Технологии LPWAN: Какая из них лучше всего подходит для вашего IoT-приложения?

В этой статье мы расскажем о том, как выбрать подходящий Широкополосная сеть с низким энергопотреблением (LPWAN) для массового применения в Интернете вещей (IoT). IoT-сети LPWAN становятся популярными благодаря своей дальнобойности и низкой стоимости. Для этого мы вкратце расскажем о том, что определяет LPWAN и ее растущую популярность. Затем мы проведем краткое сравнение основных технологий LPWAN на основе их технических характеристик и областей применения. 

Почему LPWAN пользуется популярностью? 

LPWAN стала популярной благодаря развитию массивных IoT-приложений, которые распространяются на большие расстояния. Однако не только большой радиус действия обуславливает популярность LPWAN, есть и другие причины. Можно выделить следующие основные причины появления LPWAN: 

• Такие протоколы, как ZigBee и BLE не способны поддерживать операции большой дальности. 
• Сотовая связь дальнего радиуса действия, такая как 4G-LTE и 3G потребляли чрезмерное количество энергии, несмотря на хорошее покрытие. 
• Развертывание системы communication на большом расстоянии было сравнительно дорогостоящим.

Таким образом, вышеуказанные причины привели к появлению технологий LPWAN, которые обеспечивают большую зону покрытия на большом расстоянии, потребляют мало энергии для работы и имеют низкую стоимость устройства. Эти факторы сыграли решающую роль в реализации масштабных IoT-приложений, таких как "умные города" и "умное сельское хозяйство". Кроме того, по оценкам, все больше IoT-приложений на базе LPWAN будет появляться в промышленности, где каждый четвертый Промышленные приложения IoT (IIoT) к 2025 году будут основаны на LPWAN.  

Таким образом, мы видим, что большой радиус действия, достигающий 15 км в сельской местности, низкое энергопотребление, обеспечивающее срок службы устройства до 10 лет, и низкая сложность устройства, приводящая к его низкой стоимости, являются основными движущими силами популярности IoT-приложений на базе LPWAN. 

Техническое сравнение различных вариантов LPWAN 

 Прежде чем перейти к рассмотрению различных вариантов LPWAN, мы можем разделить технологии LPWAN на две отдельные категории, а именно: 

• Лицензионные LPWAN: это технологии LPWAN, основанные на использовании частотного спектра сотовой связи общего пользования. Примерами лицензированных LPWAN являются; NB-IoT и LTE-M. 
• Нелицензионные LPWAN: это технологии LPAN, основанные на безлицензионный частотный спектр. Примеры нелицензированных сетей LPWAN включают; LoRaWAN и Sigfox. 

Выбор между лицензированной и нелицензированной LPWAN зависит от требований IoT-приложений, таких как надежность, безопасность и ожидаемая мобильность всей системы. Имея базовое представление о различных типах технологий LPWAN, давайте теперь рассмотрим некоторые технологии LPWAN. 

LoRaWAN - это известный и набирающий популярность вариант LPWAN, который обеспечивает работу устройств, питающихся от аккумуляторов, на больших расстояниях. Интересная особенность Устройства LoRaWAN Это меньшая сложность, что позволяет снизить стоимость устройства. Она базируется на нелицензируемом частотном спектре и способна к двунаправленной ко1TP14Туникации, обладая хорошей i1TP14Тустойчивостью к помехам. Возможность создания частных сетей выгодно отличает LoRaWAN от других вариантов LPWAN, которые мы рассмотрим далее в этой статье. 

Sigfox - это узкополосная технология, разработанная французским стартапом, которая лучше всего подходит для приложений с низкой пропускной способностью и повышенным вниманием к энергопотреблению. Как и LoRaWAN, Sigfox работает в нелицензируемом частотном спектре, однако, по сравнению с LoRaWAN, имеет ограниченные возможности двунаправленной связи communication. Наконец, Sigfox адаптируется к IoT-приложениям в Северной Америке и Европе и в настоящее время распространяется на такие регионы, как Азия. 

NB-IoT, однако, является лицензированной LPWAN, которая работает в частотном спектре сотовой связи. Ее можно рассматривать как ответ провайдеров сотовых сетей на появление приложений IoT. Она разработана поверх существующей сотовой сети, чтобы обеспечить низкую пропускную способность, глубокое покрытие и высокую спектральную эффективность IoT-приложений. Аналогично, LTE-M также базируется на лицензированном частотном спектре сотовой связи. По сравнению с NB-IoT, LTE-M обладает улучшенной пропускной способностью и высокой безопасностью. 

Опция LPWAN, основанная на возможностях IoT 

Теперь давайте сравним варианты LPWAN на основе некоторых критических характеристик IoT, важных для наших IoT-приложений. Они являются одними из основных требований многих приложений IoT в целом.  

• Качество обслуживания: Качество обслуживания (QoS) подразумевает высокий уровень приема данных с хорошей устойчивостью к помехам, вызванным внешними факторами, и способность удовлетворять различные уровни требований конечного пользователя к данным. LoRaWAN и Sigfox могут справиться с помехами в шумной среде, но они используют асинхронные протоколы соmmunication. С другой стороны, NB-IoT использует синхронные протоколы соmmunication на базе LTE, что повышает его доступность и оптимальность для услуг QoS. Однако это сопряжено со значительными затратами на реализацию. Поэтому для IoT-приложений, требующих оптимального QoS, NB-IoT является лучшим вариантом. 

•  Мобильность: Это относится к возможности передачи данных на высокоскоростные подвижные конечные узлы сети. LoRaWAN и Sigfox, хотя и способны осуществлять со1TP14Туникацию на больших расстояниях, не способны к процедурам хэндовера, что изначально возможно в NB-IoT и LTE-M благодаря использованию ими спектра сотовых частот и существующей сотовой инфраструктуры. 

• Стоимость: Стоимость - один из основных факторов, который необходимо учитывать при разработке IoT-приложений. В массовых IoT-приложениях она может быть оценена по трем различным основным компонентам, а именно: 
  1. Стоимость спектра 
  2. Стоимость развертывания 
  3. Стоимость устройства 

Что касается стоимости спектра, то, естественно, и LoRaWAN, и Sigfox не требуют дополнительных затрат на спектр, поскольку используют свободно доступный нелицензируемый частотный спектр. Однако и NB-IoT, и LTE-M используют лицензионный частотный спектр и, таким образом, требуют затрат на покупку частотного спектра у оператора сети или у регулятора сети в данном регионе. Что касается стоимости развертывания, то LoRaWAN и Sigfox имеют низкую стоимость развертывания по сравнению с NB-IoT и LTE-M. Sigfox будет иметь самую низкую стоимость устройства по сравнению с LoRaWAN, в то время как стоимость устройства для NB-IoT может превышать $10 от диапазона. 

• Время работы от аккумулятора: Все технологии LPWAN находятся в состоянии простоя, когда они не передают данные по сети. Однако такие технологии, как NB-IoT, используют синхронные протоколы communication, которые требуют дополнительной энергии для инициализации communication. Таким образом, устройства Sigfox и LoRaWAN класса A являются наилучшими вариантами для приложений, требующих длительного времени автономной работы и высокой производительности. 

• Дальность действия: Наименьшая дальность действия LoRaWAN составляет 12-14 км при работе в режиме LOS, а у Sigfox - 15-17 км. Однако радиус действия NB-IoT составит 20-22 км благодаря использованию существующей сотовой инфраструктуры. Дальность действия LTE-M ограничена региональным покрытием 4G-LTE. 

• Безопасность: С точки зрения безопасности сети, LTE-M обеспечивает наилучшие функции безопасности по сравнению с другими технологиями LPWAN. 

Вариант LPWAN, основанный на применении IoT 

Хотя различные факторы, которые мы рассмотрели до сих пор, помогают определить целесообразность использования той или иной технологии LPWAN по сравнению с другими, принять решение, когда речь идет о конкретном IoT-приложении, довольно сложно. Поэтому стоит изучить приложения IoT и определить, какая технология LPWAN подходит лучше всего. 

• Учет электроэнергии 

Для учета электроэнергии требуется более высокая скорость передачи данных и хорошая задержка. Кроме того, когда речь заходит о времени автономной работы, эти приложения могут быть подключены к электросети напрямую, а не работать от батарей. Поскольку LoRaWAN и Sigfox имеют высокие задержки и низкую скорость передачи данных, мы можем положиться на более надежный и менее латентный NB-IoT для реализации такого рода приложений для учета электроэнергии. 

• Умное сельское хозяйство 

В "умном" сельском хозяйстве нам необходимо реализовать устройства, работающие от аккумуляторов на большом расстоянии. Кроме того, эти приложения должны быть доступны большинству фермеров и сельскохозяйственных компаний. Таким образом, стоимость является критическим фактором. Учитывая все эти факторы, нашим immediate вариантом для этих приложений будет LoRaWAN или Sigfox. 

• Интеллектуальное здание 

К ним относятся мониторинг температуры в здании, влажности, а также мониторинг других умных приборов. Таким образом, нет необходимости постоянно отслеживать эту информацию, и мы будем иметь устройства с питанием от батарей. Это помогает нам сузить выбор до LoRaWAN и Sigfox для такого рода IoT-приложений. 

• Производство и автоматизация  

Это включает в себя мониторинг жизненных показателей машин и их точное управление. Поэтому для таких приложений необходим частый мониторинг и хорошее QoS. Поэтому NB-IoT и LTE-M - лучшие варианты для выполнения этих требований. LTE-M можно использовать, если мы в большей степени заботимся о безопасности. 

Заключение 

В этой статье мы кратко рассмотрели различные доступные варианты реализации массивных IoT-приложений. В заключение можно сказать, что наилучший вариант - это компромисс наших требований, и он варьируется в зависимости от различных приложений.