Сети передачи данных в Интернете вещейОлег АртамоновUnwired Devices

Интернет вещей—

это обеспечение связи там,где раньше это было

невозможноили

экономически неэффективно

Примеры?

• Сельское хозяйство• Животноводство• Транспорт• Промышленность• Энергетика• ЖКХ• «Умный дом» и «умный

офис»

Требования к технологии• Дешевизна —$10 за модем• Экономичность — годы на батарейке• Дальность связи — минимум сотни метров• Компактность — не больше спичечного коробка• Безлицензионность — без претензий Роскомнадзора

Историческое наследие

Wi-Fi• Создавался для локальных сетей• Быстрый, защищённый (в конце концов), универсальный• Ест батарейку, ест ресурсы, невысокая дальность

• Battery-powered Wi-Fi — QCA 4002, ESP8266, TI CC3200, etc. Уже на батарейке, но всё ещё Wi-Fi

• HaLow 802.11ah — от Wi-Fi остался один логотип

Bluetooth• Создавался для мобильных телефонов и их периферии• Куча компромиссов между скоростью, дальностью и батарейкой• Ест батарейку, ест ресурсы, невысокая дальность• Странная топология (точка-точка, 7 клиентов)

• Bluetooth Low Energy (он же Bluetooth Smart) постепенно исправляет недостатки

Сотовая связь (GPRS, EDGE, 3G, LTE)• Создавалась для мобильных телефонов• В обжитых районах инфраструктура есть везде• В необжитых районах её нет и не будет• Развёртывание без лицензии невозможно• Очень неэкономична по отношению к батарейке• Весьма неэкономична по отношению к кошельку

• NB-IoT — новая технология, частично совместимая с оборудованием операторов сотовой связи

Технологии для IoTБлижнего радиуса действия< 1 км

Выросли из «умного дома», конец 90-х годов

• Z-Wave• ZigBee• 6LoWPAN• Thread

Дальнего радиуса действия1 — 50 км

Созданы для промышленного IoT, 2010 год и позже

• LoRa• Sigfox• «Стриж»• NB-IoT

«Умный дом» и «умный офис»• Самоорганизующиеся ячеистые сети• Дальность точка-точка — до десятков метров• Количество устройств в сети — сотни штук• Диапазоны 868 МГц (EU), 915 МГц (US), 2450 МГц

Z-Wave• Все уровни закрыты• Требуется лицензия• 100-% совместимость

• SoC на базе Intel 8051• Только 868 МГц• Максимум 4 хопа• Маршрутизация source routing

APP Закрытый

NET Закрытый

MAC Закрытый

PHY 868 МГц

ZigBee• Все уровни открыты• Лицензия не требуется• Приложения — частичная совместимость

• Любые SoC, включая Cortex-M• Диапазоны 868 МГц и 2450 МГц• Глубина сети — до 30 хопов

APP Открытый

NET Открытый

MAC ОткрытыйIEEE 802.15.4

PHY 868 МГц2450 МГц

6LoWPAN• Все уровни открыты• Лицензия не требуется• Приложения — не стандартизированы• MAC-адреса, IP-адреса, сокеты• Стыковка с обычными IP-сетями

• Любые SoC, включая Cortex-M• Диапазоны 868 МГц и 2450 МГц• Глубина сети — более 200 хопов

APP Отсутствует

NET ОткрытыйIPv6

MAC ОткрытыйIEEE 802.15.4

PHY 868 МГц2450 МГц

Thread• Уровень приложений поверх 6LoWPAN

• Невнятный статус открытости (Thread Group vs. OpenThread)• Практически нулевая поддержка в

индустрии

APP Приоткрытый

NET ОткрытыйIPv6

MAC ОткрытыйIEEE 802.15.4

PHY 868 МГц2450 МГц

Дальняя связь• Сети топологии «звезда», сотовые, иногда радиорелейные сети• Дальность точка-точка — километры• Количество устройств в сети — огромное• Диапазоны 868 МГц (EU), 915 МГц (US)

Три технологии на рынке СНГ

LoRa / LoRaWAN Стриж Sigfox

P.S. В следующем году обещают ещё и NB-IoT.

Нюансы лицензирования

Нюансы технологийSigFox Стриж LoRa/LoRaWAN NB-IoT

Тип сигнала Сверхузкополосный(100 Гц)

Сверхузкополосный(100 Гц)

Широкополосный(125 кГц)

Широкополосный(180 кГц)

Излучаемая мощность

25 мВт 25 мВт 25 мВт 100 мВт

Скорость передачи данных

100 бит/с 100 бит/с От 300 бит/с до5 кбит/с

20 кбит/с

Двунаправленная связь

Почти нет С оговорками Есть Есть

Расстояние связи До 30 км До 30 км До 30 км До 35 км

Расстояние связи в городе

1-5 км 1-5 км 1-5 км 1-5 км

Помехоустойчивость Высокая Высокая Средняя Средняя (но есть нюанс)

Использование спектра

500 кГц (868,7 — 869,2 МГц)

500 кГц (868,7 — 869,2 МГц)

Канал 1 Канал 2

LoRa — два канала по 125 кГц

Узкополосные системы — тысячи каналов по 100 Гц

Проблема точной частоты• Кварцевый резонатор — ±(10±15) ppm — $0,25• Термокомпенсированный генератор (TCXO) — ±1 ppm — $1• Прецизионный TCXO — ±0,2 ppm — $45

25 ppm от 868 МГц = 21,7 кГц

125 кГц

Ожидаемая частота Реальная частота

Широкополосная система Узкополосная система

Ожидаемая частота Реальная частота

21,7 кГц21,7 кГц 0,1 кГц

Три класса устройств

A

B

C

Передаём информацию — потом N секунд слушаем ответ БСLoRa: режим поддерживаетсяUNB: режим поддерживается

Слушаем БС по расписаниюLoRa: режим поддерживаетсяUNB: не поддерживается

Слушаем БС непрерывноLoRa: режим поддерживаетсяUNB: не поддерживается

Скорость передачиS = W × log2(1 + P/WN0)

• SNR=0 дБ → ~100 бит/с• SNR=30 дБ → UNB 1 кбит/с• SNR=30 дБ → LoRa 100 кбит/с

На практике:• UNB — 100 бит/с• LoRa — до 5 кбит/с

0 10 20 30 40 50 60100

1000

10000

100000

1000000

10000000

Предел Шеннона для технологий UNB и LoRa

UNB 100 Гц LoRa 125 кГц

Отношение сигнал/шум, дБ

Пред

ел Ш

енно

на, б

ит/с

Топология сети: сотовая сетьАбоненты

Другие БС сети

Сервер сетиБазовая станцияSigfox

Стриж

LoRa (LoRaWAN)

NB-IoT

Облако

Пользователи

Топология сети: локальная сетьАбоненты Базовая станция

Sigfox

Стриж

LoRa (LoRaWAN)

NB-IoT

Диспетчерский терминал

Топология сети: радиорелейная сеть

Абоненты Базовая станцияSigfox

Стриж

LoRa (LoRaWAN)

NB-IoT

Диспетчерскийтерминал

Спасибо!Олег Артамоновoleg@unwds.com