Есть вопросы? Звоните +7 (495) 240-82-42

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).

Два ключевых параметра определяют использование беспроводной технологии в той или иной сфере — дальность связи и скорость передачи данных. Например, 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.

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.

Сравнение дальности действия и скорость передачи данных различных беспроводных технологий
LPWAN и другие беспроводные технологии.

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)
  • Абонентская плата, стоимость подключения (subscription costs)
  • Стоимость компонентов (radio chipset costs)

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

Сравнение характеристик беспроводных технологий применяемых для телеметрии
Сравнение характеристик LPWA, 3G, Zigbee

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.

LPWAN-сеть использует топологию «звезда»
LPWAN-сеть, топология «звезда»

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.

LPWAN-сеть. Топология «звезда из звезд».
LPWAN-сеть, топология «звезда из звезд».

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, тепла 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.

Поставщики LPWAN в России и за рубежом

Сегодня на мировом рынке LPWAN работают несколько компаний, которые отличаются рабочими бизнес-моделями, используемыми технологиями и характеристиками предлагаемых решений.

LPWAN-провайдер в России «СТРИЖ Телематика»

«СТРИЖ Телематика» — единственный отечественный производитель LPWAN-устройств и поставщик готовых решений для различных отраслевых секторов.

«СТРИЖ» использует свой собственный LPWAN-протокол связи, в котором применяет запатентованные техники передачи и приема сообщений по узкополосному радиоканалу. Основываясь на опыте реализованных проектов, «СТРИЖ» постоянно улучшает технологию связи. Характеристики и возможности сети адаптируются к реальным условиям использования и потребностям рынка.

Последняя ноу-хау компании — разработка базовых станций на базе графических процессоров NVIDIA CUDA. Производительность станций выросла в более чем 10 раз с 250 000 устройств до 2-5 млн на одну станцию. Ввод в эксплуатацию секторных антенн, разработанных специально для применения в LPWAN-сетях, и новых вычислительных алгоритмов обработки радиочастотного спектра повысил дальность действия сети более чем в два раза: с 10 до 25 километров в городской черте и свыше 50 километров на открытой местности.

Компания разрабатывает LPWAN-решения для ЖКХ, электроэнергетики, аграрной промышленности, сельского хозяйства и безопасности. В разработке находятся решения для других отраслей, где LPWAN-технология позволит применить новый формат обмена данными между устройствами.

Сеть «СТРИЖ» активно расширяется и сегодня насчитывает десятки крупных городов по всей России.

Компания также предлагает разработку собственных LPWAN-решений на базе радиомодулей «СТРИЖ» или трансиверов различных производителей: Texas Instrumetns, Axsem, Semtech, Silicon Labs.

LPWAN Sigfox

Sigfox — французская компания, LPWAN-оператор. Занимается развертыванием LPWAN-сети в Европе. Бизнес-модель основана на предоставлении услуг связи для «умных» устройств. Разработка самих устройств отдается на откуп сторонним производителям на базе радиомодулей различных вендоров.

LPWAN LoRa

LoRa — LPWAN-технология, разработанная компанией Semtech, в основе которой лежит широкополосный метод модуляции сигнала. LoRa объединяет в себе метод модуляции и протокол сетевого взаимодействия LoRaWAN. Для работы в сетях LoRa «умные» устройства должны быть разработаны на базе трансиверов Semtech.

LPWAN Ingenu

Ingenu — американская компания, использующая свой собственный LPWAN-протокол RPMA (Random Phase Multiple Access). В отличие от других технологий, работающих в диапазоне ISM с частотами 868, 433, 915 МГц , RPMA использует частоту сигнала Wi-Fi — 2.4 ГГц. Развивает телематическую сеть в США.

© Copyright 2010 - 2017
«СТРИЖ» — первый провайдер энергоэффективной беспроводной связи класса LPWAN для Интернета вещей