Обзор технологий non-cellular LPWAN

Введение в LPWAN


LPWAN, Low-power Wide-area Network (энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия) — семейство технологий беспроводной передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанных для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и Интернета вещей. Беспроводные технологии LPWAN обеспечивают среду передачи данных от различного конечного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров. В основе передачи данных LPWAN систем лежит принцип увеличения энергетики, а значит и дальности связи при уменьшении скорости передачи. Чем ниже битовая скорость передачи, тем больше энергии вкладывается в каждый бит и тем легче выделить его на фоне шумов на приёмной стороне. Таким образом, низкая скорость передачи данных позволяет добиться большей дальности распространения радиосигнала, и, как следствие, увеличения радиуса действия принимающей станции. Полученные на сервере данные от конечных устройств используются для отображения, анализа, построения отчетов и принятия решений. Управление устройствами и обновление программного обеспечения происходит с использованием обратного канала связи.
Технологии LPWAN идеально подходят для соединения устройств, которым требуется передавать малые объемы данных на большие расстояния, сохраняя при этом длительный срок службы батареи. Некоторые приложения Интернета вещей только передают незначительные объемы информации. Низкое энергопотребление таких устройств позволяет решать задачи с минимальной стоимостью и отсутствием необходимости частой замены батареи.
Особенности LPWAN:

  • Большое расстояние – конечные устройства могут располагаться на расстоянии до 10 км от шлюза, в зависимости от используемой технологии.
  • Низкая скорость передачи данных – менее чем 5кбит/с. Часто только 20-256 байт в сообщении, посылаемом несколько раз за день.
  • Низкое энергопотребление – позволяет использовать батарею в течение длительного времени без замены, период работы от одной батареи – до 10 лет.

Подход, используемый для построения LPWAN-сети, схож с принципом работы сетей мобильной связи. LPWAN-сеть использует топологию «звезда» в отличие от некоторых технологий Short Range, использующих mesh-структуру сети, где каждое устройство взаимодействует с базовой станцией напрямую. Недостатки mesh-сетей связаны с тем, что динамический диапазон данных соединений очень сильно ограничен в связи с высокой скоростью передачи и низкой чувствительностью приемника. Некоторые ZigBee соединения имеют проблемы с отправкой данных более чем на 20-30 метров, в связи с малой мощностью передатчика и как следствие – сильным затуханием. Кроме того, для создания надежной mesh-сети необходимо использование достаточного большого количества элементов.
Конечное устройство (модем) с LPWAN-модулем передает данные по радиоканалу на базовую станцию. Станция принимает сигналы от всех устройств в радиусе своего действия, оцифровывает и передаёт на удалённый сервер, используя доступный канал связи: Ethernet, сотовая связь, VSAT.

Технологии non-cellular LPWAN


Ниже перечислены основные технологии non-cellular LPWAN:
1. «СТРИЖ» — российская технология энергоэффективной связи, разработанная компанией «СТРИЖ Телематика». Работает на частотах 868 МГц с использованием узкополосной модуляции радиосигнала. Включает полных стек OSI, от физического до прикладного уровня. На базе данной технологии «СТРИЖ Телематика» разворачивает LPWAN-сеть в России и странах СНГ. Метод модуляции – DBPSK, ширина полосы канала – 100 Гц, скорость передачи данных – 50..25000 бит/с.
2. LoRa, Long Range — энергоэффективная сетевая технология, представленная исследовательским центром IBM Research и компанией Semtech. Использует широкополосное кодирование на физическом уровне. Работает в субгигагерцовых диапазонах ISM (industrial, scientific and medical radio bands) нелицензированных частот. MAC-уровень обеспечивается использованием стандарта LoRaWAN. Метод модуляции – Spread spectrum modulation + chirp spread spectrum (CSS), ширина полосы канала – 125 кГц, скорость передачи данных – 0,3..50 кбит/с.
3. SigFox — французская компания, развивающая одноименный стандарт, использующий технологию Ultra Narrow Band (UNB). Разворачивает LPWAN-сеть на территории Европы на частоте 868 МГц.
4. Weightless — группа открытых технологических стандартов связи LPWAN, развиваемых некоммерческой организацией Weightless SIG. В настоящее время доступны 3 стандарта — Weightless-N, Weightless-P и Weightless-W. Используются нелицензированные частоты субгигагерцового диапазона.
5. RPMA — Random Phase Multiple Access, технология, работающая в диапазоне 2,4 ГГц от американской компании Ingenu.

Помехоустойчивость


Для обеспечения большой дальности действия в беспроводной связи необходимо обеспечить значительный динамический диапазон приемопередатчика. Динамический диапазон для LPWAN устройств составляет порядка 140-160 дБ. В основном это достигается высокой чувствительностью приемника, которая находится на уровне -130 dBm и менее. Чем ниже модуляция, тем выше чувствительность приемника. Теорема Шеннона-Хартли (или теории информации) гласит, что энергия на символ или энергия на бит является основным рычагом для изменения возможности приема сообщения. Снижая уровень модуляции, вы увеличиваете энергетику каждого символа и, как следствие – чувствительность приемника. В качестве примера можно привести технологию SigFox, использующую узкополосные сигналы (100 Гц) с модуляцией BPSK и скоростью передачи 300 бит/с (ничтожно мало по современным человеческим меркам). Приемник может детектировать такие сигналы при соотношении СИГНАЛ/ШУМ (SNR) порядка +10дБ.
Одним из способов повышения эффективности передачи информации является расширение спектра и использование сигналов с большой базой. Расширение спектра позволяет передавать данные по каналам со значительными линейными искажениями (замираниями) и при отрицательных значениях СИГНАЛ/ШУМ (SNR). Например, технология LoRa позволяет принимать сигнал с уровнем SNR до -20дБ.
Энергия шума приемника на входе приемника (а, следовательно, и SNR) определяется двумя вещами – шириной полосы сигнала и спектральной плотностью мощности шума. Так, в полосе частот 100 Гц уровень теплового шума составляет порядка -154dBm, что означает, что, если для детектирования BPSK сигналов требуется обеспечить уровень SNR=+10dB чувствительность приемника должна составлять -144dBm (=10dB-154dBm). В полосе частот 125кГц уровень теплового шума будет уже около -123dBm. Следовательно, для достижения уровня SNR=–20dB, необходимого для детектирования сигналов LoRa, чувствительность приемника должна составлять -143dBm (=-20dB-123dBm). Таким образом, сделанная грубая оценка показывает, что теоретическая помехоустойчивость узкополосных и кодированных сигналов (в присутствии белого гауссовского шума) одна и та же.
Однако, узкополосные помехи (которые весьма вероятны в ISM диапазонах) могут сделать полностью невозможным детектирование таких сигналов, как BPSK (если мешающий сигнал попадает четко внутрь полезного канала). При использовании же кодированных сигналов узкополосная помеха просто добавляется к общему шуму в полосе частот, увеличивая его общий уровень.
Значимым понятием, определяющим емкость и помехоустойчивость системы, является ортогональность. Два сигнала считаются ортогональными, когда их скалярное произведение, а значит и взаимная корреляционная функция равна 0. Ортогональность позволяет обнаружить несколько потоков данных в одном и том же канале в одно и то же время. Это свойство присуще только кодированным каналам, и позволяет получать хорошую спектральную эффективность для систем с широким спектром (например, LoRa).
Какая система лучше? Это зависит от специфики кейса. Данный вопрос широко обсуждается в сообществе LPWAN.

Диапазоны частот


Большинство имеющихся LPWAN технологий используют не лицензируемый диапазон – ISM (Industrial, Scientific and Medical), однако допускают работу и в лицензируемом диапазоне частот.
В августе 2015 года GSMA объявила о планах стандартизации технологии LPWAN на лицензированном спектре. Это предложение получило одобрение и поддержку со стороны таких компаний, как AT&T, Bell Canada, China Mobile, China Telecom, China Unicom, Deutsche Telekom, Etisalat, KDDI, NTT DOCOMO, Ooredoo, Orange, Singtel, Telecom Italia, Telefonica, Telenor, Telstra и Vodafone (данные Telecom TV4).
Существенный недостаток использования LPWAN технологий в нелицензированном диапазоне частот заключается в отсутствии доступности одинакового спектра по всему миру. В каждой стране существуют разные правила использования субгигагерцового спектра. Обычно существуют два лагеря: те, которые ориентируются на Европу (868 МГц), и те, кто ориентируется на США (915 МГц). Полоса частот 915 МГц свободна приблизительно в одной трети стран, и большинстве стран данный диапазон занят. При этом, многие страны добавили специальные ограничения, которые делают стандартизацию в данном диапазоне практически невозможной. Пока эта проблема не будет решена, для технологий LPWAN отсутствует глобально доступная полоса, например, на уровне 2.4 ГГц (как для Bluetooth и Wi-Fi).

Определение местоположения


Измерение местоположения радиочастотного сигнала осуществляется, по существу, по времени получения сигнала от передатчика, находящегося в прямой видимости. Поэтому для измерения времени получения (и соответственно расстояния) необходимо иметь сигнал, приходящий по прямому пути.
Большинство решений в LPWAN не находятся в прямой видимости от шлюза; они принимают переотраженные сигналы. Это хорошо для приема данных, поскольку позволяют принимать слабые сигналы, которые часто переотражаются, но это также означает, что технологии LPWAN не предназначена для определения местоположения. К сожалению, никакое усреднение не может изменить это. Усреднение может помочь, если объект движется (в пространстве и в частоте), но в большинстве систем LPWAN ни то, ни другое не происходит.
Из-за этих ограничений тем, кто нуждается в возможностях локализации, рекомендуется использовать GPS, Wi-Fi или RFID.

Выводы по технологии non-cellular LPWAN


Преимущества LPWAN

  • Большая дальность передачи радиосигнала, 10—15 км, по сравнению с Short Range беспроводными технологиями, используемыми для телеметрии, например, ZigBee.
  • Низкое энергопотребление конечных устройств, благодаря минимальным затратам энергии на передачу небольших пакетов данных.
  • Высокая проникающая способность радиосигнала в городской застройке при использовании частот суб-гигагерцового диапазона.
  • Отсутствие необходимости получения частотного разрешения и платы за радиочастотный спектр, вследствие использования нелицензированных частот (ISM band).
  • Недостатки LPWAN
  • Относительно низкая пропускная способность. Варьируется в зависимости от используемой технологии передачи данных и составляет от нескольких сотен бит/с до нескольких десятков кбит/с.
  • Задержка передачи данных от конечного устройства до конечного приложения, связанная с временем передачей радиосигнала, может достигать от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.
  • Отсутствие единого стандарта, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных LPWAN-сетей.