«Когда беспроводная связь будет полностью задействована,
Земля превратится в огромный мозг, способный реагировать во всех своих частях».
Никола Тесла
В 1926 Никола Тесла в интервью для журнала «Collier’s» сказал, что в будущем радио будет преобразовано в «большой мозг», все вещи станут частью единого целого, а инструменты, благодаря которым это станет возможным, будут легко помещаться в кармане. Собственно, это время пришло, и все упомянутое помещается отнюдь не только в кармане.
Концепция Интернета вещей (Internet of Things – IoT), которой сегодня вряд ли кого-нибудь удивишь, впервые была сформулирована в 1999 году основателем исследовательской группы Auto-ID при Массачусетском технологическом институте Кевином Эштоном на презентации для руководства компании Procter & Gamble. В презентации рассказывалось о том, как всеобъемлющее внедрение радиочастотных меток (RFID – Radio Frequency IDentification) сможет видоизменить систему управления логистическими цепями в корпорации. В этом же году был создан Центр автоматической идентификации (Auto-ID Center), занимающийся радиочастотной идентификацией и сенсорными технологиями, благодаря которому эта концепция и получила широкое распространение.
Официальное определение IoT приведено в Рекомендации Международного союза электросвязи МСЭ-Т Y.2060, согласно которому это глобальная инфраструктура информационного общества (GIS), обеспечивающая передовые услуги за счет организации связи между вещами (физическими или виртуальными) на основе существующих и развивающихся совместимых информационных и коммуникационных технологий. Собственно, теперь вещью является абсолютно все от каких-либо датчиков вплоть до человеческих тел, а коммуникационные технологии для передачи данных являются ключевым элементом всей конструкции IoT, что бы о ней не говорили ИТ-корпорации или простые «айтишники».
С развитием технологий автоматизации и существенным удешевлением микроэлектроники, датчики все чаще обретают дополнительный функционал за счет использования микроконтроллеров в своей конструкции, что обеспечивает возможность обмена цифровой информацией с устройствами сбора данных и/или иными датчиками, в том числе с использованием шлюза/маршрутизатора.
МСЭ-Т предусматривает использование для IoT множества сетевых технологий – глобальных сетей, локальных сетей, беспроводных самоорганизующихся (ad-hoc) и ячеистых (mesh) сетей. Указанные сети связи переносят данные, собранные устройствами, к соответствующим программным приложениям, а также передают команды от программных приложений к устройствам.
Часто IoT противопоставляют технологии M2M (Machine-to-Machine - межмашинное взаимодействие) или считают, будто IoT – это исключительно беспроводной доступ, тогда как M2M может работать и по эфиру, и по проводам. Однако в общем виде M2M – это просто соединение и связь между двумя или более устройствами, которые могут осуществляться не обязательно через Интернет. По факту IoT базируется на технологии M2M, которая появилась раньше, чем IoT, и обе эти технологии очень похожи. Можно также сказать, что IoT — это общая сеть вещей, которая объединяет и устройства, и M2Mвзаимодействия между ними.
Иногда также говорят, что IoT – это следующий уровень развития устройств, которые могут объединяться в сеть через интернет или с помощью беспроводных технологий. Впрочем, если вы в Интернете, то вы и так уже в сети, объединившись со всеми остальными. Что же касается беспроводных технологий, то на самом деле у них нет никакого приоритета на IoT, поскольку проводные соединения замечательно работают на благо IoT, являясь к тому же наиболее защищенными от всякого рода помех и нехороших людей, потому что для осуществления вмешательства необходимо получить физический доступ к кабелю.
Ну а самое простое объяснение того, что такое IoT, звучит так: это сеть, в которой общаются между собой не пользователи, а устройства. И если раньше к интернету подключались компьютеры, ноутбуки, смартфоны и планшеты, то теперь к нему можно подсоединить практически любое устройство, куда вставлен, к примеру, процессор: смартчасы, умные бытовые приборы и даже умные кроссовки с носками.
Ну а теперь посмотрим, каким собственно образом умные носки могут продемонстрировать нам свой «ум».
Доступ по проводам
Итак, издавна самый надёжный, безопасный и простой способ передачи данных между устройствами — это физическое соединение кабельным/проводным каналом связи. Зачастую датчики штатно имеют в своей конструкции разъёмы Ethernet, обеспечивающие подключения в том числе и по оптическому каналу. Современные проводные сети используют, как правило, витую пару и порты стандарта RJ-45, а также стандарты:
Указанные выше стандарты сохраняют свои характеристики при длине медного кабеля до 100 м, а с оптическим кабелем расстояния могут быть гораздо больше.
В 1990 выпускник MIT, один из «отцов» протокола TCP/IP, Джон Ромки, создал первую в мире интернет-вещь, подключив к сети свой тостер. Ну а в технологичном доме Билла Гейтса, как писали в СМИ, через интернет работала кофеварка.
PLC
Провода бывают не только телекоммуникационные, что давно привлекало внимание связистов. Возможность передачи данных по линиям электропередачи обеспечивает постоянно совершенствующаяся технология PLC (Power Line Communication). Опять же электропитание берется не из аккумуляторов или батареек, а непосредственно из физической среды. В общем, кое-что из семейства PLC может пригодиться и для IoT.
Существует несколько вариантов классификации PLC-систем. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные (Broadband over Power Lines - BPL) и узкополосные (Narrowband over Power Lines - NPL). Широкополосные системы (со скоростями до 1 Гбит/c) ориентированы на системы высокоскоростного доступа к интернету, на создание домашних компьютерных сетей, а также на приложения, требующие высокоскоростного обмена данными: потоковое видео, системы видеоконференцсвязи, цифровой телефонии и т.д. Узкополосные (низкоскоростные) системы ориентированы на использование в средствах домашней автоматики, в управлении простейшими бытовыми приборами и т.д. В этом случае достаточно значительно меньшей пропускной способности канала (0,1-100 кбит/с). Для конечного пользователя более близка классификация по назначению, по сути, по области применения. Используется также классификация PLC-систем по типу используемых линий электропередачи.
X-10
Технология X-10 была разработана еще в 1978 г. с участием одноименной компании и предназначалась для реализации дистанционного управления простейшими бытовыми приборами. Для передачи цифровых данных в этой технологии используется амплитудночастотная манипуляция. Предусматривается передача радиоимпульсов с частотой заполнения 120 кГц, генерируемых в моменты перехода переменного напряжения частотой 50/60 Гц через нуль (при этом скорость передачи данных на физическом уровне составляет 50/60 бит/с). Такая схема кодирования выбрана не случайно, поскольку при нулевом значении напряжения, как правило, уровень помех уменьшается, а также снижается влияние других устройств, подключенных к электросети.
До сих пор контроллеры и адаптеры, использующие эту технологию для управления бытовыми приборами, выпускаются многими компаниями США и Европы.
CEBus
Стандарт CEBus (Consumer Electronic Bus — шина потребительской электроники) был утвержден в сентябре 1992 г. и продвигается Альянсом электронной промышленности EIA (Electronic Industries Alliance), объединяющим производителей электронного оборудования с целью разработки единых электрических и функциональных спецификаций интерфейсного оборудования. В стандарте предусмотрена передача данных с использованием проводов бытовой электросети, витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная передача в радио- или инфракрасном диапазоне частот. Скорость обмена данными не зависит от выбранной среды передачи данных и составляет в среднем 7,5 Кбит/с. В стандарте CEBus был использован метод передачи данных с расширением спектра (Spread Spectrum — SS).
LonWorks
Стандарт LonWorks, принятый институтом ANSI (American National Standards Institute) в 1999 г., ориентирован на использование в распределенных системах автоматизации зданий, транспортных сетях, системах автоматизации промышленных предприятий. В качестве физической среды передачи в технологии LonWorks предусмотрено использование электропроводки, витой пары, коаксиального кабеля или радиоканала. LonWorks базируется на применении технологии узкополосной передачи данных. В ней реализованы улучшенная цифровая обработка сигналов, эффективный механизм коррекции ошибок и оригинальный алгоритм выбора альтернативных несущих
частот. Максимальная скорость передачи данных в сети LonWorks составляет 1,25 Мбит/с. Протокол LonTalk, лежащий в основе технологии LonWorks, обеспечивает возможность создания сетей с практически неограниченным числом узлов и ориентирован на решение задач автоматизации, когда необходимы высокие надежность и скорость передачи данных.
Впрочем, вернемся к Кевину Эштону и концепции IoT, которая началась-таки с RFID и с тех пор успела серьезно расплодиться.
RFID
RFID подразумевает, что снабженные этой технологией объекты распознаются с помощью радиосигналов. Специальные RFID-метки (транспондеры или теги) появились в 40-х годах XX века, запатентованы были в 80-х и состоят из микрочипа для записи и хранения информации, а также антенны для связи между транспондером и внешним RFID-оборудованием. RFID-метка защищена от внешних воздействий специальной оболочкой и заключена в миниатюрный пластиковый корпус с креплениями к объекту.
На транспондер записываются:
Работает RFID-технология по следующему алгоритму:
Радиометка не обязательно должна находиться в границах прямой видимости RFIDсчитывателя. RFID-системы классифицируются по размеру зон считывания данных: ближней — до 20 см; средней — от 20 см до 5 м; от 5 до 300 м. Все транспондеры, которые используются в системах RFID, работают на определенных частотах по регламентируемым протоколам — в соответствии с едиными международными стандартами, содержащими их описание.
Широко распространенная группа стандартов RFID – ISO/IEC 18000 – охватывает радиочастотные полосы в диапазонах от 125 кГц до 2,45 ГГц. Поддерживаются как пассивными (в основном) — без собственного источника питания, так и активными (реже) — с миниатюрной батарейкой — радиометками, транслирующими сигнал на дистанции от 20 см до нескольких десятков метров. Существует еще ряд стандартов для радиометок, размещаемых на животных, в банковских и транспортных картах и пр. Существует и ряд фанатов данного направления, вжививших подобные чипы (к примеру, для животных) в свое тело, что очень помогает им бесконтактным образом открывать двери, включать свет и в целом считать себя киборгами из будущего. Ну а теперь о ближайших родственниках RFID, которые часто берут на себя решение задач для радиометок.
NFC
NFC (Near Field Communications или ISO 14443) — технология беспроводной передачи данных малого радиуса действия, предоставляющая возможность обмена данными между устройствами, находящимися на расстоянии около 10 см, анонсирована в 2004 году. Особенность данной технологии — отсутствие постоянного соединения.
NFC полностью совместим с системой меток RFID и применяется в основном для считывания данных со смарт-карт, смартфонов, смарт-часов и прочих носимых с собой устройств для осуществления бесконтактных платежей, идентификации и прочих задач, требующих краткосрочного соединения. Считыватель NFC одновременно может работать только с одним источником данных на расстоянии не более 0,2 м. Скорость установки соединения — менее 0,1 сек.
Bluetooth
Bluetooth (IEEE 802.15.1) — всем известный распространённый стандарт, обеспечивающий обмен информацией между периферийными устройствами ПК (POSтерминалы, клавиатуры, принтеры и прочие устройства), мобильных (мобильные телефоны, планшеты и пр.) и носимых устройств (смарт-часы, трекеры, гарнитуры) в диапазоне 2,402-2,48 ГГц. Протокол относится к беспроводным персональным сетям (Wireless Personal Area Network – WPAN).
Изначально Bluetooth позволял устройствам осуществлять обмен данными, когда они находились в радиусе до 10 м друг от друга (что сильно зависит от преград и помех). Скорость установки соединения — от 5 сек.
В последней версии стандарта Bluetooth 5.0, разработанной специально для IoT устройств и представленной в 2016 году, скорость передачи данных увеличивается до 6,25 Мбит/сек, а расстояние — до 240 м (в идеальных условиях, с отсутствием явных препятствий) и, что важно, при большей энергоэффективности по сравнению с предыдущими версиями стандарта. Технически «вещи» могут выбирать между большей скоростью или большей дальностью, причем оба варианта обеспечивают низкое энергопотребление. Что касается большой дальности, то, очевидно, в этом у IoT объективно существует самая большая потребность. Все приведенные выше усовершенствования Bluetooth относятся к спецификации Bluetooth Low Energy (BLE), которая была введена начиная с Bluetooth 4.0. Технология BLE предназначена для снижения энергопотребления периферийных устройств.
ZigBee
Когда не требуется какой-либо значительной дальности связи, спецификация ZigBee – пожалуй, наиболее продвинутая надстройка к стандарту IEEE 802.15.4. Сети ZigBee IEEE 802.15.4-2006 обладают рядом преимуществ:
Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. В сети ZigBee предусмотрено несколько альтернативных алгоритмов маршрутизации, выбор которых происходит автоматически.
Стандарт предусматривает возможность использования каналов в нескольких частотных диапазонах. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц. Максимальная скорость передачи данных – 250 кбит/c (средняя - от 5 до 40 кбит/с).
Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве. К тому же сеть ZigBee в любой момент может быть расширена добавлением новых элементов или наоборот разбита на несколько зон.
Период задержки передачи сигнала ZigBee намного меньше, чем у Bluetooth (несколько секунд) и составляет 30 мс, что примерно равно времени от нажатия выключателя и возникновения света в люстре. Говорят, в связи с этим, в последнее время Bluetooth стал меньше использоваться в системах «Умный дом».
Z-wave
Z-Wave — распространённый радиопротокол передачи данных, предназначенный для домашней автоматизации. Характерной особенностью Z-Wave является стандартизация от физического уровня, до уровня приложения. Т.е. протокол покрывает все уровни OSI классификации, что позволяет обеспечивать совместимость устройств разных производителей при создании гетерогенных сетей.
Протокол Z-Wave был разработан для квартир и небольших домов. Обычно такие системы содержать от 5 до 100 устройств. Основная особенность Z-Wave состоит в том, что он относится к формату «сделай сам» (DIY), т.е. установку и настройку системы владелец жилья может сделать самостоятельно. Поддерживает до 232 устройств в одной сети, что более чем достаточно для любого «умного дома».
Передача данных осуществляется на частоте 869.0 МГц (Россия), 868.42 МГц (Европа, страны CEPT, Китай, Сингапур, ОАЭ, ЮАР), 908.42 МГц (США, Мексика), 921.42 МГц (Австралия, Бразилия, Новая Зеландия), 919.8 МГц (Гонконг), 865.2 МГц (Индия), 868.2 МГц (Малайзия), Япония (951-956 и 922-926 МГц). Модуляция FSK (частотная манипуляция). Скорость передачи: 42 кбит/с, 100 кбит/с и 9.6 кбит/с (для совместимости со старыми устройствами). Скважность не более 1%. Предельная мощность передачи 1 мВт.
Сигналы Z-Wave могут распространяться на расстояние до 100 м на открытом воздухе, но в многоэтажных домах они сокращаются до 15 м с препятствиями или до 30 м без препятствий. На самом деле семейство технологий для домашней автоматизации старше, чем IoT, весьма обширно (X10, Insteon, UPB, Tread и пр.) и, дабы оно не увело нас куда-то в сторону, ограничимся сказанным.
LPWAN
Логично предположить, что беспроводное подключение «вещей», распределенных по большой территории, будет также осуществляться посредством сетей с низким энергопотреблением, потому как последнее все равно где-то нужно брать, и, скорее всего, от батарейки или аккумулятора. Собственно, зачем нужны LPWAN (Low Power Wide Area Network), если у нас уже есть готовые и обкатанные решения вроде Wi-Fi или LTE?
Допустим, на один жилой дом из 350 квартир придется 1000 счетчиков пользователей c копеечным трафиком в многомегабитных каналах связи, но если все счетчики будут подключены к ближайшей базовой станции LTE, то займут все ее ресурсы пропускной способности – счетчики-то подключены постоянно. Поскольку таких домов вокруг базовой станции будет много, то такой IoT больше походит на диверсию для мобильной связи. А еще есть вопросы энергопотребления, потому что батарейка в счетчике будет дешевле, чем электрокабель.
В отличие от классических систем мобильной связи, все огромное семейство сетей LPWAN специально разрабатывались в расчете на обслуживание IoT, большинство устройств которого являются простыми сенсорами с низким уровнем генерируемого трафика (10 – 50 бит в день и преимущественно в сторону базовой станции), с обеспечением низкой стоимости сетевого оборудования и малого энергопотребления (время автономной работы от аккумуляторов до 10 лет и более). С помощью подобных сетей следят за работой предприятий, контролируют качество воды, добычу нефти, газа, полезных ископаемых. Сети данного типа используют как точки доступа для сбора и передачи информации, собранной датчикам, которые объединены в сетевые кластеры.
Для построения сетей LPWAN разработано немало технологий, в том числе в России, однако в глобальном масштабе их следует разделить на две большие группы по характеру используемых радиочастот: лицензируемых и нелицензируемых. Последние представляют собой: 40 МГц, 169 МГц, 433 МГц, 863-876 МГц, 915-921 МГц, 2,4 ГГц, полосы в 5 ГГц, а также полосы CRS (системы когнитивного радио) в диапазоне ТВ-вещания). Часто для описания нелицензированных диапазонов применяется термин ISM (Industrial, Scientific and Medical band) – диапазон частот для промышленной, научной и медицинской аппаратуры.
В РФ к нелицензируемому диапазону частот, которые могут быть использованы без оформления разрешения ГКРЧ при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности и назначению готового изделия, относят:
1. 433,075—434,750 МГц;
2. 868,0—868,2 МГц;
3. 868.7—869,2 МГц;
4. 2400,0—2483,5 МГц.
При этом для 434 МГц мощность передатчика должна составлять не более 10 мВт, для 868,0—868,2 МГц — до 10 мВт, для 868,7—869.2 МГц — до 25 мВт, для 2,4 ГГц — не более 100 мВт.
Соответственно, в лицензируемых могут работать только обладатели разрешений на работу в конкретных радиочастотных диапазонах, а в остальных – кто угодно. При этом полосы частот в нелицензируемых диапазонах имеют свои ограничения как по ширине, так и по наличию помех от других пользователей.
К наиболее известным технологиям из безлицензионного пула относятся LoRa/LoRaWAN, SigFox, Neil/Weightless, On-Ramp и др., включая отечественную систему СТРИЖ.
LoRa
Технология LoRa была представлена в начале 2015 года компанией Semtech и исследовательским центром IBM Research с дальнейшим созданием LoRa Aliance для поддержки технологии и ее дальнейшего развития. LoRa опирается на метод модуляции LoRa, запатентованный компанией Semtech, а также открытый сетевой протокол Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN). Тут есть свои особенности. В целом LoRa относится к физическому уровню (PHY), и эта технология принадлежит компании Semtech Corporation. В свою очередь, LoRaWAN относится к подуровню управления доступом к среде (MAC) и развивается консорциумом LoRa Alliance. Спецификация LoRaWAN находится в свободном доступе, а LoRa является проприетарной технологией, и компания Semtech собирает лицензионные отчисления с поставщиков микросхем, которые продают модули LoRa.
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 и позволяет увеличить дальность связи почти в 10 раз по сравнению с обычными системами прямой радиосвязи при тех же характеристиках передатчиков.
Сеть может иметь различную топологию: ячеистую (mesh), звезда, «точка — точка» и др. Рабочие частоты: 915 МГц (США), 868 МГц (Европа), 433 МГц (Азия). Полоса рабочих частот – до 500 кГц.
Зона охвата базовой станции (шлюза LoRa) в сети LoRaWAN – до 2,5 км в городе и 20-45 км вне города, скорость передачи данных — 0,3-50 Кбит/с. Продолжительность автономной работы конечного устройства с аккумулятором емкостью 2000 мА×ч — почти девять лет.
Радиоитерфейс физического уровня LoRa определяет все аспекты передачи радиосигналов между различными узлами сети (шлюзами LoRa) и оконечными устройствами (сенсорами и датчиками IoT). Он основан на использовании широкополосных радиосигналов с большой базой, много большей единицы.
Радиоинтерфейс LoRa устанавливает рабочие частоты, виды модуляции, уровни мощности, сигнализацию и обмен сигналами между передающими и приемными устройствами в сети LoRa.
Сетевая архитектура LoRa включает абонентские устройства IoT, шлюзы LoRa (базовые станции), сетевые серверы, подключенные по транспортной сети к сети Интернет и серверы приложений. Абонентские устройства IoT сети LoRa являются, как правило, устройствами, включающими кроме модема датчики или сенсоры, которые передают данные лишь в короткие промежутки времени по заданному графику.
Центральный сервер сети LoRaWAN адресно управляет устройствами (End-Node), шлюзами сети и соединяет сеть доступа LoRaWAN с сервером приложений.
Шлюзы LoRa, как правило, представляют собой многоканальные мультимодемные трансиверы, которые способны выполнять демодуляцию сразу нескольких каналов одновременно, и даже одновременную демодуляции множества сигналов на одном и том же радиоканале.
Шлюзы служат для организации передачи данных между устройствами LoRa (EndNode) и центральным сервером, не внося изменений в сами сообщения («прозрачный мост») и, прежде всего, играя роль концентраторов трафика и его инкапсуляции в транспортный Iтрафик.
Связь шлюзов и центрального сервера LoRaWAN обеспечивается транспортной сетью оператора (backhaul) на основе стандартных технологий (Ethernet, Wi-Fi, GPRS) по протоколу TCP/IP. Все устройства LoRa (End-Node), как правило, являются двунаправленными, но они также поддерживают и функционирование в режиме, обеспечивающем групповое обновление ПО или передачу иных массовых сообщений (Broadcast), что позволяет сократить время на их передачу.
В настоящее время в мире работает более 60 операторов LoRaWAN, в том числе и в РФ. В РФ утвержден национальный стандарт LoRaWAN Ru.
Symphony Link
LoRaWAN не единственный стандарт LPWAN, который использует физический уровень LoRa.
Компания Link Labs разработала конкурирующее решение LPWAN на основе LoRa, называемое Symphony Link, которое по заявлениям Link Labs способно превзойти LoRaWAN посредством гарантированного получения сообщений, большей абонентской емкости, использования ретрансляторов и более простого обновления встроенного ПО.
Учитывая, что за стандартом LoRaWAN стоит консорциум LoRa Alliance, вряд ли Symphony Link станет серьезным конкурентом на рынке обслуживания IoT.
СТРИЖ
Отечественная разработка для LPWAN - «СТРИЖ» - является недорогой и экономичной альтернативой многим другим технологиям. Сети на ее базе развернуты в РФ и ближнем зарубежье. Она обеспечивает быстрое развертывание сети, большой радиус действия сети (10-50 км), срок автономной работы — до 10 лет, низкие затраты на внедрение — одна станция опрашивает все устройства без концентраторов и ретрансляторов (экономия на промежуточном оборудовании), низкую стоимость решения (в 3-4 раза ниже чем у аналогов), высокую надежность — сеть работает по топологии «звезда» (устройства опрашиваются напрямую базовой станцией без промежуточного оборудования или mesh).
Устройства и модемы «СТРИЖ» передают 8-байтные пакеты данных по беспроводному протоколу XNB (Extended Narrowband) — беспроводной узкополосный LPWAN-протокол, разработанный командой «СТРИЖ» для обмена данными с абонентских устройств на больших распределенных территориях с минимальными затратами энергии. Работает там, где «не ловит» GSM/GPRS. Базовые станции передают данных на сервер. Сервер осуществляет обработку данных, мониторинг и управление устройствами.
Двухсторонняя связь для отправки управляющих команд на устройства. Частота передачи Uplink 868.8 МГц, частота передачи Downlink 446.0 МГц Альтернативные рабочие частоты - до 1 ГГц (по запросу). Ширина полосы канала передающего устройства 100 Гц. Технология обработки радиочастотного спектра - программно-определяемая радиосистема. Модуляция сигнала DBPSK. Мощность передачи 25 мВт — в 80 раз ниже чем у мобильного телефона, безопасно для людей и животных.
Подключение к транспортной сети Ethernet WAN или 2 SIM-карты GPRS/3G/LTE, VSAT. Скорость передачи 50/100/1000 бит/c. Образует 5 000 доступных каналов для единовременной передачи без коллизий. Суточная емкость базовой станции – 5 000000 сообщений с 2 000 000 абонентских устройств. Множественный доступ – интеллектуальное распределение каналов. Шифрование данных алгоритмами – AES-128, XTEA-256, ГОСТ Р34.12-2015. Защита от помех – FEC, CRC32, псевдослучайная перестройка частоты. Потребление на отправку пакета данных 35-40 мА в течение 10 с. Удаленное обновление ПО абонентских устройств.
SigFox
Технология SigFox была изобретена и запатентована в 2009 году одноименной французской компанией. Первая сеть SigFox (868 МГц) была развернута во Франции в 2012 году, в 2014 году обеспечено общенациональное покрытие страны. Следующими в плане были США, но разрешенный там диапазон 902 МГц оказался слишком подвержен помехам. Тогда SigFox пошла сначала в Азию, и сегодня присутствует более чем в 60 странах мира (но не в РФ). В США Федеральная комиссия по связи (FCC) выделила SigFox диапазон 915 МГц.
Для передачи данных SigFox использует сверхузкую полосу частот (Ultra-Narrow Band – UNB) с двоично-фазовой манипуляцией (BPSK), а для кодирования данных меняет фазу несущей, что позволяет уменьшить уровень шума на принимающей стороне (приемники при этом дешевле). Радиус действия – 30-50 км (при помехах – 3-10 км).
Срок службы устройств без замены батареи (2 шт. АА): 20 лет. Топология сети – звезда вокруг базовой станции.
Стандартом SigFox определено максимальное количество сообщений от базовой станции до конечного устройства - 140 в день размером не более 12 байт (без служебной информации). В обратном направлении - 4 сообщения в день размером 8 байт.
В SigFox узлы могут использоваться в двух конфигурациях:
Weightless
Семейство «невесомых» технологий Weightless – открытый стандарт для сетей LPWAN повышенной мощности для повышения сетевой производительности. В специальной группе интересов Weightless SIG (Special Interest Group) предлагается семейство трех различных протоколов:
Weightless-W – открытый стандарт технологии, предназначенной для работы на частотах ТВ-диапазона 470-790 МГц (TV White Space – TVWS). Там, где это разрешено, конечно. Радиус зоны покрытия – 5 км (подходит для использования в приложениях для нефтяной и газовой отрасли).
Weightless-N предназначен для создания широких зон покрытия при невысоких скоростях передачи данных 500 бит/с. Обеспечивает однонаправленную связь до 10 км. Поддерживает широкий диапазон ISM-частот и низкое энергопотребление. Weightless-N подходит для сенсорных сетей измерений температуры, контроля уровня жидкости в резервуаре и пр.
Похоже, Weightless SIG уже отказалась от стандартов Weightless-N и -W и теперь продвигает единственный Weightless-P, который порой называют просто Weightless.
Weightless-P – стандарт, предназначенный для узкополосных IoT-решений, требующих высокой плотности устройств, долгосрочной службы батареи и двунаправленной связи. Особенностями являются высокая масштабируемость, возможность оптимизации линий связи Uplink или Downlink, создания широких зон покрытия, длительный срок службы батареи и безопасная сеть.
Weightless-P использует узкополосные 12,5 кГц каналы, что дает возможность передавать в 7 раз больше данных, чем SigFox, и в 98 раз больше данных, чем LoRaWAN в городских условиях. Другие технические характеристики выглядят так: мощность передатчика абонентского устройства14 dBm; использование синхронизированных каналов связи (в стандарте TDMA/FDMA); спектрально-эффективная модуляция OQPSK; использование любых ISM-полос частот для развертывания: 169 / 433 / 470 / 780 / 868 /915 / 923 МГц (ключевая особенность); роуминг; дальность связи 2 км в городе; адаптивная скорость передачи данных: 0,2–100 кбит/с; контроль мощности передачи в линиях Uplink и Downlink для уменьшения помех и увеличения пропускной способности сети.
Weightless также является открытым стандартом, направляемым организацией Weightless SIG, который, казалось бы, лучше, чем проприетарные стандарты, подобные LoRa, подходит как для разработки инноваций, так и для конкуренции на рынке. Однако, как отмечают специалисты, нехватка доступного аппаратного обеспечения и редкие обновления спецификации не свидетельствуют о каком-либо серьезном развитии.
IEEE 802.11ah
Учитывая все основные исходные данные для радиоинтерфейса IoT, разработчики порадовали потребителей новым протоколом Wi-Fi специально для IoT/WLAN на базе стандарта IEEE 802.11ah – Wi-Fi HaLow (опубликован в 2017 году). Впрочем, в данном случае не стоит обольщаться по части специализации для IoT, поскольку одной из целей разработки Wi-Fi HaLow было получение разрешения на использование семейства IEEE 802.11 в субгигагерцовом диапазоне радиочастот. Хотя и для IoT Wi-Fi HaLow, как говорят, – отличное решение.
От остальных представителей семейства Wi-Fi IEEE 802.11ah отличается тем, что работает в диапазоне до 1 ГГц, имеет меньшую мощность передатчика и значительно большую дальность, чем в традиционных сетях Wi-Fi (в том числе во многом благодаря низкой рабочей частоте.
Важным аспектом IEEE 802.11ah является поведение базовых станций, сгруппированных для сведения к минимуму коллизий в эфире, использование ретранслятора для увеличения радиуса действия, использование небольшого энергопотребления (конкурирует с Bluetooth) благодаря оптимальным периодам пробуждения/сна и использования секторных антенн. Стандарт использует спецификацию IEEE 802.11a/g с пониженной дискретизацией для обслуживания 26 каналов, каждый из которых способен обеспечить пропускную способность 100 Кбит/с, а все вместе - подключение к тысячам устройств в зоне обслуживания базовой станции.
Стандарт обеспечивает скорость соединения от 150 кбит/с в дальней зоне (до 1 км) и до 347 Мбит/с – в ближней. Скорость передачи данных до 347 Мбит/с достигается только при максимальном использовании четырёх пространственных потоков, использующих один канал шириной 16 МГц. Стандартом определяются различные схемы модуляции и скорости кодирования.
IEEE 802.11af
Другим стандартом WLAN для полос ниже 1 ГГц является IEEE 802.11af, который, в отличие от 802.11ah, работает в лицензированных полосах радиочастот - в телевизионном радиоспектре в диапазонах VHF и UHF между 54 и 790 МГц, используя технологию когнитивного радио (организации гибкого доступа к радиочастотному спектру с правом работы на первичной или вторичной основе).
Ingenu
В отличие от LoRa и Sigfox, которые используют ISM-диапазон 915 МГц, стандарт Ingenu работает в нелицензируемом ISM-диапазоне 2,4 ГГц, где работают Wi-Fi и Bluetooth. К тому же у диапазона 2,4 ГГц гораздо большая ширина, чем, к примеру, у диапазона 915 МГц.
Ядром стандарта Ingenu для сетей LPWAN является технология RPMA (множественный доступ со случайной фазой — Random Phase Multiple Access), которая представляет собой физический уровень PHY и подуровень управления доступом к среде MAC, разработанные компанией Ingenu специально для удовлетворения требований к сетям LPWAN: глобально доступный диапазон (2,4 ГГц), широкое покрытие (одна точка доступа RPMA может покрыть до 455 км²), огромная производительность (одна точка доступа RPMA способна принять 535 117 сообщений в час), долгая работа от батареи (10- 20+ лет) и устойчивость к радиопомехам.
Стандарт RPMA также подразумевает двунаправленный поток данных, подтверждение доставки, изменяемые размеры пакета, отзывчивость сети, возможность аутентификации и широковещательной передачи.
Помимо разработки стандарта LPWAN компания Ingenu управляет Machine Network, общедоступной сетью стандарта RPMA, которая покрывает более 259 000 км² в более чем 30 городах в США, а также покрывает более 30 стран.
Не так давно Ingenu анонсировала переориентацию своей корпоративной стратегии на предоставление услуг RPMA в рамках модели PaaS (Platform as a Service – платформа как услуга).
Мобильная связь IoT/M2M
Технология M2M актуальна для компаний любых разновидностей бизнеса, использующих SIM-карты операторов мобильной связи в своих устройствах и оборудовании. Одним из основных преимуществ услуги является простота ее подключения, которое можно осуществить быстро, без дорогостоящей прокладки инфраструктуры и практически где угодно, включая места, куда почти невозможно провести кабель (было бы радиопокрытие). Но главное преимущество, а точнее суть услуги – это возможность беспроводного удаленного управления сетью устройств с установленной SIM-картой.
Работа, разумеется осуществляется в лицензированных диапазонах, что, кстати, абсолютно не волнует владельца устройств IoT/M2M, потому что его сеть является наложенной на работающую сеть мобильной связи.
О недостатках решения IoT/M2M говорилось выше, но стоит повторить: использование значительных ресурсов пропускной способности сети мобильной связи для относительно небольших потребностей каждого подключенного устройства может превратиться в довольно дорогое удовольствие как для одной, так и для другой стороны. Тем не менее, если ваши «вещи» находятся, к примеру, на разных континентах, M2M будет для вас хорошим решением. Впрочем, есть и еще проблемы.
Если речь идет о какой-то более массовой истории, либо о серийном оборудовании, то использование «обычной SIM-карты» имеет ряд недостатков. Со временем контакты в SIM-слоте окисляются, а установка, обслуживание и замена с SIM-карт при большом количестве устройств становятся затруднительными и затратными.
Проблемы с надёжностью SIM-карты решают путем использования SIM-чипа стандарта MFF2 (его роль аналогична роли стандартной SIM-карты), который впаивается при производстве в оборудование и вместе с иными элементами для защиты от агрессивной внешней среды может покрываться защитным слоем лака. В дополнение SIM-чип позволяет уменьшить габариты оборудования и улучшить надёжность и отказоустойчивость.
Впрочем, и тут не без проблем: в соответствии с законодательством РФ операторы связи передают своим абонентам SIM-карты/чипы только после заключения договора на оказание услуг связи. При перепродаже IoT/M2M оборудования с впаянным SIM-чипом его нельзя изъять и установить новый, потому требуется корректное перезаключение указанного договора на каждый SIM-чип с новым пользователем оборудования или корректное заведение в ЕСИА (Федеральную государственную информационную систему «Единая система идентификации и аутентификации»).
Поскольку обычная SIM-карта и SIM-чип не позволяют изменить владельца без похода к оператору связи и замены физического носителя, появилась технология eSIM, которая позволяет удаленно «перепрошить» устройство и загрузить туда новый абонентский профиль. Это упрощает процедуру тестирования устройств интернета вещей, снижает себестоимость и затраты на логистику и обслуживание SIM-карт, повышая надежность оборудования. На текущий момент в мире есть 2 технологии eSIM от GSMA (Всемирная ассоциация GSM): eSIM Consumer и eSIM M2M.
Технология eSIM Consumer – технология для смартфонов, когда для «загрузки SIMкарты» требуется сканировать QR-код.
Технология eSIM M2M подразумевает под собой экосистему, которая состоит из нескольких составляющих:
eUICC (чип/карта) выглядит как обычная SIM-карта/чип, но внутри имеет другую аппаратную и программную «начинку», которая работает по стандарту SGP.02 (Remote Sim Provisioning для eSIM M2M), т.е. поддерживает технологию eSIM M2M. В соответствии с со стандартом SGP.02, eSIM-чип позволяет удалённо выполнять операцию, аналогичную установке новой SIM-карты на оборудование.
Впрочем, индустрия мобильной связи не забыла об экономии сетевых ресурсов при обслуживании IoT и заготовила соответствующий пакет изменений в стандартах 3GPP.
EC-GSM-IoT
Интернет вещей с расширенным покрытием на базе стандарта GSM (EC-GSM-IoT — Extended Coverage Global System for Mobile IoT или EC-GPRS) – один из стандартов LPWAN консорциума 3GPP, который работает в лицензируемом диапазоне.
Данный пакет изменений предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базовой технологии GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций GSM без замены или модернизации аппаратного обеспечения, а только с программным обновлением.
Фактически, используется стандартная несущая GSM/GPRS/EDGE, с изменениями, позволяющими увеличить бюджет линии, увеличить количество подключенных устройств и снизить стоимость реализации технологии в конечном устройстве. Основные дополнения:
Ключевое преимущество EC-GSM в готовности сетевой инфраструктуры (в большинстве случаев требуется только обновление программного обеспечения на узлах сети), а также в распространенности сетей стандарта GSM и их охвате.
Впрочем, из вариантов обслуживания IoT с помощью сетей мобильной связи стандарт EC-GSM-IoT имеет наименьшее количество преимуществ.
eMTC
Технология eMTC называется также LTE-M/LTE-MTC (Machine Type Communication — машинная связь) или LTE Cat.M1.
Помимо полной совместимости с существующими сетями LTE основное преимущество, выделяющее технологию eMTC и определяющее ее рыночную нишу – это высокая пропускная способность, составляющая до 1 Мбит/с в направлении Uplink и Downlink. eMTC призван обеспечить снижение стоимости конечного IoT устройства за счет отказа от множества функциональностей стандарта LTE, которые востребованы и широко применяются в сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД), но становятся избыточными при массовом подключении IoT устройств. В общем, надо быть проще.
Стандартизация eMTC началась в Release 12 3GPP и продолжилась в Release 13 и 14. По сравнению в классическими LTE системами в eMTC определены:
eMTC имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры (современные базовые станции выполняются по технологии SDR – Software Define Radio или программноопределяемое радио, позволяя работать в разных стандартах и различных радиочастотных диапазонах), благодаря чему может быть развернута на существующих сетях LTE путем простого обновления ПО. Более того, сети LTE для мобильного ШПД и IoT могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика.
NB-IoT
Narrowband IoT (NB-IoT или «Узкополосный Интернет вещей»), называемый еще LTE Cat.M2 — третий стандарт LPWAN, выпущенный консорциумом 3GPP, и имеет несколько кардинальных отличий от LTE-M. NB-IoT относится с так называемому CIoT, Cellular IoT (по терминологии 3GPP) или MIoT, Mobile IoT (по терминологии GSMA) и продвигается операторами сотовой связи и производителями соответствующего оборудования. Узкополосным (Narrow Band) этот вид связи назвали по сравнению с «традиционным» LTE, где используются существенно более широкие полосы частот (3, 5, 10, 15, 20 МГц), что позволяет разделить общий ресурс пропускной способности базовой станции между гораздо большим количеством абонентских устройств.
NB-IoT предполагает меньшую пропускную способность — 250 кбит/с против 1 Мбит/с LTE-M. Вообще сам принцип функционирования IoT не предполагает значительного обмена информации с устройствами, а соответственно, приводимые значения весьма условны и достигаются при высоком качестве радиосигнала. Другое отличие заключается в том, что стандарт NB-IoT основан на модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS), так что он не связан с LTE, как LTE-M. К тому же стандарт не ограничивает используемые полосы диапазоном LTE.
Самое важное в NB-IoT — возможность работы при более низких уровнях сигнала и при высоком уровне шумов, а также экономия батареи. Также NB-IoT предназначен для передачи коротких сообщений, и от него не требуется передача аудио-видео контента, больших файлов и прочего. На физическом уровне есть определенные особенности, которые помогают обеспечить необходимых характеристик:
Для NB-IoT могут использоваться практически все те же диапазоны частот, что и для 2G/3G/4G: 800МГц, 900МГц, 1800МГц. Более «высокие» частоты смысла использовать нет из-за большего затухания сигнала.
Если сравнивать возможности NB-IoT с другими технологиями построения глобальных сетей «Интернета вещей», такими как eMTC, SigFox и LoRa, то NB-IoT обеспечивает более высокую производительность. Кроме того, когда все технологии рассматриваются с точки зрения инвестиций в сеть, обеспечения радиопокрытия, емкости и надежности сети, видно, что NB-IoT является наиболее подходящей технологией.
3GPP определил три сценария развертывания радиоканалов NB-IoT:
Standalone в основном использует отдельный диапазон частот; разворачивание в режиме Guard Band осуществляется с использованием полосы частот, зарезервированной в качестве защитной полосы между существующими каналами сети LTE; разворачивание в режиме In Band реализуется в тех же ресурсных блоках, что и существующая LTE сеть.
Стандартизация NB-IoT началась с Release 13 3GPP и продолжилось в последующих, включая:
NB-IoT ориентирован скорее на неподвижные (стационарные) устройства, так как в этом режиме не поддерживается автоматическое переключение между сотами (handover). При перемещении в другую соту устройству NB-IoT придется снова регистрироваться в сети. Таким образом, NB-IoT предназначается в первую очередь для таких приложений, как автоматический сбор показаний со счетчиков, датчиков, дистанционное управление уличным освещением и т.п. В отличие от NB-IoT, другая «ветка» CIoT – LTE-M – поддерживает как переключение между сотами, так и обеспечивает в несколько раз большие скорости приема/передачи.
В NB-IoT возможны большие задержки связи при использовании режимов энергосбережения. Дело в том, что оконечное устройство, находясь в режимах энергосбережения, оказывается недоступно со стороны сети (сервера приложений).
В целом считается, что NB-IoT - это более эффективный протокол IoT для «более быстрых» приложений. Сеть на базе NB-IoT также может быть развернута на существующих сетях LTE путем простого обновления ПО, и, если этого пока не сделано, значит операторы мобильной связи просто пока не видят большого количества потенциальных клиентов, оставляя нишу IoT на откуп операторам LPWAN из нелицензируемого радиочастотного пула. Там, где они увидят выгоду – оперативно внедрят новые технологии¸ предоставив лучшие условия и лучшее качество. Не стоит забывать, что нелицензируемые диапазоны имеют относительно узкие полосы частот, что подчас приводит их пользователей к взаимным помехам (не только случайным) и различным коллизиям, причем без претензий к источникам последних.
Кстати, на рубеже 2008-2009 произошел переход от «Интернета людей» к «Интернету вещей», когда количество подключенных к сети предметов превысило количество людей, как в интернете, так и на планете.
5G
Сети мобильной связи 5-го поколения (5G) впервые были изначально спроектированы в том числе и для обслуживания экосистемы IoT. При этом они обеспечивают более чем 100-кратное увеличение пропускной способности сети, попутно решая задачи значительного увеличения скорости передачи данных (от 50 Мбит/с до 1 Гбит/с), значительного увеличения емкости сети с возможностью подключить гораздо больше устройств (в том числе устройств IoT, не требующих каких-либо огромных скоростей передачи данных) и значительного сокращения времени отклика. Оборудование 5G может использовать любые неиспользованные полосы радиоспектра, объединяя их ресурсы благодаря технологии агрегации несущих (Carrier Aggregation).
В сетях 5G используются два основных диапазона частот: от 400 МГц до 6 ГГц и от 24 до 50 ГГц. Одна базовая станция 5G, работающая на частоте 400 МГц сможет охватывать связью многие десятки километров территории. Благодаря использованию технологии Massive MIMO одна базовая станция также может обслуживать гораздо большее количество одновременно подключенных устройств благодаря возможности управлять диаграммой направленности антенн, фокусируя радиоволны на конкретном устройстве.
Для быстрого развертывания сетей 5G операторы используют во многих странах более низкие частоты и покрывают сразу огромные территории, что составляет серьезную конкуренцию остальным членам семейства LPWAN.
6G
В следующем поколении мобильной связи, работы над которым уже начались скорости увеличатся, а пропускные способности расширятся. В целом экосистема 6G будет использовать широкий диапазон частотных диапазонов от менее 6 ГГц до 1 ТГц.
И люди, и машины чувствительны к задержкам в доставке информации (хотя и в разной степени). Своевременность доставки информации будет иметь решающее значение для сильно взаимосвязанного общества будущего.
Предыдущие поколения беспроводных сетей в основном, фокусировались на пропускной способности канала, то есть, того, какой объём данных можно через него пропустить в единицу времени. В 6G, наоборот, больше внимания будет уделено задержкам сигнала, что выливается в то, сколько времени надо на реакцию и обучение сети. Типичное применение – аналитика на границе сети для Индустрии 4.0, например, граничные устройства Интернета Вещей (IoT), взаимодействующие с «дополненной реальностью». Но это дело будущего, которое нам обещают примерно к 2030 году.
Ну а пока в заключение отметим, что на всем приведенном выше развитие IoT лишь ускорилось в направлении IoB (Internet of Bodies – интернет тел), IoNT (Internet of NanoThings – интернет нано-вещей), MIoT (Military Internet of Things – военный интернет вещей), IoBT (Internet of Battle Things – интернет боевых вещей), IoMT (Internet of Military Things – интернет военных вещей), которым тоже будут нужны стандарты, радиоинтерфейсы и соответствующие экосистемы, чтобы обслужить тот самый «огромный мозг», предсказанный Н.Тесла.