LPWAN (Low-Power Wide-Area Networks): введение в технологии дальней связи с низким энергопотреблением
Обзор технологий LPWAN — Sigfox, LoRa, NB-IoT и LTE-M — и плат Arduino серии MKR, которые с ними работают.
Интернет вещей (IoT) и межмашинные коммуникации (M2M) растут стремительно и уже влияют на самые разные стороны нашей жизни. По прогнозам, к 2025 году более 75 миллиардов IoT устройств будут подключены и работать по всему миру. Но как именно эти IoT устройства выходят в интернет?
Если говорить в общем, приложения и устройства IoT и M2M потребляют мало энергии и передают небольшие объёмы данных — чаще всего это показания датчиков. До недавнего времени существующие беспроводные технологии плохо подходили для таких задач, что хорошо видно на графике ниже. Например, беспроводные персональные сети (WLANs) и Bluetooth® изначально создавались для быстрой передачи данных на короткие расстояния. Сотовые сети 2G, 3G, 4G и 5G рассчитаны на высокоскоростную связь на средних дистанциях и применяются прежде всего для голоса, данных и видео. Чтобы удовлетворить особые требования IoT и M2M устройств, технологиям пришлось _evolve_ под нужды IoT и M2M приложений.
Термин LPWAN появился в 2013 году и расшифровывается как «сеть дальнего радиуса действия с низким энергопотреблением» (Low-Power Wide-Area Network). Это _generic_ понятие, объединяющее сетевые технологии, которые передают небольшие пакеты данных на низкой скорости, по воздуху, на относительно большие расстояния и при этом потребляют значительно меньше энергии, чем традиционные решения — такие как WLANs или Bluetooth. Малые пакеты данных, экономичное энергопотребление и широкая зона покрытия — именно то, что нужно IoT и M2M устройствам и приложениям.
На графике видно, как разные беспроводные технологии распределяются по осям «полоса пропускания» и «радиус действия». LPWAN занимает нишу низкой полосы пропускания при большом радиусе действия — туда, куда не дотягиваются ни Wi-Fi, ни Bluetooth, ни традиционные сотовые сети в режиме IoT.
Виды LPWAN-технологий
За последние годы сложились два основных направления LPWAN: некотовые (non-cellular) технологии и сотовые (cellular) технологии. Они могут работать на лицензированных или нелицензированных частотах, использовать проприетарные или открытые стандарты. Рассмотрим четыре наиболее распространённых LPWANs сегодня: Sigfox, сети на базе LoRa® Technology, NB-IoT и LTE-M.
Некотовые технологии: Sigfox и LoRa® Technology
Одна из самых распространённых LPWANs — Sigfox. Это проприетарная ультраузкополосная LPWAN-технология, работающая в нелицензированных ISM-диапазонах 868 МГц (Европа) и 902 МГц (США). Дальность связи — до 30–50 км в сельской местности, 3–10 км в городе и до 1000 км при прямой видимости. Ограничение: не более 150 сообщений по 12 байт в день на передачу и 4 сообщения по 8 байт в день на приём. Это сознательный компромисс ради минимального потребления энергии.
LoRa® Technology — это протокол физического уровня, работающий в нелицензированных ISM-диапазонах. В основе лежит метод chirped spread spectrum (CSS) — расширение спектра с линейной частотной модуляцией. LoRa-устройства, как правило, передают данные напрямую на шлюз (single-hop), который затем пересылает сообщения в сетевую инфраструктуру. Скорость передачи данных у LoRa Technology варьируется от 300 бит/с до 50 кбит/с — в зависимости от расстояния и условий среды.
Для организации полноценной сети поверх LoRa® Technology разработан ряд протоколов, управляющих обменом между устройствами и инфраструктурой. Они обеспечивают защищённую дальнобойную связь для различных IoT приложений и поддерживают несколько классов устройств с разными требованиями к режиму работы.
Сотовые технологии: LTE-M и NB-IoT
LTE-M (расшифровывается как _Long Term Evolution for Machines_) и NB-IoT (_Narrowband Internet of Things_) — стандарты беспроводной связи, разработанные партнёрским проектом _3rd Generation Partnership Project_ (3GPP). Именно этот международный консорциум отвечает за все ключевые стандарты мобильной связи, включая _Global System for Mobile Communications_ (GSM) и _Long Term Evolution_ (LTE). В отличие от Sigfox и сетей на базе LoRa® Technology, LTE-M и NB-IoT развёртываются и эксплуатируются операторами сотовой связи.
LTE-M совместим с существующими LTE-сетями, обеспечивает покрытие, сопоставимое с LTE, поддержку M2M приложений на уровне 5G и предлагает плавный путь к 5G-решениям M2M. LTE-M ориентирован на переменные скорости передачи и поддерживает как приложения реального времени, так и отложенный трафик с задержками в несколько секунд. Стандарт работает при низком энергопотреблении и поддерживает полосу от узкополосной до 1 Мбит/с. Размер сообщений при этом практически не ограничен.
NB-IoT может сосуществовать с GSM и LTE в лицензированных диапазонах 700, 800 и 900 МГц. NB-IoT создан путём оптимизации и упрощения LTE специально для нечастых передач данных при минимальном энергопотреблении. Максимальная скорость: 200 кбит/с на приём (downlink) и 20 кбит/с на передачу (uplink). Максимальный размер полезной нагрузки одного сообщения — 1600 байт.
Где применяются LPWAN-технологии
LPWANs широко используются в умных счётчиках, системах умного освещения, мониторинге и трекинге активов, умных городах, точном земледелии, мониторинге скота, управлении энергопотреблением, производстве и промышленных IoT решениях. Выбор конкретной LPWAN-технологии зависит от задачи: нужной скорости, объёма данных и требуемого радиуса покрытия.
LPWANs лучше всего подходят для приложений, которым нужна нечастая доставка небольших сообщений преимущественно в сторону сети (uplink). Большинство LPWANs технологий также поддерживают и обратный канал (downlink). Меньшее потребление энергии, большая дальность и более низкая стоимость по сравнению с традиционными мобильными сетями позволяют LPWANs реализовывать множество M2M и IoT приложений, которые раньше упирались в бюджет или ограничения по питанию.
Примеры реальных LPWAN-приложений:
Умные счётчики (коммунальные счётчики с подключением: датчики в подвалах). Умные парковки (датчики в дорожном покрытии и подземных паркингах). Умное управление отходами (подключённые городские мусорные контейнеры). Трекинг активов (отслеживание грузовых поддонов, клеток-паллет и контейнеров по всей стране). Умные здания и инфраструктура (датчики в мостах и тоннелях измеряют температуру, влажность и коррозию — и выявляют уязвимости задолго до появления видимых повреждений). Мониторинг состояния техники (датчики в строительных машинах и транспортных средствах фиксируют неисправности или факт угона).
Arduino® и LPWAN-технологии
Семейство плат Arduino MKR предлагает несколько вариантов подключения к LPWANs:
Сети на базе LoRa® Technology — MKR WAN 1300/1310
Плата Arduino MKR WAN 1310 с модулем LoRa и микроконтроллером Atmel ATSAMD21 — компактное решение для экспериментов с дальней беспроводной связью.
MKR WAN 1310 — плата для разработки и экспериментов с LoRa® technology.
Она легко подключается к The Things Network — платформе с глобальным покрытием LoRa®. Кроме того, плата поддерживает режим точка-точка (point-to-point): можно быстро наладить связь между двумя платами MKR WAN без какой-либо внешней инфраструктуры.
Покрытие
Если вы планируете подключиться к The Things Network, проверьте доступные шлюзы на их LoRa® Gateway map. Также можно развернуть собственный шлюз и подключить к нему несколько конечных устройств — так вы получите собственную частную сеть.
Библиотека MKRWAN
Для работы с Murata CMWX1ZZABZ модулем на борту MKR WAN 1300/1310 обратитесь к MKRWAN library.
Библиотека LoRa
Для быстрой организации связи между двумя платами MKR WAN 1310 используйте примеры из библиотеки LoRa (автор — Sandeep Mistry).
Документация
Официальная документация по платам MKR WAN доступна по ссылкам:
---
NB-IoT / LTE-M — MKR NB IoT
Плата Arduino MKR NB 1500 с модулем u-blox SARA-R410M — универсальное решение для работы в сетях NB-IoT и LTE-M по всему миру.
MKR NB 1500 — плата для глобального применения с поддержкой LTE Cat M1/NB1 в диапазонах 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26, 28.
Среди операторов, предоставляющих услуги в этих диапазонах: Vodafone, AT&T, T-Mobile USA, Telstra, Verizon и другие.
Покрытие
NB-IoT и LTE-M охватывают многие регионы: Европу, Северную и Южную Америку, большую часть Азии.
MKR NB 1500 можно настроить на подключение к NB-IoT или LTE-M, выбрав предпочтительный RAT (Radio Access Technology). Поддерживается конфигурация с основной и резервной сетью.
]() Полную карту покрытия можно посмотреть на [NB-IoT / LTE-M coverage map.
Библиотека MKR NB
Для работы с uBlox SARA-R410M-02B модемом на борту MKR NB 1500 обратитесь к MKRNB library.
Документация
Официальная документация по плате доступна на MKR NB 1500 documentation page.
---
Sigfox — MKR FOX 1200
Плата Arduino MKR FOX 1200 с чипом ATA8520E — готовое решение для подключения к глобальной сети Sigfox.
MKR FOX 1200 — плата для LPWAN-решений на базе Sigfox infrastructure.
Каждая MKR FOX 1200 поставляется с бесплатной годовой подпиской на тарифный план Sigfox — отличная возможность познакомиться с сетью без дополнительных затрат. Уточняйте условия плана (лимиты сообщений в день) на сайте Sigfox.
Покрытие
Сеть Sigfox присутствует в разных частях мира, но наиболее полное покрытие — в странах ЕС. Среди других стран с покрытием: США, Япония, Австралия, ЮАР, Новая Зеландия и ряд других.
Обратите внимание: за пределами ЕС покрытие Sigfox есть, но ограничено отдельными районами страны — перед запуском проекта обязательно проверяйте карту.
Полную карту покрытия можно посмотреть на Sigfox's own coverage map.
Библиотека Sigfox
Для работы с трансивером Sigfox ATA8520 обратитесь к Sigfox library.
Документация
Официальная документация по плате доступна на MKR FOX 1200 documentation page.
Торговые марки
- LoRa® — зарегистрированная торговая марка компании Semtech Corporation.