J’son & Partners Consulting представляет краткие результаты исследования основных тенденций и перспектив развития энергоэффективных технологий беспроводной связи, предназначенных для сетей IoT в мире и в России.
По данным отчета Ericsson Mobility Report, в период 2015–2021 гг. количество IoT-подключений будет увеличиваться с показателем CAGR, равным 23 %. К концу 2021 г. в мире будет насчитываться 28 млрд подключенных устройств, в том числе 15,7 млрд пользовательских и промышленных устройств в сегменте Интернета вещей: датчиков, торговых терминалов, автомобилей, табло, индикаторов и пр.
Стремительный рост подключенных устройств в сегменте IoT и различные сценарии их использования диктуют определенные требования к сетевым технологиям – скорости передачи данных, задержки, надежность и пр. Эти параметры определяются особенностями конкретного применения, однако есть ряд общих целевых показателей, которые требуют внедрения инновационных сетевых технологий, предназначенных для IoT. К основным таким показателям, в частности, относятся:
покрытие сети.
Разработки последних лет в сфере беспроводной передачи данных связаны как со стремлением адаптировать имеющиеся сетевые архитектуры и протоколы, так и с созданием новых системных решений с нуля. С одной стороны, существуют технологии малого радиуса действия, довольно успешно решающие задачи IoT-коммуникаций в рамках одного помещения или ограниченной территории – Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и т. д. С другой стороны, есть мобильные технологии, которые находятся вне конкуренции с точки зрения обеспечения покрытия (GSM – 90 % населенной территории Земли, WCDMA – 65 %, LTE – 40 %) и масштабируемости. Однако основным недостатком как технологий малого радиуса действия, так и традиционных технологий мобильной связи является ограниченное время работы устройств от аккумулятора. Кроме того, технологии мобильной связи достаточно дороги в использовании, а Wi-Fi, Zigbee и другие технологии малого радиуса действия не обеспечивают достаточного сетевого покрытия и плохо управляемы.
Шаги, предпринятые в рамках развития стандартов мобильной связи, в частности спецификации 3GPP Release 13, направлены, в том числе, на достижение целевых показателей для IoT при сохранении преимуществ использования глобальной экосистемы. Предполагается, что эволюция этих технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, включая стандарты 5G.
С другой стороны, активно развиваются энергоэффективные технологии низкой мощности для нелицензируемого частотного спектра, такие как LoRa, Sigfox, российская "Стриж" и другие.
LoRaWAN
Технология LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях широкого радиуса действия с низким энергопотреблением (LPWAN, Low Power Wide Area Network) и открытый сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), представленный в начале 2015 г. компанией Semtech Corporation и исследовательским центром IBM Research.
Технология LoRa появилась под эгидой некоммерческой организации LoRa Alliance, основанной такими компаниями, как IBM, Semtech, Cisco, Actility и др., с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для сетей LPWAN. Участники LoRa Alliance позиционируют LoRa как технологию, имеющую значительные преимущества перед сотовыми сетями и сетями малого радиуса действия благодаря возможности развертывания коммуникаций на расстояниях до 20 км и скоростях до 11 Кбит/с, при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.
Кроме того, в отличие от технологий сотовой связи, сети LoRaWAN являются комбинированными (гибридными) и позволяют, с одной стороны, использовать частные, а с другой стороны - публичные сети. Это, например, позволит подключать большое количество различных датчиков (более 100) к частной сети внутри домохозяйства с выходом в публичную сеть оператора связи. Теоретически такую гибридную сеть можно было бы организовать на базе Wi-Fi, однако из-за технологических ограничений этого стандарта, эффективно реализовать такую модель не представляется возможным. Эти недостатки Wi-Fi были учтены LoRa Alliance при разработке технологии LoRaWAN.
В июне 2015 г. LoRa Alliance выпустил релиз LoRaWAN 1.0, который утверждает себя как первый общемировой стандарт LPWA. По состоянию на конец 1 кв. 2016 г., технология LoRaWAN была введена в коммерческую эксплуатацию в 13-ти странах, а испытания проводились в более, чем 60-ти странах. Для покрытия значительной площади требуется относительно небольшое количество базовых станций LoRa и, соответственно, низкие затраты. Например, в Нидерландах для покрытия всей территории страны потребовалось около 500 базовых станций; значительная часть Швейцарии покрыта ориентировочно 250-ю базовыми станциями, а для покрытия около 90% территории Бельгии потребовалось приблизительно 360 базовых станций.
Sigfox
Система построена одноименной компанией, основанной во Франции в 2009 г. Используется технология Ultra Narrow Band (UNB), которая изначально предназначена для связи на низких скоростях передачи данных.
Sigfox в настоящее время использует самый популярный европейский ISM-диапазон на 868 МГц (как определено стандартом ETSI и СЕРТ), а также 902 МГц в США (как определено FCC), в зависимости от конкретных региональных правил. Система развернута с использованием возможностей современных сотовых сетей.
Устройство может отправить до 140 сообщений в день, и каждое сообщение может содержать до 12 байт полезных данных. 12 байт покрывает потребности устройств, которые передают данные, такие как местоположение устройства, индекс потребления энергии, сигнал тревоги или любой другой тип основной сенсорной информации. Также можно передавать до 4 сообщений из 8 байт полезных данных в сторону каждого устройства в сутки. Для того, чтобы получать сообщения, устройство должно запросить данные с сервера, это должно быть запрограммировано на конкретные события или на определенное время. 8 байт, отправленные на устройство, позволяют при необходимости отправить данные конфигурации, можно оптимизировать срок службы аккумулятора. Этого достаточно, если нет необходимости в полноценной двусторонней связи.
Достоинства Sigfox:
Недостатки Sigfox:
По данным на 20 июля 2016 г., число стран с развернутыми сетями Sigfox достигло 20, а число зарегистрированных устройств превысило 7 млн. К концу 2016 г. компания Sigfox планирует покрыть своими сетями более 30 стран.
Технологии 3GPP
Консорциум 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), разрабатывающий спецификации для мобильной связи, уже достаточно давно работает над улучшением стандартов GSM и LTE для IoT-приложений. По данным консорциума, почти удалось решить все заявленные проблемы, в том числе по энергосбережению. Ожидаемая на конец 2016 года стоимость модуля оценивалась в $4,5 для GSM и в $5 для LTE-M. Однако, по данным одного из экспертов, в настоящее время модуль LTE-M стоит почти на порядок дороже. По оценке Link Labs на конец августа 2015 г., оптовая стоимость LTE-модуля (очень большие партии) составляла около $25-30. По другим оценкам, в конце 1 кв. 2015 г. стоимость LTE-модуля превышала $50.
Основные преимущества использования технологий GSM и LTE для IoTвключают: функционирование на существующей инфраструктуре сотовых операторов, широкое распространение в мире, высокая скорость передачи данных, высокая степень безопасности, поддержка роуминга и др. Основные недостатки: необходимость использования лицензируемых частот и высокие тарифы.
В сентябре 2015 г. корпорации Nokia, Ericsson и Intel объединились для продвижения технологии Narrow-Band Long-Term Evolution (NB-LTE). Sprint, Verizon Wireless, Alcatel-Lucent, Qualcomm, Samsung, Sony и ZTE также стали частью этой инициативы. NB-LTE рассматривался некоторыми экспертами как прямой вызов компании Huawei, которая развивала технологию Narrowband Cellular IoT (NB-CIoT) и получила поддержку таких крупных операторов, как Vodafone, T-Mobile, TeliaSonera и China Unicom.
К настоящему времени спор между апологетами различных версий NB-IoT закончен. Утверждена дорожная карта перехода от LTE Cat.1 к LTE Cat.2 и затем – к NB-IoT (LTE Cat. M2).
Преимущества и недостатки технологий 3GPP естественным образом произрастают из GSM и LTE. В частности, избыточная для большинства существующих приложений IoT скорость передачи данных в стандарте LTE-M приводит к высокому энергопотреблению и снижению степени автономности оконечных устройств (Табл. 1).
Проекты с построением сетей LPWAN в мире
Тем не менее, проекты с использованием технологий, не относящихся к 3GPP (LoRa, Sigfox, "Стриж" и др.), активно внедряются, в том числе операторами мобильной связи. Например, в июле 2016 г. южнокорейский оператор SK Telecom запустил в коммерческую эксплуатацию сеть LoRaWAN, охватывающую 99% населения страны. Ранее, в марте 2016 г., компания завершила развертывание национальной сети LTE-M.
На сегодняшний день в Европе действуют несколько крупных сетей LoRa – в Бельгии, Нидерландах, Швейцарии, Франции и других странах. Десятки масштабных сетей LoRa тестируются, внедряются и расширяются в таких европейских странах, как Чехия, Финляндия, Дания, Германия, Италия и др.
Одним из примеров использования технологии Sigfox является установка умных водосчетчиков в Антверпене (Бельгия). На этапе тестирования, в течение первого года, планировалось установить 1000 счетчиков. В случае положительного результата в течение четырех лет (до 2020 г.) – 205 тыс. счетчиков по всей территории страны.
"Башенная" компания Cellnex развернула в Испании сеть Sigfox из 1500 базовых станций. На конец 2015 г. к сети Alarm Transmission Network (ATN) было подключено около 250 тыс. систем безопасности компании Securitas Direct, которая интегрировала технологию Sigfox в существующие охранные GSM-системы для повышения надежности и резервирования канала связи.
По данным на 20 июля 2016 г., число стран с развернутыми сетями Sigfox достигло 20, а число зарегистрированных устройств превысило 7 млн. К концу 2016 г. компания Sigfox планирует покрыть своими сетями более 30 стран.
По состоянию на середину 2016 г. сеть "Стриж", которую развивает российская компания "Стриж Телематика", насчитывает более 250 базовых станций в 30 регионах России и ближнего зарубежья. Полное покрытие есть во всех городах-миллионниках Российской Федерации. Планируется расширение сети не только в России, но и в других странах СНГ.
Примеры использования
LoRa и другие технологии LPWAN могут быть использованы в различных IoT-приложениях, начиная от "умных" счетчиков в ЖКХ (см. Рис.2), управлением вывозом мусора и умных парковок, и заканчивая решениями в области промышленности, сельского хозяйства и животноводства. Пример использования технологии LoRa в области "умного" дома представлен ниже.
Основные драйверы и сдерживающие факторы развития LPWAN в России
Несмотря на очевидные описанные выше преимущества существующих уже сейчас технологий LPWAN в России (прежде всего, LoRaWAN) более активному их развитию препятствуют такие факторы как:
отсутствие четкого понимания многими заказчиками основных целей и задач в рамках IoT-проектов и как следствие – сложности с формированием технического задания;
дефицит специализированных компаний, которые могли бы взять на себя функции разработчика и системного интегратора, вникнуть в суть проблемы и бизнес-процессов заказчика, подобрать и внедрить соответствующее решение;
отсутствие сертифицированных специалистов в области IoT и LPWAN;
высокая стоимость датчиков (минимальная стоимость компонентов для одного датчика составляет $12-13 на один датчик, стоимость готового датчика – от $25).
Несмотря на эти сложности, они со временем могут быть преодолены. Например, по данным одного из экспертов, три крупных системных интегратора планируют отправить в одну из европейских стран на обучение и последующую сертификацию группу специалистов для последующего обслуживания сетей LoRaWAN по готовым контрактам.
Перспективы в России
По мнению экспертов, 2017 год пройдет под знаком конкурентной борьбы между операторами сотовой связи в области IoT для крупных госкомпаний и корпоративных заказчиков. До этого времени за этих заказчиков будут бороться как крупные игроки ИТ-рынка (Cisco, HP, SAP, Microsoft и т.д.), так и стартапы рынка LPWA. Массовый рынок IoT, скорее всего, возникнет не ранее 2018 года, когда рыночная цена оконечных устройств опустится на порядок по сравнению с существующими сегодня – до 10–12 евро за устройство.
Коммерциализация технологии NB-IoT (стандарт LTE-Cat.M2) также будет сдвинута по времени – она, по некоторым оценкам, начнется в России не ранее 2018 г. Кроме того, как считают эксперты, даже после 2019 года, когда операторы сотовой связи модернизируют свои сети до LTE-Cat.M2, LoRaWAN будет востребована как более экономичная для тех решений, которые допускают значительную скважность между сеансами передачи информационных пакетов.
Технология Sigfox в России также пока не присутствует.
Таким образом, в условиях фактического отсутствия конкуренции в России внедряются в основном две технологии LPWA: глобальная LoRaWAN, с ориентацией, прежде всего, на крупных заказчиков промышленного интернета, и местная "Стриж". При этом внедрение идет главным образом на замене решений сетей ближнего радиуса действия Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и т. д.
При этом российские мобильные операторы пока отдают предпочтение технологиям 3GPP. Например, в середине 2016 г. компании МТС и Ericsson подписали соглашение о поставке программного обеспечения для модернизации сети МТС до 2019 г. Оно, как ожидается, позволит компаниям реализовать технологические решения Интернета вещей, в частности протестировать технологию расширенного GSM (EC-GSM-IoT), обеспечивающую работу М2М-устройств на уже существующих сетях МТС. Как считают представители оператора, применение этой технологии не потребует масштабной замены оборудования связи и в большинстве случаев позволит обойтись обновлением ПО на узлах радиосети.
Важно отметить, что на текущем этапе технология LoRaWAN не конкурирует с технологиями мобильной связи на рынке Интернета вещей в целом, она нацелена на замещение неэффективных (стоимость, автономность оконечных устройств, уязвимость и пр.) технологий ближнего радиуса действия – Zigbee, Wi-Fi и др.
Появление и развитие новых технологий LPWAN стимулируют и бизнес инфраструктурных ("башенных") компаний, которые сдают в аренду свои антенно-мачтовые сооружения для размещения базовых станций мобильной связи. Размещение оборудования LoRa, Sigfox и других стандартов для Интернета вещей будет способствовать росту доходов "башенных" компаний в среднесрочной и долгосрочной перспективе в условиях насыщения рынка мобильной связи и замедления темпов строительства новых сайтов.
Примером является строительство сети IoT на базе технологии LoRa в Финляндии. С помощью 70-ти башен оператор сети телерадиовещения Digita планирует покрыть всю территорию страны СЕТЬЮ LORAWAN. В проекте, в частности, планируется использование датчиков температуры/влажности и движения, устанавливаемых в индивидуальных домовладениях.
Независимая оценка состояния и перспектив развития глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN) для рынка Интернета вещей (IoT) показывает, что наиболее востребованной технологией на ближайшие 1–2 года и в среднесрочной перспективе станет LoRaWAN и, возможно, Sigfox. В более долгосрочной перспективе можно ожидать совмещения использования адаптированных для IoT технологий 3GPP (например, LTE-M) и существующих технологий LPWAN.
