Введение

Технологии LPWA (Low-Power Wide-Area) обслуживают потребность рынка Интернета Вещей (IoT) дешевыми устройствами, которые долго держат батарею и дешевыми сетями дальнего действия и при этом поддерживать огромное количество соединений. Существует несколько вариантов для построения LPWA сетей, но технологии LoRaWAN и NB-IoT показали наибольшую динамику и получат наибольшую долю рынка LPWA в ближайшие годы. В этом тексте указанные технологии будут рассмотрены с точки зрения общих черт и различий. Затем мы перейдем к примерам использования LoRaWAN на вертикальных рынках, подчеркнув уникальные преимущества LoRaWAN. Также будут рассмотрены возможные варианты, когда LoRaWAN и NB-IoT будут работать вместе для достижения наибольшей выгоды.

Сравнение LoRaWAN и NB-IoT в техническом плане

LoRaWAN это LPWAN система с открытой архитектурой, разработанная и стандартизованная некоммерческой ассоциацией компаний LoRa Alliance, которая насчитывает более 500 участников. LoRa это технология модуляции, применяемая на физическом уровне, что позволяет осуществлять дальние энергоэффективные передачи данных с использованием CSS (Chirp Spread Spectrum) модуляции, которая распространяет узкополостные сигналы по расширенному каналу, чем обеспечивает высокую помехоустойчивость и низкие уровни отношения сигнал/шум. NB-IoT со своей стороны, работает в лицензированном диапазоне и подобно LTE использует многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) в восходящей линии связи, ортогональный FDMA (OFDMA) в нисходящей линии связи и QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) модуляцию. Хотя обе технологии могут конкурировать в качестве обслуживания (QoS), приложения IoT требующие частой связи будут лучше себя чувствовать с NB-IoT, которая не имеет ограничений по рабочему циклу работая в лицензированном диапазоне, но по полной стоимости обеспечения системы обходится дороже чем LoRaWAN.




И LoRaWAN, и NB-IoT устройства потребляют меньше энергии, когда переходят в спящий режим. Но во время работы в качестве синхронного протокола NB-IoT потребляет значительно больше энергии, чем LoRaWAN, который является асинхронным протоколом, и при измерениях с одинаковой пропускной способностью NB-IoT потребляет более высокий пиковый ток, необходимый для модуляции OFDM/FDMA. Несмотря на это, характеристики обеих технологий важны при реализации многих практических решений, которые требуют высокой проникающей способности внутри помещений и годы автономной работы.

Корпоративным клиентам, желающим развернуть гибридную сеть с использованием как частной, так и общедоступной сетевой инфраструктуры, лучше всего использовать LoRaWAN по нескольким причинам. С частными LoRaWAN сетями предприятия не ограничены деловыми и финансовыми причинами при передаче данных. Где это возможно, доступ к корпоративной сети может быть дополнен общедоступной сетью LoRaWAN. Подключение NB-IoT в настоящее время предлагается в зонах, где уже есть покрытие сотовой связи, но по сравнению с LoRaWAN затраты на развертывание выше, поскольку развертывание частной сети потребует приобретения или аренды спектра РЧ у операторов сетей. Другим фактором, влияющим на относительную стоимость и производительность LoRaWAN и NB-IoT, является лучшая проникающая способность LoRaWAN в помещениях. Максимальная потеря связи (величина MCL) для восходящей и нисходящей линий LoRaWAN составляет 165 дБ; значение MCL для NB-IoT может составлять от 145 дБ до 169 дБ для восходящей линии связи и 151 дБ для нисходящей линии связи в зависимости от класса устройства. Кроме того, более низкие показатели энергетического потенциала линии связи у NB-IoT приводят к уменьшению срока службы батареи.

Больше LoRa устройств, чем NB-IoT

По данным LoRa Alliance, по состоянию на апрель 2019 года во всем мире насчитывается более 113 сетей LoRaWAN в 55 странах на различных этапах коммерческого развертывания по сравнению с 90 сетями NB-IoT. По данным LoRa Alliance, существует 118 устройств LoRaWAN, которые сертифицированы LoRa Alliance. При этом, как сообщает Глобальная ассоциация мобильных поставщиков, коммерческих устройств NB-IoT и CAT-M в совокупности 43. По данным корпорации Semtech, по состоянию на апрель 2019 года совокупное количество конечных устройств LoRa достигло 97 миллионов. Рост LoRaWAN решений ускоряется, потому что экосистема устройств быстро расширяется, чтобы охватить более широкий круг вертикальных рынков.

Коммунальные службы

LoRaWAN завоевал популярность благодаря коммунальным службам, подключающим интеллектуальные счетчики для газа и воды. Китай был одним из первых, кто внедрил технологию LoRa для проектов интеллектуального учета, на его долю приходится около 65% чипов, поставленных в 2018 году. Birdz, дочерняя компания Novo Veolia и Veolia Water, объявила 19 декабря 2018 года, что она выбрала Orange Business Services (OBS) для подключения 3 миллионов интеллектуальных счетчиков воды LoRaWAN. Контракт Veolia является крупнейшим внедрением интеллектуальных счетчиков воды с использованием общественной сети LPWA. Энергетические предприятия, находящиеся на более продвинутых этапах внедрения интеллектуальных счетчиков, теперь начинают модернизировать свои средневольтные (MV) и высоковольтные (HV) электрические инфраструктуры. Компания ABB, лидер в области решений для электрификации, объявила о выпуске LoRaWAN ограничителей напряжения, которые измеряют ток разряда и ток утечки. LoRa Alliance и ассоциация DLMS совместно объявили в апреле 2019 года о своем сотрудничестве для предоставления нового профиля DLMS, адаптированного для сетей LoRaWAN, позволяющего коммунальным службам использовать многие приложения IoT и позволяющего использовать протокол DLMS/COSEM для соединения интеллектуальных счетчиков электроэнергии с LoRaWAN.

Умные здания

Решения IoT, использующие датчики для мониторинга различных условий окружающей среды, таких как температура, влажность и освещенность, а также для обнаружения движения, ударов и утечек воды, все чаще используются в коммерческих зданиях.

Умные здания также включают в себя решения для управления пространством, которые используют комнатные датчики для предоставления в реальном времени информации о заполненности помещений для доступа к рабочему месту и конференц-залам, а также оптимального использования систем HVAC (отопление / вентиляция / кондиционирование). Знания о заполненности помещений также могут помочь менеджерам зданий более эффективно управлять программными службами, такими как уборка, утилизация отходов и безопасность. Технология LoRaWAN достигла наибольшего успеха в реализации этих решений и имеет преимущества благодаря доступности устройств и простоте создания сетей с высокой проникающей способностью внутри помещений. Передовые поставщики интеллектуальных базовых станций, такие как Cisco, MultiTech, Kerlink, TEKTELIC и Laird, предоставляют микро- и фемто- базовые станции, которые поддерживают от 3000 до 7000 подключенных оконечных устройств соответственно.

Логистика / Отслеживание активов (товаров, ресурсов, ценностей)

Беспроводное отслеживание активов предприятия является одной из самых больших возможностей на рынке промышленного интернета вещей, и сетевые LPWA технологии будут играть важную роль, совокупно отслеживая более 9500 миллионов активов по всему миру в течение следующих 5 лет. Самая большая проблема, которую LoRaWAN может решить это наглядное представление и отслеживание товара в производственно-сбытовом цикле, начиная от внутренней среды предприятия заканчивая мегаполисами и регионами с использованием единой технологии. В настоящее время отслеживание товара доступно только в пределах зданий с применением беспроводных технологий ближнего действия, таких как RFID, Bluetooth, UWB или Wi-Fi, или на улице с использованием сотовой или спутниковой технологий. 19 февраля 2019 года производитель самолетов выбрал компанию Objenious (французская компания, занимающаяся интернетом вещей) для своей гибридной LoRaWAN инфраструктуры, что позволило ему отслеживать свою продукцию не только на заводах, но и между заводами, используя общедоступную LoRaWAN сеть, предоставляемую компанией Objenious. Другим примером являются системы отслеживания активов, которые отслеживают транспортные средства, перевозящие ценные грузы. В Бразилии Maxtrack выбрал LoRaWAN и к концу 2018 года разместил более 400 000 трекеров для отслеживания транспортных средств и грузов.

Промышленность и умное производство

Одним из ключевых факторов цифровых преобразований в производстве является промышленный Интернет вещей. Датчики, сертифицированные LoRa Alliance, позволяют использовать приложения IoT на производстве для улучшения наглядности производственного потока, мониторинга работоспособности оборудования для сокращения времени простоя, просмотра использования ресурсов и изучения общей эффективности работы. Промышленные приложения IoT извлекают выгоду из низкой полной стоимости обеспечения системы LoRaWAN и гибкости в управлении частными сетями для развертывания беспроводных датчиков для сбора дополнительных точек данных для предоставления новых знаний. Промышленные решения от Ineo-Sense и ADVEEZ свидетельствуют о внедрении технологий IoT в автомобильную и аэрокосмическую промышленность.

Умное сельское хозяйство

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), сельское хозяйство должно будет увеличить производительность на 70% к 2050 году, чтобы удовлетворить прогнозируемый рост населения.

Технологии IoT будут способствовать лучшему использованию ресурсов для удовлетворения этого прогнозируемого спроса на продукты питания. Тем не менее, падающие цены на сырьевые товары затруднили для большого блока производителей, мелких и средних фермерских хозяйств, использование различных технологий IoT. Сетевые технологии LPWA позволяют внедрять гибкие решения IoT двумя способами: во-первых, наличие недорогих устройств для мониторинга влажности почвы или состояния скота с целью повышения урожайности или молочной продуктивности; и, во-вторых, создание доступных сетей для получения информации с датчиков с помощью LoRaWAN-устройств, вместо сетей сотовой связи, которые могут быть недоступны. Как отмечалось ранее, существует множество поставщиков базовых станций для создания частных сетей LoRaWAN.

Наконец, в дополнение к уже достигнутому успеху LoRaWAN в корпоративных решениях, ABI Research также предвидит значительное внедрение данной технологии для потребительских решений, таких как «Умный дом». LoRaWAN поддерживает подключение как внутри помещений, так и на больших расстояниях для устройств, расположенных по периметру объекта. Кроме того, эффективность батареи LoRaWAN важна для многих сенсорных устройств с батарейным питанием, используемых в таких решениях, как например, детекторы дыма, обнаружение утечек воды, интеллектуальные замки, мониторинг условий окружающей среды, уход за пожилыми людьми и интеллектуальное наружное освещение. ABI Research также считает, что B2B компании тоже выиграют от интеллектуальных домашних сетей LoRaWAN, потому что расширение доступности сети для дома поддерживает широкий спектр вариантов использования, актуальных для корпоративных клиентов, включая проверку доставки груза, охрану и мониторинг безопасности.

Возможности сосуществования LoRaWAN и NB-IoT

Поскольку рынок IoT продолжает развиваться, LoRaWAN и NB-IoT будут сосуществовать на рынке, конкурируя на одних вертикальных рынках и дополняя друг друга на других, основываясь на требованиях конкретных IoT решений к стоимости, покрытию и пропускной способности. Используя нелицензированный спектр, LoRaWAN останется отделенным от остальных сетевых технологий LPWA и будет играть ведущую роль в корпоративных частных сетях, где предприятия хотят получить полный контроль над своей инфраструктурой и устройствами. Однако есть три ситуации, когда может возникнуть потребность в гибридных решениях, использующих как LoRaWAN, так и NB-IoT.

Первая ситуация — отслеживание подвижных активов. Поскольку следы сетей LoRaWAN и NB-IoT продолжают расти во всем мире, сети также могут быть взаимодополняющими, обеспечивая повсеместное подключение, необходимое для отслеживания активов в нескольких местах и регионах.

Вторая ситуация — решения для интеллектуального учета ресурсов и мониторинга энергосистем. В Европе для интеллектуального учета газа и воды в основном используется протокол M-Bus, — стандарт ETSI (Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций) для интеллектуального учета. Однако M-Bus столкнулся с сокращением цепочки поставщиков решений, поддерживающих этот стандарт. Это делает LoRaWAN потенциальной заменой подключения WAN к интеллектуальным счетчикам с батарейным питанием. Кроме того, для реализации систем учета ресурсов, которые используют архитектуру базовых станций, как можно увидеть в Великобритании и Германии, LoRaWAN может подключать счетчики и другие оконечные устройства.

Наконец, производители промышленного оборудования, внедряющие решения для удаленного мониторинга, могут значительно выиграть от решения комбинированного подключения LoRaWAN/NB-IoT, чтобы повысить как функциональность, так и гибкость для различных промышленных решений мониторинга и управления. Технология LoRaWAN, оптимизированная для длительного срока службы батареи, может быть использована в качестве основного решения для подключения, когда датчики необходимы для частой отправки данных мониторинга. Технология NB-IoT с её более низкой задержкой и гарантированным QoS, но более высокой стоимостью, может использоваться реже для особых ситуаций дистанционного управления.

Выводы

Сети LoRaWAN и NB-IoT начали разворачиваться относительно недавно, но уже наблюдается их быстрый рост в глобальном масштабе. Найдется место и для LoRaWAN, и для NB-IoT среди массовых применений IoT, основанных на перечисленных преимуществах: более низкие затраты на устройства, сетевая инфраструктура и доступ к сети; высокая проникающая способность внутри здания; и низкое энергопотребление. LoRaWAN, однако, в ближайшей перспективе имеет явное преимущество перед NB-IoT, со своей развитой системой поставщиков, сертифицированными IoT устройствами и комплексными решениями, которые уже сегодня готовы к внедрению.

Опубликовано 10 Июня 2019 аналитической компанией ABI Research
Переведено с разрешения ABI Research