения сети радиодоступа (RAN) существует три варианта развертывания NB-IoT. Два из этих вариантов подходят для развертывания в спектре, который уже прошел лицензирование.

• Вариант «внутри полосы», где NB-IoT развертывается внутри существующего LTE спектра, используемого для предоставления мобильных широкополосных (MBB) услуг;
• Вариант «защищенной полосы» с использованием спектра по краям канала (т.е. в неиспользуемой части спектра) существующих LTE. Однако здесь вероятны помехи от смежного канала на границах существующих LTE базовых станций. «Защищенные полосы» могут быть использованы без учета мощностей основных базовых станций LTE);
• Третий вариант заключается в развертывании NB-IoT с использованием присвоения выделенных частот (т.е. «автономного» развертывания), а также использования совокупности различных выделенных базовых станций специально для LTE иMBB.

Регулирующие органы не выделяют отдельные частоты для NB-IoT, хотя этот подход возможно применить. Например, можно было бы определить IoT-спектр от 700 Mгц полосы (так называемой 2×3 МГц, от 733-736 МГц и 788-791 МГц). Этот 2×3 МГц спектр примыкает к основной MBB-ориентированной 700 МГц частотной схеме (как показано на рисунке 1) и поэтому не будет оказывать никакого влияния на объем спектра, доступного для MBB.

Решение «защищенной полосы» использует меньшую емкость MBB по сравнению с вариантом развертывания внутри частоты. Такой вариант вряд ли может предложить тот же уровень производительности, как при использовании отдельного частотного спектра из-за более ограниченных перспектив по оптимизации при предоставлении услуг, территории покрытия и объема IoT трафика.

Также могут существовать и другие преимущества от использования выделенного спектра, в том числе возможность оптимизации RAN, благодаря чему будет обеспечено превосходное покрытие внутри помещений. В то же время можно достичь снижения потребляемой мощности устройств за счет того же лучшего покрытия внутри помещений.

Для некоторых случаев использования IoT требуется более быстрое время отклика сети в силу характера трафика (например, приложения в секторе здравоохранения или соединения с транспортными средствами). Специально выбранный спектр поможет обеспечить более надежное соединение при возникновении подобных ситуаций и одновременно с этим эффективно использовать существующие сервисы и сетевые ресурсы (например, биллинг и безопасность) .

Выход на рынок первых устройств с поддержкой технологий NB-IoT ожидается в конце 2016 - начале 2017 года. Технология NB-IoT работает в сетях LTE и будет актуальна при дальнейшем переходе на стандарты пятого поколения .

Позиционирование сегмента LPWAN

История

История LPWAN началось задолго до того, как французская Sigfox в 2009 году запустила в не лицензируемом диапазоне частот одноименную беспроводную сеть. Целью компании было подключение к сети объектов, которым для работы не требуется много энергии. Первыми были подключены счетчики, стиральные машины и т.д.

И все же первыми устройствами, которые начали работу в предшественниках современных LPWA-сетей, стали системы сигнализации. Так, в 1980-1990 гг. стали появляться аналогичные с LPWAN топологии и сетевые архитектуры. К примеру, компания AlarmNet, «дочка» ADEMCO, подключала с беспроводной сети пожарные извещатели и проводила мониторинг их работы. Сеть функционировала на частоте 928 МГц в и охватывала 65% населения. В последствии Honeywell приобрела AlarmNet.

Еще один поставщик – ARDIS, основавший в 1980-х гг. беспроводную сеть с широкой зоной покрытия, принадлежал компании Motorola. К этой низкоскоростной сети подключали оборудование для автоматизации продаж и онлайн-транзакций. Впоследствии American Mobile приобрела ARDIS, и обслуживание клиентов новый собственник перевел в более современные сети.

С постепенным развитием технологий компании-поставщики решений для мониторинга перешли на сети 2G. Это случилось в конце 1990-х. По меркам того времени сети 2G имели повсеместное покрытие .

Сети LPWAN

Два основных варианта реализации LPWAN сети:

• Лицензионный диапазон частот (повышенная мощность, относительно высокая скорость, нет помех)
• Безлицензионный диапазон частот (низкая мощность, низкая скорость, ограничение рабочего цикла передатчика, возможны помехи от других игроков)

Три основные технологиями построения LPWAN сетей:

• NB-IoT – эволюция сотовой связи;
• SigFox в мире и Стриж , ВАВИОТ в России – UNB безлицензионный LPWAN;
• LoRa – широкополосный безлицензионный LPWAN.

NB-IoT скорее всего захватит большую часть высокодоходного рынка, но безлицензионные технологии имеют все шансы захватить более низкодоходный рынок с миллиардами подключенных простых и дешевых устройств.

Наиболее известный протокол LoRa – LoRaWAN – это аппаратный протокол управления связью между LPWAN шлюзами и конечными узлами устройств. Сеть LoRaWAN (Long Range wide-area networks, глобальная сеть большого радиуса действия) развертывается в частотном спектре, не требующем лицензирования.

Устройства в сети LoRaWAN асинхронно передают данные для отправки на шлюз. Затем несколько шлюзов, получившие эту информацию, отправляют пакеты данных на централизованный сервер сети, а от него – на серверы приложений.

Поддержку протоколу на глобальном уровне оказывает LoRa Alliance . Альянс объединяет более 500 компаний - разработчиков аппаратного и программного обеспечения и операторов LoRaWAN.

Услуги связи LoRaWAN оказывают 42 оператора более чем в 250 городах мира. Такую популярность этого стандарта специалисты объясняют низким уровнем энергопотребления (порядка 10 лет от одной батареи), большой территорией покрытия и невысокой стоимостью датчиков (до $10).

LoRaWAN и «Стриж»: сравнение

1. Протокол связи

Одним из главных отличий этих сетей является протокол связи. LoRa использует LoRaWAN - MAC протокол канального уровня (OSI media layer 2) для сетей с множеством узлов с большим радиусом действия и низким энергопотреблением.

Сеть «Стриж» использует собственный протокол Marcato 2.0. Этот протокол является закрытым. Протокол обеспечивает шифрование XTEA с использованием 256 битного ключа.

2. Степень пропиетарности

«Стриж» использует для работы закрытый протокол Marcato 2.0. В итоге для работы в этой сети необходимы шлюзы и конечные устройства производства «Стрижа». Такая абсолютная степень пропиетарности может негативно сказаться на как на стоимости устройств, так и на их ассортименте.

Для LoRaWAN характерна низкая степень пропиетарности. Патент на LoRa-чипы принадлежит Semtech. Однако обладатель патентов не против того, чтобы оборудование выпускало несколько компаний. К тому же конечные устройства производит несколько десятков сторонних производителей. В итоге пользователю доступно множество бюджетных и эффективных вариантов для построения IoT-решений на базе LoRa.

3. Модуляция

LoRa использует метод модуляции с расширением спектра и вариацией линейной частотной модуляции, а «Стриж» – сверхузкополосный метод с дифференциальной двоичной фазовой манипуляцией DBPSK.

Применение широкополосной кодовой манипуляции LoRaWAN приводит к снижению эффективности использования частотного спектра. В результате количество устройств для работы в определенном частотном диапазоне значительно ниже, чем у «Стрижа». В полосе LoRa в 125 кГц, необходимой для кодирования одного канала, можно использовать до 1250 устройств «Стриж».

4. Ширина полосы сигнала

Ширина полосы сигнала, рекомендуемая для стандартной сети LoRaWAN, составляет 125 кГц. У «Стрижа» ширина полосы сигнала составляет 100 Гц. У стандартной сети LoRaWAN – восемь широких каналов по 125 килогерц, а у «Стрижа» 5 тыс. узких по 100 герц каждый. Узкий канал имеет несколько особенностей. Например, он требует стабильности частоты кварцевых резонаторов, задающих рабочую частоту абонентского устройства. В противном случае необходимо использование дорогих термокомпенсированных генераторов, у которых погрешность по частоте на порядок меньше.

5. Разделение каналов

FDMA (Frequency Division Multiple Access) – это множественный доступ с частотным разделением. Общий ресурс делится на несколько устройств. Такое деление может быть равным или неравным. FDMA, как правило, используется в связке с методами множественного доступа TDMA и CDMA.

Принцип работы TDMA состоит в том, что на определенной частоте базовая станция какой-то промежуток времени работает на одного абонента, какую-то на другого и т.д. Перерывы настолько коротки, что для работы устройств они остаются незамеченными.

Принцип работы практически цифрового стандарта CDMA означает, что все ячейки работают на одном и том же канале. В итоге частотный ресурс расходуется наиболее полно. Предусмотрена возможность плавного перехода устройства от обслуживания от одной базовой станции к другой.

LoRaWAN использует CDMA и TDMA, тогда как «Стриж» - FDMA и TDMA.

6. Радиорелейные и ячеистые сети

Преимущество LoRaWAN заключается в использовании ячеистых (многоточечных) сетей. Устройства могут работать как радиорелейная станция и передавать сигнал до ближайшей точки доступа. Поэтому у провайдеров нет необходимости устанавливать дополнительные точки доступа с проводкой к ним. Альтернативный путь – использование миниатюрных радиорелейных станций WLAN, которые обеспечивают связь с имеющейся инфраструктурой точек доступа. «Стриж» такими характеристиками похвастаться не может.

7. Классы обслуживаемых устройств

LoRaWAN может обслуживать устройства класса A, B, C, тогда как «Стриж» - только устройства класса А. Классы отличаются по расписанию передачи данных в эфир. Например, оборудование класса А передает информацию, а затем короткий промежуток времени ожидает ответа от базовой станции. Приемник выключается до следующего сеанса связи. Устройства класса B работают по расписанию. Передатчик включается в заданное время. Базовая станция располагает этим расписанием, поэтому способна передавать данные на устройство в соответствии с графиком. Устройства класса C держат приемник включенным постоянно, поэтому базовая станция может в любое время передать информацию.

8. Асинхронная передача данных

Сети «Стриж» и LoRaWAN не являются сотовыми. Это значит, что устройствам не требуется просыпаться для синхронизации данных. Датчики можно запрограммировать на отправку данных по расписанию или по мере накопления информации. Поэтому срок работы аккумуляторов достаточно длительный и может достигать несколько лет.

9. Локальные сети масштаба объекта

Построить эффективную сеть LoRaWAN под силу даже отдельному предприятию в виду меньшей стоимости базовой станции и более широкой экосистеме поставщиков оборудования и программной части. Построение сети «Стриж» на локальном объекте также возможно, но, ввиду абсолютной закрытости протокола, на подбор необходимого оборудования и согласование проекта может уйти больше времени.

10. Количество операторов

Сети LoRaWAN развернуты более сотней операторов в 40 странах и 250 городах мира. Заручившись поддержкой ИТ-гигантов и крупнейших операторов связи, LoRaWAN уже покрыла сигналом более 40 стран мира и 250 городов. В , Австралии, Новой Зеландии, Тайване и Нидерландах LoRaWAN считается стандартом сети Интернета вещей . Сеть «Стриж» представлена единственным оператором, предоставляющим услуги в некоторых странах СНГ.

11. Стоимость базовых станций

инвестиции в строительство не сотовых LPWAN достаточно низкие, чем в мобильные LPWAN. Сети не сотовых LPWAN можно с легкостью развернуть как в городской черте, так и в сельской местности. Стоимость одной базовой станции LoRaWAN оценивается в $1000. Для охвата территории Нидерландов, к примеру, одним из операторов связи было приобретено 12.

12. Помехоустойчивость

Технология «Стриж» более устойчива к помехам. Сигнал LoRaWAN обладает средней степенью устойчивости. Защита от помех в случае с LoRaWAN обеспечивается с помощью кодирования.

При одновременной работе в одном канале устройства могут добиться защиты от помех на уровне 10 – 20 Дб, в «Стриже» этот показатель составляет до 65 дБ защиты от помехи на соседнем канале.

13. Экосистема

Решения «Стриж» развивает сама компания и несколько, преимущественно российских, производителей оборудования. Экосистема LoRa включает более 500 компаний – операторов связи и поставщиков ИТ-решений и оборудования. В LoRa Alliance входят такие ИТ-гиганты, как IBM , Cisco , Orange, NTT, Soft Bank, Bosch, Schneider Electric, Inmarsat, Swisscom. Поддержка этих лидеров уже привела к тому, что LoRaWAN стала крупнейшей популярной LPWAN-технологией в мире. Об этом свидетельствует количество операторов, развернувших эту сеть.

Резюме

LoRaWAN существенно превосходит «Стриж» в степени пропиетарности, разделении каналов, в возможности обслуживания нескольких классов устройств, возможности использования радиорелейных и ячеистых сетей, строительстве локальных сетей на предприятиях, стоимости базовых станций, экосистеме поддержки и количестве запущенных сетей. Это означает, что вариантов построения эффективных промышленных решений на базе LoRaWAN у заказчиков гораздо больше, чем при использовании технологии «Стриж».

Табл.1 Сравнение характеристик LoRa и «Стриж»

LoRaWAN против NB-IoT: сравнение стандартов

1. Простота развертывания

NB-IoT – это стандарт сотовой связи, поэтому для работы базовых станций необходимо получить лицензию. Вряд ли NB-IoT отважится развернуть компания, ранее не присутствовавшая на рынке мобильной связи. Строительство сети с ноля для охвата мегаполиса потребует существенных инвестиций. К тому же новичкам будет сложно конкурировать с компаниями, оказывающими традиционные услуги 2G/3G/4G на протяжении десятилетий. «Старожилам», к примеру, достаточно программно обновить существующие базовые станции, чтобы запустить сервисы NB-IoT.

Sigfox

Sigfox – французская компания, в 2009 году запустившая современную сеть LPWA во Франции. Сумма инвестиций в проект тогда составила €100 млн.

Для работы сети используется технология сверхузкополосной беспроводной связи. Сеть базируется на топологии «звезда». Кстати, такая топология характерна для большинства LPWA. Множество устройств по беспроводному соединению передают данные на шлюзы, а шлюзы перенаправляют информацию на сервер. Каждое устройство в сети может передавать до 140 исходящих сообщений в сутки. Объем сообщения не превышает 12 байт. Максимальное количество входящих сообщений – 4, объем каждого – до 8 байт.

Сеть работает в не лицензируемом частотном диапазоне. Ддля оказания услуг связи используется диапазон 868 МГц в Европе и 902 МГц в . Сети Sigfox развернуты более чем в 26 странах мира.

Первоначальный вариант решения комиссии по данному вопросу вызвал немало споров. Сейчас устройства LPWAN работают в безлицензируемых участках диапазона 800 МГц: 864 - 865 МГц, 866 - 868 МГц и 868,7 - 869,2 МГц.

В предпоследнем в 2018 г. заседании ГКРЧ хотела обязать для запуска базовых станций стандарта LPWAN получать разрешения на использование радиочастот. Кроме того, планировалось обязать использовать в данных сетях только отечественное оборудование.

Глава Ассоциации участников рынка интернета вещей Андрей Колесников обращался с письмом к министру связи, председателю ГКРЧ Константину Носкову с просьбой не допустить принятия такого решения. Колесников указывал, что требование об обязательном получении разрешения на использование радиочастот увеличит сроки строительства сетей LPWAN, приведет к росту стоимости услуг связи и увеличит нагрузку на контролирующий орган - Роскомнадзор .

Кроме того, сейчас сети LPWAN активно используется стартапами, в том числе в студенческой и образовательной сфере. Введение разрешительной процедуры ввода радиоэлектронных средств стандарта LPWAN сделает продолжение такой практики невозможным.

Колесников выступил и против введения требования об обязательном использования российского оборудования. Российские производители, по его мнению, пока не в состоянии обеспечить требуемый объем и качество оборудования для интернета вещей.

2018

Tele2, Ericsson и «Ростелеком» протестировали NB-IoT для энергетического сектора

Для оказания связи 4G было принято решение выделить полосы частот 453–457,4 МГц и 463–467,4 МГц пяти регионам. В этот список попали Ненецкий и Чукотский АО, Республики Ингушетия, Саха (Якутия) и Чечня. Торги пройдут не позднее второго квартала следующего года.

2017

МТС открыла лабораторию экосистемы NB-IoT

ZTE и velcom запустили сеть NB-IoT в Минске

Телеком-оператор velcom запустил осенью 2017 года в Минске первую в стране узкополосную сеть NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) для «интернета вещей ». Запуск сети NB-IoT позволит развивать «интернет вещей» во всем городе, а не только в пилотных зонах. Базовые станции уже сейчас обеспечивают устойчивое покрытие в каждом районе: узкополосная связь проникает в самые труднодоступные места, сквозь массивные стены зданий и на цокольные этажи. По уровню проникновения сигнала новый стандарт может в 20 раз превосходить используемые сейчас технологии M2M .

Ранее velcom получил разрешение от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) на то, чтобы использовать для «интернета вещей» часть ранее выделенного частотного диапазона. Сеть NB-IoT работает в диапазоне 900 МГц, который также задействован в GSM и UMTS. Для «интернета вещей» используется небольшая полоса частот в 200 кГц c защитными интервалами, что никак не влияет на работу других сетей.

Сотовым операторам в России могут разрешить применять частоты в режиме NB-IoT

В начале декабря 2017 года стало известно о том, что Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) планирует разрешить операторам "большой четверки", а именно - МТС , "МегаФон ", "Вымпелком " и Tele2 , использование частот в режиме NarrowBand Internet of Things (NB-IoT). Соответствующий проект решения ГКРЧ планируется рассмотреть в ходе заседания 28 декабря 2017 года.

В частности, предполалгается, что операторы смогут запускать NB-IoT в рамках уже действующих разрешений на использование частот стандартов GSM , LTE и последующих модификаций по России в различных диапазонах. Согласно документу, ГКРЧ "принимает во внимание необходимость скорейшего внедрения перспективных радиотехнологий для развития интернета вещей ".

По мнению операторов, возможность применения частот в режиме NB-IoT позволит обеспечить благоприятную нормативную среду для развертывания инфраструктуры интернета вещей, упорядочит развитие IoT в России, а также ускорит выход на рынок готовых коммерческих продуктов и сервисов в этой сфере, которые уже были протестированы.

Федеральная беспроводная сеть в РФ

Согласно программе, до конца 2017 года будет разработана концепция развития сетей узкополосной сети связи сбора телеметрической информации в городах с территорий более 100 кв. км. Также будут определены потребности в услугах, подходы к созданию и использованию сети LPWAN.

Параллельно будет проведена разработка, совершенствование и доработка программно-аппаратного комплекса, включающие телекоммуникационное оборудование, отвечающего потребностям развития сетей узкополосной сети связи и сбора телеметрической информации. Подчеркивается, что оборудование должно быть преимущественно отечественного производства.

В начале 2018 года будут определены перечни и проведена оценка возможностей отечественной промышленности по производству телекоммуникационного оборудования для строительства сети LPWAN. Позднее будут созданы условия для развития федеральной сети узкополосной связи по технологии LPWAN, в том числе определены радиочастоты для разворачивания сети, приняты нормативные правовые акты и реализован пилотный проект создания сети связи.

В IIIквартале 2018 г. будет проведено планирование сетей узкополосной связи по технологии LPWAN, порядок ее развертывания и создания. К III кварталу 2019 г. сети связи LPWANбудут внедрены в первых пяти городах с численностью населения более 1 млн человек, причем на данных сетях будет применяться отечественное оборудование.

До конца 2022 г. сети LPWAN, использующие отечественное оборудование, будут внедрены во всех городах России с территорией более 100 кв. км. А к концу 2024 г. будет обеспечено повсеместное внедрение сетей LPWAN в малых городах и поселках городского типа, а также вдоль федеральных автомобильных и железнодорожных магистралей.

Кто займется новым мегапроектом

Ранее проект строительства сети LPWAN представило государственное АО ГЛОНАСС , отвечающее за систему автоматического реагирования на ДТП «ЭРА-ГЛОНАСС ». АО ГЛОНАСС называет свое решение полностью отечественной разработкой и предлагает использоваться данную сеть для управления датчиками, сбора телеметрической информации и контроля почв на территории сельскохозяйственных угодий.

«МегаФон» и Qualcomm совместно протестировали NB-IoT в Санкт-Петербурге

Тестирование проводилось на базе Федерального центра исследований и разработок «МегаФона» в Санкт-Петербурге . В качестве конечного устройства использовался тестовый абонентский терминал на базе глобального многорежимного модема Qualcomm MDM9206, а со стороны сети было применено оборудование Huawei . Для тестирования был задействован диапазон 900 МГц. Основной функционал стандарта NB-IoT был проверен по совместно утвержденной программе. В рамках тестирования также была проверена работоспособность методов улучшения покрытия (Coverage Enhancement Levels), позволяющих устройству оставаться в сети даже при очень малых значениях принимаемого сигнала, что особенно актуально для перспективных устройств интернета вещей.

Проведенный тест NB-IoT позволяет подготовить формализованные требования для большого числа производителей IoT-модулей, разработчиков ПО, системных интеграторов, которые планируют разрабатывать и внедрять свои устройства для работы на сети «МегаФона» в стандарте NB-IoT.

Huawei протестировала «умные» счетчики электроэнергии на базе NB-IoT в Испании

EDP Distribuição (Испания) использует узкополосный интернет вещей для реализации пилотного проекта в рамках программы Upgrid, которая, в свою очередь, выступает частью стратегии Еврокомиссии «Горизонт 2020». Инфраструктурная сеть NB-IoT была установлена оператором связи NOS с использованием разработок Huawei.

По информации Huawei, с помощью узкополосного интернета вещей решаются следующие задачи:

• поддерживается должное качество обслуживания потребителей - за счет автоматического обнаружения отказов и повреждений, что сокращает срок восстановления обслуживания (в случае стихийных бедствий и других непредвиденных ситуаций она позволяет быстрее обнаружить неполадки и решить проблему);
• измерение потребления в режиме онлайн с поддержкой различных ситуаций и статистики;
• реагирование по требованию, контролируемое практически в режиме реального времени;
• непрерывное развитие технологии за счет постепенного массового внедрения операторами связи (внедрение в больших масштабах обеспечит создание развитой экосистемы и реализацию технологической революции за счет оптимизации функционала и внедрения новых элементов в соответствии с требованиями «умной» сети).

EDP Distribuição выбрала для пилотного запуска разработки район Парк даж Насоеш (Парк Наций, Parque das Nações) в Лиссабоне, при этом в проект вовлечены 100 клиентов. Здесь уже внедрен узкополосный интернет вещей и установлены две базовые станции NOS, что обеспечивает NB-IoT-покрытие. Интеллектуальное управление энергопотреблением стало примером практического применения этой технологии, отметили в Huawei.

"МегаФон" протестировал работу счетчиков в стандарте NB-IoT

Комплексное решение, представленное весной «МегаФоном » вместе с партнерами, позволит предприятиям ЖКХ и управляющим компаниям оперативно получать информацию о потреблении ресурсов, автоматически контролировать расходы, моментально определять баланс и избавиться от платежных разрывов. Жителям, перешедшим на новое решение, больше не придется снимать показания вручную, кроме этого, за расходом электроэнергии, воды и газа можно будет следить через удобное приложение и выгружать статистику за определенный период.

Продукт обладает рядом преимуществ перед доступными на рынке альтернативами, поскольку работает на стандарте NB-IoT, который «МегаФон» развивает вместе с Huawei и планирует уже в 2017 году ввести в коммерческую эксплуатацию. Его энергоэффективность позволяет подключенным устройствам работать до 10 лет без замены аккумулятора, диапазон сети обеспечивает бесперебойную передачу данных даже в помещениях с затрудненным приемом сигнала мобильной связи, а низкая стоимость радиомодуля обеспечивает конкурентную стоимость внедрения.

Удобство решения также заключается в его комплексности: созданное совместно с российским разработчиком информационных систем в сфере ЖКХ, компанией «Большая Тройка », оно решает все вопросы, связанные с переходом на интеллектуальную систему измерений – от производства счетчиков до установки платформы для сбора и анализа показаний через одно окно.

«Сегодня мы можем говорить о возникновении целого рынка технологий в ЖКХ, и решения, которые здесь появляются, потом находят применение и в других отраслях. Безусловно, это явление - результат планомерной работы над повышением инвестиционной привлекательности отрасли, - отмечает заместитель Министра строительства и ЖКХ Российской Федерации Андрей Чибис . - Мы считаем, что приход частного инвестора и определение четких правил игры способны сделать сферу ЖКХ по-настоящему эффективной и клиентоориентированной. Профессиональный управленец, будь то инвестор или управляющая организация, заинтересован в автоматизации процессов, и, соответственно, снижении издержек, повышении управляемости и прогнозируемости работы. Мы уверены, что решение, которое сегодня презентуется, станет еще одним шагом на пути к повышению эффективности управления жильем и сможет повысить платежную дисциплину среди населения».

Решение от «МегаФона », Huawei и «Большой Тройки» появится на рынке сразу после запуска стандарта NB-IoT и позволит комплексно решить задачу подключения приборов учета в сети для управляющих компаний и предприятий ЖКХ.

2016: Практика Huawei

До окончательного принятия стандартов NB-IoT компания Huawei вместе с партнерами проводила работы по подготовке к стандартизации и тестированию приложений, чтобы лучше понять потребности клиентов, ускорить модернизацию и оптимизировать технические решения. Только в первой половине 2016 года компания Huawei завершила множество совместных проектов. Например, вместе с Etisalat компания Huawei тестировала услуги и приложения для умной парковки; вместе австралийскими операторами (VHA и Optus) и компанией South East Water запустила в тестирование системы интеллектуального управления водоснабжением, а также заключила соглашение по стратегическому партнерству с китайскими China Telecom и Shenzhen Water Group для реализации аналогичной системы.

2015

Оценка рынка от Stratistics MRC

Согласно данным Stratistics MRC, объем глобального рынка LPWA-сетей оценивается $0,5 млрд по итогам 2015 года. К 2022 году, по прогнозам аналитиков, рынок достигнет $46,3 млрд. Среднегодовые темпы прироста (CAGR) рынка в 2015-2022 гг. составят 88,8%.

По данным аналитиков, частный сектор экономики займет наибольшую долю рынка в течение прогнозного периода. В то же время показатели CAGR государственного сектора экономики по потреблению LPWAN-сервисов превысят показатели частного. Страны Европы будут доминировать на мировом рынке LPWAN. В то же время более высокие темпы роста совокупного годового оборота будут наблюдаться в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

В офисе столичного филиала «МегаФона» прошла презентация первого комплексного решения IoT для ЖКХ. Это продукт совместных усилий оператора «МегаФон», поставщика оборудования Huawei и разработчика платформы для сбора и анализа телеметрических данных «Большая тройка». Роли в проекте распределились следующим образом. «МегаФон» развернул сеть стандарта NB-IoT на базе оборудования Huawei, а «Большая тройка» разработала прибор, собирающий данные со счетчиков воды и электричества и передающий данный на сервер через сеть NB-IoT. Заказчику такого решения доступен интернет-интерфейс, через который можно получить все данные со счетчиков. Предназначено решение для сервисных, ресурсных и управляющих компаний. На данный момент клиентов нет, но по словам представителей «МегаФона», уже в этом году в одном из регионов, в каком именно не раскрывается, будет развернута пилотная зона.

Сегодня нет единого стандарта для экосистемы интернета вещей, тогда как сами IoT-решения широко применяются как в ЖКХ, так и в других отраслях. По большому счету IoT — это органичная эволюция m2m-решений, разница лишь в стоимости и технологии передачи данных. В традиционных m2m-сервисах для агрегации телеметрических данных используется существующая мобильная сеть. Это выгодно для запуска подобных решений, так как вложения в старт минимальны. Но в долгосрочной перспективе для интернета вещей потребуется собственная сеть передачи данных. Существует несколько стандартов, развивающихся параллельно. Наиболее заметными и поддерживаемыми являются NB-IoT и LoRa. Примечательно, что поддерживают эти стандарты по большей части одни и те же компании. «МегаФон» выбрал технологию NB-IoT, но вряд ли это произошло по какой-либо иной причине, чем поддержка именно этого стандарта главным партнером оператора по строительству и развитию инфраструктуры, компании Huawei.

NB-IoT действительно имеет все шансы для того, чтобы стать настоящим и единственным стандартом сетей для интернета вещей. Но даже сейчас, когда NB-IoT запускается во многих странах, есть масса вопросов к тому, с какой спешкой вендоры стараются навязать операторам покупку оборудования. Например, одним из преимуществ NB-IoT является низкое энергопотребление, требуемое для передачи телеметрических данных. Якобы, достаточно одной батарейки для бесперебойной работы прибора в течение десяти лет. Только вот используются в таких приборах батарейки форм-фактора ААА, не от хорошей жизни, конечно, они просто дешевле. Но физическая жизнь щелочной ААА-батарейки ограничена тремя, максимум пятью годами. И зачем тогда «10 лет от одной батарейки»?

Другой проблемой становится сам прибор сбора телеметрических данных. Решение «МегаФона» предполагает, что такой центр будет установлен в каждой квартире, он будет собирать данные со счетчиков электроэнергии и водоснабжения. Но в демонстрационном решении все счетчики были соединены с центральным прибором учета проводами. Интересно посмотреть, как много жителей городских квартир согласится на прокладывание проводов поверх сделанного ремонта. Если же оснастить счетчики модулем беспроводной передачи данных, то, во-первых, они станут сильно дороже и батарейку в них менять придется куда чаще, и, во-вторых, придется решать проблему экранирования сигнала стенами санузлов и трубами. Как ни крути, а решение в текущем исполнении возможно устанавливать в многоквартирные дома до заселения. Это — деньги, которые вряд ли горят желанием тратить управляющие компании.

Удивительно, но в Москве уже есть масса запущенных проектов автоматизации сбора данных по потреблению жильцами электричества и воды. В некоторых из них используются электросчетчики с SIM-картами, в других — более сложные решения. В основном, речь идет об кварталах элитной застройки, где такое «умное ЖКХ» является частью большого пакета дополнительных услуг, доступных жильцам. Представители «Большой тройки», разработчиков платформы и устройств для проекта «МегаФона», указывают, что за все удовольствие в результате заплатит владелец квартиры. По их мнению, жильцы будут только счастливы, что их заставят потратить деньги на установку новых счетчиков, ведь тогда они перестанут переплачивать за коммунальные услуги. С какой стати они переплачивают сейчас — не уточняется. Все отличие от текущей ситуации заключается в том, что сегодня сами жильцы сдают показания счетчиков, по которым и рассчитывается их плата за коммунальные услуги. А чтобы жильцы не обманывали, работники управляющей компании проверяют показания с определенной периодичностью. Обмануть коммунальщиков жителю новой квартиры практически невозможно, а те, кто привык ставить жучки и цеплять магниты, вряд ли согласятся менять свои «правильные» счетчики на продвинутые. И уж тем более — за собственные деньги.

Запуск NB-IoT — это большой шаг к развитию интернета вещей. Осталось запустить проекты, которые действительно востребованы здесь и сейчас, а не в далеком и наивном будущем. Для этого «МегаФону» стоит найти более зрелых партнеров, а не стартаперов с горящими глазами. Иначе впечатление можно будет произвести лишь на тех, кто об интернете вещей и его проникновении в ЖКХ услышал впервые. Не придется выдергивать на пресс-конференции мэра Иннополиса, некоего представителя управляющей компании и других засланных казачков, задающих правильные, с точки зрения компании, вопросы. Тем более, в Москве уже есть реальные заинтересованные в таких решениях компании. Это застройщики, сдающие ежемесячно десятки тысяч метров нового жилья и уже знающие цену «умному ЖКХ». Если же вектор развития проекта будет направлен на популистское «модернизируем ЖКХ по всей стране», то все закончится примерно тем же, чем заканчиваются практически все последние проекты «МегаФона».

С развитием Интернета вещей (Internet of Things, IoT) количество подключений к сетям мобильной связи операторов увеличится в разы. По прогнозам Ericsson, к 2021 г. общее количество подключенных к интернету устройств в мире составит 28 млрд. Из них 1,5 млрд составят потребительская электроника и умные автомобили, взаимодействующие друг с другом посредством сетей мобильной связи. В ближайшие годы количество межмашинных подключений (Machine-to-Machine, M2M) будет расти на 25% в год, большая часть поставляемых на рынок M2M-устройств будет поддерживать стандарт LTE . По мере роста рынка IoT становится очевидным, что для многих вариантов использования таких решений существующие технологии мобильной связи недостаточны в связи с недостаточным покрытием, высокой стоимостью оконечных терминалов и малым сроком службы их элементов питания.

Инновационной технологией Интернета вещей является решение узкополосного IoT (Narrow-Band IoT или NB-IoT). Это беспроводная узкополосная разновидность глобальных сетей с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area, LPWA), которая в первую очередь предназначена для приложений межмашинного взаимодействия (М2М). Стандарт NB-IoT откроет компаниям, специализирующимся на предоставлении телекоммуникационных услуг, широкий спектр новых возможностей. В частности, существенно увеличит доходность операторов от одного абонента (Average revenue per user, ARPU). Технология NB-IoT займет свою низкоскоростную нишу в классе решений, где приоритетное значение имеет бесперебойная передача данных и низкое энергопотребление.

Технические преимущества NB-IoT

Стандарт NB-IoT был специфицирован консорциумом 3GPP в 2016 году в Release 13 (LTE Advanced Pro) и в настоящее время проходит тестирование. Специалисты полагают, что технология NB-IoT получит популярность среди операторов, т.к. ее обслуживание и эксплуатация обойдется им дешевле, чем передовых на сегодняшних день сетей LTE и GSM. Это обусловлено ее характеристиками. Стандарт NB-IoT представляет собой двустороннюю связь, действующую в частотном канале шириной 200 кГц. Для того, чтобы запустить сеть в эксплуатацию, оператору всего лишь необходимо установить на базовой станции специальное программное обеспечение. Это актуально, если развертывать IoT-сеть уже на существующих частотах.

3GPP продумывает модель функционирования сети. Консорциум предлагает три варианта развертывания NB-IoT сети. Первый – это NB-IoT Guard Band, т.е. для Narrowband IoT будет выделен отдельный частотный спектр. Второй – это In Band, т.е. технология будет размещена в защитном частотном интервале сетей LTE. Третий – получил название Stand Alone. Согласно его концепции, NB-IoT и LTE работают в одном частотном диапазоне. Таким образом, сеть NB-IoT можно развернуть в частотных диапазонах, в котором в настоящее время функционирует стандарт GSM, после их рефарминга в LTE, или в «защитных» интервалах между сетями GSM и LTE. Скорость передачи данных в NB-IoT достигает 200 кбит/с, что является достаточным для устройств, периодически передающих однотипные данные небольшого объема.

В упрощенном виде варианты развертывания NB-IoT сети можно представить в виде следующей иллюстрации:

В свою очередь разработчики обещают, что срок службы элемента питания оборудования NB-IoT без подзарядки будет достигать 10 лет!

Ожидается, что цена терминала NB-IoT составит $5.

Следующей важнейших особенностей технологии NB-IoT является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тысяч устройств NB-IoT, что в десятки раз превышает возможности действующих стандартов мобильной связи. Это позволяет получить дополнительную коммерческую выгоду на основе применения анализа IoT-данных методами больших данных (Big Data). В рамках сотрудничества со смежными отраслями операторы, в дополнение к продаже услуг связи, получают возможность продавать аналитические данные третьим лицам.

Такие преимущества стандарта NB-IoT позволяют значительно увеличить зону покрытия, обеспечив связь труднодоступных местах и регионах.

Проблемы и перспективы развития NB-IoT

Многие отрасли деятельности проявляют интерес к продуктам IoT, которые повышают эффективность бизнес-процессов. В первую очередь это ЖКХ, транспортная сфера, здравоохранение, автомобильная промышленность и др.

Интернет вещей предусматривает более пятидесяти вариантов использования, включая интеллектуальные датчики (на электричество, газ, воду), управление объектами, системы охранной и пожарной сигнализации для дома и коммерческой недвижимости, персональные датчики «электронного здоровья», системы отслеживания людей, животных или предметов, элементы инфраструктуры «умного» города (например, уличные лампы или мусорные контейнеры, «умного» дома и подключенные промышленные инструменты и т. п.).

Аналитики полагают, что именно В2В-сегмент станет движущей силой развития Интернета вещей и именно он будет проявлять наибольший интерес к данным продуктам на первом этапе их коммерциализации. Это также объясняется тем, что зашить в комплектацию «умного» устройства структурированную бизнес-процедуру проще, чем потребности частного пользователя. Ожидается, что объем рынка узкополосного (Narrowband) IoT к 2022 году достигнет порядка 200 млн. долл.

Специалисты называют различные цифры о количестве подключенных в ближайшие 4-6 лет IoT-устройств. Сложность прогнозирования объясняется тем, у Интернета вещей большой потенциал в промышленной сфере, которая является достаточно энергоемкой и требует большого числа подключенных устройств.

Ожидается, что первые тесты стандарта NB-IoT начнутся на границе 2016-2017 гг. Говорить о коммерческом развертывании подобных сетей пока рано. Это связано не только с недостатком электронных компонентов и проблемами распределения выделенных частот, но и с регуляторными механизмами. Представители Huawei отмечают, что на сегодняшний день у России нет причин оставаться позади развития технологии. Федеральные операторы достаточно прочно внедрили сети LTE, что очень важно для прогрессирования Narrowband IoT. Среди мировых разработчиков стандарта NB-IoT, помимо Huawei, можно назвать Qualcomm, Intel Corporation, Nokia Networks, Verizon, Samsung Group, AT&T и другие.

Учитывая, что стандарт NB-IoT только сформирован, их концепция еще оттачивается. Ряд разработчиков планируют расширить функционал сети в последующих релизах голосовым сервисом, т.к. скорость работы сети позволяет это сделать. Также, скорее всего, NB-IoT станет одной из составляющих спецификации сетей (Narrowband 5G).

Тестирования сетей NB-IoT

Летом текущего года компания u-blox объявила о выпуске первого в своем роде модуля для сетей NB-IoT. Он поддерживает сервисы, для работы которых необходимо надежное соединение и продолжительная передача небольших данных. Разработчики заявляют, что элемент питания прослужит без подзарядки от 10 до 20 лет. Размер устройства составляет 1,6х2,6 см, а предельная скорость входящего потока – 227 Кбит/с. U-blox сообщила об успешных испытаниях оборудования, подтвердивших большую эффективность NB-IoT по сравнению с GPRS .

Данная компания уже «засветилась» сенсациями в развитии стандарта Narrowband IoT в прошлом году. В партнерстве с Huawei и Vodafone было организовано первое в истории тестирование пре-стандарта NB-IoT. Эксперимент проводился на сети Vodafone с помощью крепления на базовую станцию специального модуля, который подал сигнал на водный счетчик. Партнеры намерены расширить сферу применения технологии. Например, в планах Huawei развернуть данный стандарт для организации мобильной связи. Однако для этого необходимо подтвердить низкую чувствительность сети NB-IoT к внешним помехам.

С целью популяризации и развертывания стандарта NB-IoT, Huawei в начале этого года подписало соглашение о намерениях с компанией TIM. Партнеры создают открытую лабораторию для организации работ над узкополосным IoT и проведения испытаний в полевых условиях.

Очевидно, что спрос на данную технологию будет расти, т.к. ее характеристики соответствуют рыночным тенденциям и потребительским потребностям. Она предоставляет широкое покрытие (в том числе в подвальных помещениях), энергосбережение, возможность подключения большого количества устройств и низкую стоимость их обслуживания.

Более подробную информацию о технологических решениях Интернета вещей в сетях мобильной связи (в частности, NB-IoT), эволюции сетей M2M к IoT в спецификациях 3GPP, а также о других технических особенностях работы сетей мобильной связи читайте в книге "Мобильная связь на пути к 6G ".

Решения для телеметрии и телемеханики применяются уже больше столетия, но с появлением модного термина «Интернет вещей» поток инвестиций в данную область существенно увеличился. Одно из новых направлений - территориально распределенные сети LPWAN, обеспечивающие беспроводное подключение устройств с очень щадящим режимом энергопотребления: автономная работа от аккумуляторов до 10 лет. Внедрение LPWAN открывает множество перспектив для всех игроков рынка беспроводных сетей передачи данных, поэтому неудивительно, что эта тема стала одной из основных на прошедшей в сентябре конференции «БЕСЕДА», традиционно организуемой компанией CompTek.

Существует множество прогнозов относительно роста числа подключенных «вещей», причем указываемые в них цифры могут отличаться на порядок. Так, скажем, эксперты Gartner полагают, что к 2020 году будет насчитываться «всего» около 21 млрд подключенных устройств, а в Intel исходят из того, что их будет в десять раз больше - 200 млрд.

Ввиду таких расхождений, в качестве «отправной точки» лучше всего взять достаточно сдержанный прогноз Ericsson Mobility Report. Согласно этому документу, общее число подключенных устройств в период с 2015 по 2021 год вырастет примерно в два раза: с 15 до 28 млрд штук, - причем в нем учитываются и традиционные средства для связи «человек - человек» (мобильные и фиксированные телефоны), а также для работы в Сети (ПК, ноутбуки, планшеты). По данным J’son & Partners Consulting, «общее число подключенных устройств в распределенных системах телеметрии России» за рассматриваемый период также увеличится примерно в два раза: с 16,1 до 32,6 млн штук. Хотя аналитики Ericsson и J’son & Partners использовали разные критерии для оценки, даже по грубой прикидке видно, что российский рынок IoT составляет существенно менее 1% от общемирового.

Интересно отметить, что, согласно Ericsson Mobility Report, в 2015 году общее число традиционных коммуникационных устройств (10,1 млрд штук) более чем в два раза превосходило число подключенных «вещей» IoT (4,6 млрд штук). В 2021 году расклад сил изменится уже в пользу IoT: 15,7 против 11,8 млрд устройств. При этом число традиционных средств связи будет увеличиваться лишь на несколько процентов в год, тогда как число подключенных вещей - более чем на 20% (см. рис. 1).

В исследовании Ericsson Mobility Report отдельно учитываются устройства IoT, подключенные через сети сотовой связи (cellular IoT) и с помощью других технологий беспроводной связи (non-cellular IoT). Последних в 2015 году было примерно в 10 раз больше. Подобное соотношение сохранится и в 2021 году.

Как считают многие эксперты, беспроводное подключение «вещей», распределенных по большой территории, будет в основном осуществляться посредством сетей с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area Network, LPWAN). Еще каких-то пять лет назад такого термина не существовало вовсе, а сейчас это наиболее перспективное решение для IoT (см. рис. 2). В отличие от классических систем сотовой связи, LPWAN специально разрабатывались в расчете на Интернет вещей и обеспечивают столь важные для этого применения характеристики:

• низкую стоимость оборудования самой сети, а также микросхем для конечного устройства,
• малое энергопотребление, а значит, длительное время автономной работы от аккумуляторов (до 10 лет и более).

Для построения сетей LPWAN уже разработано множество технологий, в том числе в России, однако в глобальном масштабе тремя основными считаются LoRa, Sigfox и NB-IoT. Поскольку Sigfox пока никак не представлена в России, в этом материале сосредоточимся на рассмотрении двух оставшихся.

LORA: КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Технология LoRa была представлена в начале 2015 года компанией Semtech и исследовательским центром IBM Research. Она опирается на метод модуляции LoRa, запатентованный компанией Semtech, а также открытый сетевой протокол Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN). Модуляция LoRa основана на технологии расширения спектра (Spread Spectrum Modulation) и вариации линейной частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS). Такое решение обеспечивает высокую устойчивость связи на больших расстояниях. Модуляция LoRa определяет физический уровень сети радиодоступа, которая может иметь различную топологию: ячеистую (mesh), звезда, «точка - точка» и др.

Развитием технологии LoRaWAN (см. рис. 3) занимается некоммерческая организация LoRa Alliance, в которую входят такие компании, как IBM, Semtech, Cisco, Actility и др. В ноябре 2015 года LoRa Alliance представила программу сертификации для обеспечения гарантированной совместимости оборудования LoRa разных производителей.

Зона охвата базовой станции (шлюза) в сети LoRaWAN составляет до 20 км, скорость передачи данных - от 290 бит/с до 50 Кбит/с (см. табл. 1). Заявленная продолжительность автономной работы конечного устройства (при использовании аккумулятора емкостью 2000 мА×ч) - 105 месяцев, то есть почти девять лет.

ЭВОЛЮЦИЯ РЕШЕНИЙ 3GPP ДЛЯ IOT

Технологию NB-IoT следует рассматривать в контексте движения отрасли сотовой связи к Интернету вещей. Ее основной орган по стандартизации 3GPP начал прорабатывать эту тему еще несколько лет назад - в выпущенном в 2012 году Release 11 появился ряд функций для машинных коммуникаций (Machine Type Communications, MTC). В Release 12 (2015 год) для MTC определено так называемое устройство Категории 0 (Category 0) с одной антенной и другими упрощениями.

В результате для LTE оказалось специфицировано девять категорий пользовательских устройств с различными возможностями и поддерживаемыми скоростями передачи данных. До появления Категории 0 устройствами с наиболее ограниченной функциональностью были устройства Категории 1, для которых не была предусмотрена возможность использования нескольких пространственных потоков (отсутствие поддержки MIMO), а максимальная скорость передачи составляла «всего» 10 Мбит/c в нисходящем канале. Для сравнения: для устройств Категории 5, поддерживающих MIMO 4x4, максимальная скорость в 30 раз больше - 300 Мбит/с (см. табл. 2). При определении Категории 0 ее возможности были существенно урезаны даже в сравнении с Категорией 1: максимальная скорость 1 Мбит/c, полудуплексный режим передачи.

В спецификациях Release 13, опубликованных в 2016 году, предприняты дальнейшие шаги по поддержке приложений IoT, в том числе меры по снижению стоимости устройств, расширению покрытия и увеличению времени автономной работы. В частности, определена Категория M1 (для ее обозначения также используются аббревиатуры eMTC и LTE-M). Для снижения энергопотребления наряду с технологией Power Saving Mode (PSM), которая была определена и для категорий 0 и 1, предусматриваются механизмы Extended Discontinuous Reception (Extended DRX, eDRX). Указанные технологии позволяют снизить частоту обмена обязательными служебными сообщениями, оптимизировать интервалы приема и получения информации, а также поддерживать длительные периоды «молчания» (когда устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию).

В этом контексте следует также упомянуть, что в Release 13 в части дальнейшего развития технологии GSM был определен режим EC-GSM-IoT (или просто EC-GSM). В нем также используются механизмы PSM и eDRX. Помимо этого, предусматривается возможность многократного повторения передаваемой информации для улучшения покрытия (+20 дБ) по сравнению с традиционными системами GSM. В EC-GSM упрощена система сигнализации (исключена та часть, которая обеспечивает совместную работу с сетями WCDMA/LTE), усовершенствованы механизмы аутентификации и обеспечения безопасности соединений и пр. При использовании несущей шириной 200 кГц (в полосе GSM 900 и 1800 МГц) технология EC-GSM-IoT обеспечивает максимальную скорость 240 Кбит/с и позволяет обслуживать до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции.

Примерно схожие характеристики (до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции, скорость до 250 Кбит/с) имеет и определенная в Release 13 технология Narrowband IoT (NB-IoT). Но если LTE-M и EC-GSM-IoT предусматривают максимальную совместимость с инфраструктурой, уже имеющейся у операторов сотовой связи, и могут быть развернуты путем обновления ПО на существующих сетях LTE и GSM соответственно, то NB-IoT - это относительно новое направление развития решений для IoT в рамках 3GPP, хотя оно и предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE. В данном случае предлагается новый тип радиодоступа, характеристики которого существенно отличаются от характеристик имеющихся систем. Как полагают ряд экспертов, переработка протоколов канального уровня в NB-IoT позволит значительно (до 90%) снизить стоимость соответствующих устройств NB-IoT по сравнению с устройствами LTE Категории M1 (см. рис. 4). Многие известные производители, включая Ericsson, Huawei, Nokia, Intel и Qualcomm, уже заявили о поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах.

LORA В СРАВНЕНИИ С NB-IOT

Системы LoRa используют нелицензируемый частотный диапазон и асинхронный протокол, который является оптимальным для снижения стоимости оконечных устройств и повышения времени автономной работы. Но они не способны обеспечить столь же высокое качество обслуживания (QoS), как синхронные протоколы сотовой связи, которые выделяют гарантированные временные слоты для передачи информации. Поэтому для тех приложений, которым требуется гарантия QoS (в том числе малая задержка), лучше подходят технологии поддержки IoT, разрабатываемые сообществом операторов сотовой связи. Они же предпочтительнее для приложений, которым нужен интенсивный обмен сообщениями и/или большой объем передаваемых данных. Там же, где на первом месте стоят низкая стоимость, длительное время автономии и необходимость поддержки большого числа устройств, разбросанных по значительной территории, LoRa оптимальна.

При анализе времени автономной работы устройства необходимо учитывать два важных фактора: собственное энергопотребление устройства и специфику работы коммуникационных протоколов. Асинхронная природа протокола, применяемого в сетях LoRaWAN, означает, что большую часть времени устройство может находиться в «спящем» режиме - до тех пор, пока оно не потребуется приложению. В сотовом мире применяются синхронные протоколы, а значит, устройство должно периодически обмениваться служебными сообщениями с сетью, даже если оно не требуется пользователю. Скажем, типичный сотовый телефон каждые 1,5 секунды должен синхронизироваться с сетью. При использовании механизмов NB-IoT синхронизация производится реже, но все равно регулярно, на что расходуется энергия аккумулятора.

Применяемые в сотовой связи алгоритмы модуляции (OFDM или FDMA) нацелены на максимально эффективное использование частотных ресурсов, но не на эффективное расходование ресурсов аккумулятора. Эти алгоритмы требуют использования линейного передатчика (усилителя), который потребляет значительно более высокий пиковый ток, чем передатчики с нелинейной модуляцией, применяемые в системах LoRa. Более высокий пиковый ток, очевидно, ведет к более быстрому расходованию ресурсов аккумулятора.

Поскольку протокол LoRaWAN значительно проще используемых в NB-IoT, значит, его проще и дешевле реализовать, в том числе на базе недорогих, широко распространенных контроллеров. Более сложная схема модуляции и протокол NB-IoT требуют более дорогих микросхем. Модули LoRaWAN уже широко доступны и на западных рынках стоят порядка 7–10 долларов, причем, как полагают эксперты, по мере расширения масштабов внедрения, развития экосистемы и повышения массовости производства цена таких модулей может снизиться до 4–5 долларов. Стоимость выпускаемых сегодня модулей LTE оценивается в 20 долларов.

При сравнении LoRa и NB-IoT также важна такая характеристика, как зона обслуживания (покрытия) сети. Преимуществом NB-IoT является то, что существующая инфраструктура сотовой связи может быть модернизирована для поддержки этой технологии - хотя это может оказаться возможным только для определенных моделей базовых станций и стоить недешево. Однако вариант с модернизацией имеет право на существование только в городах с хорошим покрытием сетями 4G/LTE. Далеко не во всех пригородах, а уж тем более сельских районах имеется развитая инфраструктура LTE.

Одним из преимуществ LoRa является то, что соответствующие решения могут быть развернуты не только в сетях общего пользования, но и в частных или корпоративных сетях. За границей довольно много крупных компаний планируют реализовать гибридную модель: наряду с использованием ресурсов сети LPWAN общего пользования дополнительно построить свою (корпоративную) сеть для обслуживания отдельных зон.

При развертывании сети LoRaWAN могут использоваться как вышки сотовой связи, так и другие места установки: например, промышленные шлюзы можно размещать на производственных площадках, а небольшие пикошлюзы - прямо на домах. Стоимость шлюза для размещения на вышке оценивается в 1000 долларов, промышленного шлюза - примерно в 500, шлюз для пикосоты может стоить всего около 100 долларов. Затраты на модернизацию базовой станции 4G LTE для поддержки NB-IoT, по оценкам экспертов, могут составить более 10 тыс. долларов.

Спецификация NB-IoT опубликована в июне 2016 года, однако выпуск первых микросхем для конечных устройств с поддержкой этой технологии запланирован только на 2017 год. Затем потребуется время на тестирование, организацию массового производства продуктов NB-IoT, запуск сетей в коммерческую эксплуатацию. Иначе говоря, пройдет еще пара-тройка лет до тех пор, пока NB-IoT станет реальностью. Решения LoRa уже доступны. Они опробованы, а соответствующие сети находятся в коммерческой эксплуатации в ряде стран, в том числе в национальном масштабе.

СИТУАЦИЯ В РОССИИ

Российские операторы сотовой связи, как и операторы других стран, очевидно, делают ставку на разработки для IoT организации 3GPP. Так, в июле 2016 года компания «МегаФон» объявила о планах развертывания технологии NB-IoT совместно с компанией Huawei. В рамках выставки «Иннопром-2016» партнеры продемонстрировали один из примеров применения нового стандарта NB IoT - «умную» парковку. На конец года планируется пилотный запуск такой парковки в Москве.

По мнению специалистов «МегаФона», NB-IoT - это наиболее подходящее решение LPWAN для предприятий различных отраслей, c помощью которого можно подключать к сети оператора счетчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одним из достоинств технологии является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тыс. устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. При этом использование низкочастотного диапазона позволяет обеспечить покрытие таких труднодоступных мест, как цокольные помещения, подвалы и т. д. По оценке «МегаФона», счетчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи установленным в подвальном помещении.

Другой ведущий оператор, МТС, в июне 2016 года на полях ХХ Петербургского международного экономического форума объявил о подписании соглашения с Ericsson, в рамках которого компании, в частности, планируют протестировать технологию EC-GSM-IoT, обеспечивающую работу М2М-устройств на уже существующих сетях МТС. Как отмечают специалисты МТС, новый радиоинтерфейс позволит многократно увеличить количество работающих в сети устройств M2M, а за счет роста чувствительности радиомодулей удастся в семь раз расширить радиус действия базовой станции и снизить энергопотребление устройств. Кроме того, утверждается, что внедрение EC-GSM-IoT не потребует масштабной замены оборудования связи - в большинстве случаев можно обойтись обновлением ПО на узлах радиосети.

Сети LoRa в России развивают несколько компаний: Lace, «Сеть 868», «Лартех Телеком». Так, например, сеть IoT Lace функционирует с начала 2015 года в Москве и Санкт-Петербурге. В сентябре 2015 года компания объявила о расширении зоны своего покрытия на города Воронеж, Екатеринбург, Иннополис, Казань, Красноярск, Калининград, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Ставрополь, Тверь, Челябинск, Ярославль. Планы у компании амбициозные: «полное покрытие всей территории России».

Как нам сообщили в базирующейся в Краснодаре компании «Лартех Телеком», в этом городе уже развернуто около 20 базовых станций LoRa, что с учетом большой зоны охвата означает покрытие значительной части территории. Кроме того, станции LoRa этой компании развернуты в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове, Самаре, Барнауле и других городах.

В феврале 2016 года компании Lace, AURORA Mobile Technologies (поставщик компонентов и готового оборудования для беспроводных коммуникаций и навигации, проектировщик и производитель таких систем) и «Тоэс» (проектировщик и оператор систем АСУТП тепло- и водоснабжения) провели в Твери тестирование системы мониторинга сетей и объектов тепло- и водоснабжения на базе LoRaWAN в условиях плотной застройки. По итогам успешного эксперимента принято решение интегрировать модемы LoRa c используемыми термопреобразователями и датчиками давления в единое устройство.

Кроме того, в России развиваются сети LPWAN, построенные на базе отечественных разработок. В сентябрьском номере «Журнал сетевых решений/LAN» уже рассказывал о проекте «Стриж» (см. статью автора « »). Оригинальную технологию построения сети LPWAN представила на конференции «БЕСЕДА» компания «Телекан». Она предлагает строить IoT-инфраструктуру «умного» города на основе решения «умного» освещения, что позволит существенно сократить расходы на такую инфраструктуру. Разработанные «Телеканом» микробазовые станции встраиваются непосредственно в светильники городского освещения (см. рис. 5), причем это может осуществляться в процессе плановой замены устаревающих светильников и перехода на более современные и экономичные источники света.

«Телекан» разработал собственную технологию беспроводной связи Lumiot, в перспективе планируется также поддержка LoRa. Одна базовая станция Lumiot обеспечивает работу до 2000 устройств в радиусе до 4 км. Управление устройствами, сбор и визуализация данных из разных источников осуществляются в облаке, для подключения к которому базовых станций применяется GSM. На данном этапе решение «Телекана» тестируется в городах России и СНГ.

Как полагает Виталий Солонин, руководитель департамента беспроводных технологий J’son & Partners Consulting, 2017 год пройдет под знаком конкурентной борьбы между операторами сотовой связи за проекты IoT для крупных госкомпаний и корпоративных заказчиков. Кроме того, за этих заказчиков будут бороться как крупные игроки ИТ-рынка (Cisco, HP, SAP, Microsoft и т. д.), так и стартапы рынка LPWAN. Последние пока работают в основном на рынке ЖКХ и в проектах «умного города».

Александр Барсков , ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN»

Группа Vodafone, Huawei и u-blox с успехом завершили первое коммерческое тестирование предварительного стандарта узкополосной технологии для Интернета вещей (Narrowband Internet of Things; NB-IoT). Для опыта использовалась коммерческая сеть Испанского телеком-оператора, на базовую станцию которой был установлен специальный модуль. Затем первый сигнал пре-стандарта NB IoT был послан на модуль счетчика воды. Однако счетчиками воды новая технология ограничена не будет, говорят эксперты. Она будет широко применятся в различных датчиках и в трекерах для отслеживания каких-либо транспортных средств или имущественных активов.

Технологии Huawei оказались первыми опробованными в новом пре-стандарте NB-IoT. Компания планирует и впредь развивать узкополосную связь в диапазонах сотовой связи. Ожидается, что компания сможет лицензировать NB-IoT, доказав безопасность ее использования, меньшую чувствительность такой сети к различным помехам, что обеспечит лучший сервис для пользователей.

Так, новая технология NB-IoT сможет, благодаря низкому энергопотреблению, широкому охвату сети, обеспечить большую автономную работу устройств, более надежно, по сравнению с другими существующими технологиями, хранить пользовательские данные. Также NB-IoT, как часть LPWA*-технологии, позволит устройствам работать от одного небольшого аккумулятора в течение десяти лет, получать сигнал от счетчиков, расположенных в подвальных помещениях и отдаленных районах и т.д.

«Vodafone является лидером в области разработки NB-IoT и LPWA-технологий в лицензированном спектре, который приобрел множество партнеров для индустрии IoT. Завершение первого коммерческого испытания с нашими партнерами является еще одним свидетельством этого. Коммерческое использование NB-IoT позволит нашим корпоративным клиентам получить ощутимые преимущества благодаря подключению массива дистанционно функционирующих IoT-устройств», - рассказал Мэтт бил (Matt Beal), директор по инновациям и архитектуре Группы Vodafone.

«NB-IoT уже признана в отрасли связи. Мы создали совместные инициативы с Vodafone и стремимся предоставить инновационные решения, чтобы помочь клиентам в достижении их бизнес-задач и руководить развитием технологий и промышленности в их экосистемах», - сообщил Дэвид Ванг (David Wang), президент подразделения Huawei Wireless Network.

Андреас Тиль (Andreas Thiel), исполнительный директор подразделения сетевых решений компании u-box так прокомментировал итоги тестирования новой сети: «Это сотрудничество демонстрирует, что u-blox в плане технических знаний является ключевым игроком рынка Интернета вещей».

Компании намерены продолжить испытание сети и проверку концепции пре-стандарта NB-IoT в реальных условиях. Ожидается, что спецификация технического стандарта NB IoT будет принята 3GPP (3rd Generation Partnership Project; консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии) в начале 2016 года в качестве релиза номер 13.

* Глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWA) открывают новые возможности использования технологии интеллектуального межмашинного обмена (M2M), когда затраты на соединение выражаются в долларах в год, а не в месяц. Такие сети стремятся охватить гораздо большие пространства по сравнению со стандартными сотовыми сетями, и гораздо более энергоэффективны по сравнению с обычными сетями. Они широко распространены для таких сфер, как медицина, мониторинг перевозок, ЖКХ, противопожарных системах.