Протокол LPwan в Интернете вещей

LPWAN

LPWAN – современный тип беспроводных сетей, созданный с целью обмена информацией между гаджетами на значительных расстояниях. Образование подобных сетей вызвано возрастающими потребностями межмашинного обмена данными в области концепции «Интернет вещей».

Характеристики протокола

Применение беспроводных технологий в какой-либо сфере обусловлено двумя составляющими – величиной дальности и быстротой передачи информации (рис. 1). К примеру, сеть Wi-Fi, которая имеет хорошую пропускную способность и ограниченность распространения сети до 200 м, больше пригодна для формирования беспроводных сетей в стенах небольшого здания.

Распределение беспроводных технологий по дальности и быстроте обмена информацией
Рис. 1. Распределение беспроводных технологий по дальности и быстроте обмена информацией

Наименование технологии LPWAN открывает ее основные плюсы – уменьшенное потребление энергии (low-power) и охватывание большой территории (wide-area). Помимо этого, параметры обмена данными в M2M и IoT определяют свои условия для сетей подобного типа.

Особенности LPWAN:

  • существенная дальность доставки радиосигнала;
  • низкая энергопотребляемость;
  • быстрота передачи;
  • величина проникновения сигнала;
  • число станций, необходимых для формирования беспроводной связи в заданной местности;
  • мощность станций.
Параметры беспроводных сетей
Рис. 2. Параметры беспроводных сетей

Оборудование

Главными элементами в построении LPWAN-сети выступают датчики, шлюзы и серверы. Датчики, которые называют узлами, пересылают пакеты с информацией с помощью шлюзов на сервер для хранения и обработки. Датчики, встроенные в предметы, которые используются повсеместно, служат для подключения к сети.

Пользователи обеспечивают себе доступ к данным через компьютеры, а также смартфоны (например, приложение, позволяющее находить парковочные места).

Преимущества

Низкое энергопотребление

Внутри сети LPWAN различные гаджеты могут функционировать многие годы. Подобная автономность помогает значительно снизить затраты, так как приобретение источников питания – недешевое удовольствие, а создание кабельных систем зачастую невыгодно. Например, у приборов, помещенных в покрытие дороги возле парковки, невозможно часто заменять питающие элементы.

Повышенная автономность формируется как с применением аккумуляторов большой емкости и не имеющих значительного саморазряда, так и благодаря сниженному энергопотреблению.

Во время передачи информации прибору требуется около 50 мА за пару секунд. Столько времени нужно, чтобы совершить перенаправление данных в сеть. А в другое время прибор практически не требует энергии, используя только незначительную ее величину. К чему это приводит? Аккумулятор может функционировать около 10 лет и более, значительно уменьшая затраты на обслуживание.

Зона покрытия

Сэкономив на размере передаваемых данных, можно повысить энергетику сигнала. Повышенная энергетика используется для увеличения расстояния передаваемого радиосигнала и улучшения его проникновения.

В итоге величина дальности для доставки информации по технологии LPWAN становится больше, чем в сотовой связи и измеряется километрами или десятками км. К примеру, стандартная станция «СТРИЖ» способна передавать в городских условиях на расстояние до 10 км, а за городом доходит уже до горизонта, что составляет около 50 км. Можно произвести расчет площади охвата: в городе – более 300 км2, за пределами – примерно 8 000 км2.

Благодаря большому расстоянию передаваемых данных одной станции можно покрывать площади малым их числом, что также ведет к уменьшению затрат.

Значительная величина проникновения сетей технологии LPWAN позволяет им надежно функционировать в пределах городской застройки. Сигнал с легкостью проходит сквозь здания, приборы передают сигнал даже из подвальных помещений и коммуникационных колодцев. Это один из важных параметров, так как, например, водяные счетчики зачастую помещают в стояки, куда может не достать сигнал GSM, а большая доля коммуникаций жилых домов или объектов промышленности размещается ниже земляного уровня.

Дальность передачи данных сетей в технологии LPWAN
Рис. 3. Дальность передачи данных сетей в технологии LPWAN

Скорость и производительность

Основой межмашинной коммуникации является принцип обмена небольшим количеством данных. К примеру, дымовой датчик должен передавать тревожный сигнал, если есть факт обнаружения дыма, и информацию о периодической самодиагностике оператору в размере 1 бита. То же можно наблюдать у датчиков контроля протекания воды. Значения устройств учета воды, электричества, газа, а также устройств контроля влажности и температуры можно уместить в несколько бит.

Быстрота обмена информацией LPWAN-платформы может варьироваться от поставленной задачи и зачастую равняется сотнями бит в секунду.

Обеспечивать повышенную пропускную способность в подобном протоколе связи не нужно, что позволяет совершенствовать другие важные свойства сети.

Меньшее число станций положительно влияет на стоимость всей инфраструктуры сети. Но, с другой стороны, многократно повышается нагрузка на каждую станцию.

Например, в Москве действуют сотни тысяч сотовых вышек, которые позволяют покрывать всю столицу, а при работе LPWAN-сети число станций, с помощью которых можно добиться полного охвата, составит до 100. Таким образом, каждая станция будет нагружена сотнями тысяч приборов. В связи с этим применяются особые технологии формирования сигнала с использованием мощных процессоров. Подобный подход позволяет создавать значительную емкость для сетей стандарта LPWAN, станции которой могут обрабатывать информацию 2 млн передающих приборов.

Время задержки радиосигнала

Величина задержки радиосигнала при передаче не выступает основным требованием в LPWAN-сетях и занимает всего пару секунд. Обычно, программы IoT и M2M не очень подвержены задержкам. Например, если значения водяного счетчика или датчиков попадут к оператору только спустя пару секунд после их считывания, то это не критично.

Применение

Через датчики к станции, которая выступает шлюзом, подключаются устройства, формируя «звезду». Станции проводят сбор информации и перенаправляют ее на серверы в автономном режиме. Серверы также используются как точки предоставления доступа для пользователей.

Принцип действия LPWAN-сети
Рис. 4. Принцип действия LPWAN-сети                                       

Кому необходимо найти место на парковке, с помощью приложения подсоединяется к веб-службе, которая получает информацию от шлюза, снабжаемого данными от датчиков парковки. Вместе с тем, датчики функционируют на узконаправленных диапазонах частот (от 100 Гц) и частот с оптимальными свойствами распространения.

Многие сети работают на нелицензируемом диапазоне частот, который меньше 1 ГГц, что позволяет уходить от проблем с властями, однако обладает одним значительным недостатком. Данные частоты применяются для обмена информацией многими людьми, что непременно образует сбои. Поэтому, чтобы сети отвечали потребностям «Интернета вещей», современные модели беспроводной связи должны задаваться некоторой величиной коэффициента ошибок в случае образования каких-либо сбоев.

Есть и другие области применения «Интернета вещей». Например, сети LTE позволяют использовать действующую мобильную связь для собирания повседневных вещей воедино, в одну систему. Подобное решение создает такую возможность, как двунаправленная передача данных.

Перспективы развития

Принимая во внимание растущую необходимость в связи для «Интернета вещей», а также формирования компонентной базы для бюджетных гаджетов, потребность в LPWAN-сетях будет только повышаться.

По прогнозам экспертов, число «интеллектуальных» устройств в мире к 2020 году превысит 21 млрд. Гаджеты смогут передавать между собой данные по различным стандартам связи, а LPWAN станет наиболее востребованным предложением для межмашинного взаимодействия.

Преимущества подобных технологий способствуют их использованию уже на современном этапе в области образования локальных или масштабных телематических сетей. В будущем покрытие с помощью LPWAN будет происходить на глобальном уровне, а человечество сможет подключать и управлять своими гаджетами из любой точки земного шара.

Удобство применения подобных сетевых технологий в разнообразных отраслях позволит мотивировать разработчиков выпускать все больше LPWAN-устройств, и, в конечном итоге, их цена сравняется со стоимостью стандартных гаджетов и сенсоров.

future2day.ru