Сравнение LPWAN-технологий: XNB от «СРТ» и NB-IoT
NarrowBand Internet of Things, NB-IoT — беспроводная технология семейства LPWAN для Интернета вещей, реализуемая на базе инфраструктуры сотовых сетей и стандартизированная консорциумом 3GPP релизом 13: LTE-Advanced Pro.
В создании релиза участвовали производители оборудования для сотовых операторов: Huawei, Ericsson, Qualcomm и Vodafone. Каждый из них преследовал свои интересы и предлагал выгодные для себя технические решения.
Благодаря широкому распространению под NB-IoT зачастую подразумевают три разные технологии, принятые релизом 13 3GPP:
EC-GSM (EC-GSM-IoT)
Extended Coverage – GSM – Internet of Things (EC-GSM-IoT) технология основана на стандарте eGPRS. Изменения, внесенные в eGPRS, позволяют использовать большинство установленных базовых станций для общения с EC-GSM-IoT устройствами без замены или модернизации аппаратного обеспечения. Вместе с тем, заявлено, что для работы EC-GSM-IoT потребуется обновление ПО существующего оборудования.
LTE Cat-M1
LTE Cat-M1 — дополнение стандарта LTE с более высокими параметрами энергоэффективности. Заявляется, что конечные устройства LTE Cat-M1 смогут работать в LTE-сети без модернизации базовых станций.
NB-IoT
Суть NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) заключается в использовании чипов, способных работать в сотовых сетях, но имеющих сравнительно простую логику.
Вместо выработки компромиссного решения, 3GPP включила в релиз три конкурирующих между собой технологии, выбор которой отдан на откуп производителям чипов или сотовым операторам.
Технология NB-IoT
Бизнес-модель сотовых операторов, работающих на технологии NB-IoT заключается в развитии рынка конечных IoT-устройств и предоставлении коммерческих услуг по передаче данных для решений Интернета вещей.
Так, операторы решений на NB-IoT предлагают 3 модели партнерства с поставщиками IoT-устройств:
- Продажа вертикального решения клиенту напрямую.
- Продажа IoT-сервисов клиентам совместно с партнером или через него.
- Продажа услуги связи партнеру без взаимодействия с клиентом.
NB-IoT выполняет роль «транспорта» — доставки данных от устройства до БС. Технология создавалась как надстройка для работы на уже существующей инфраструктуре.
В России для вещания NB-IoT могут использоваться только лицензируемые частоты в диапазоне: 890-915 МГц и 935-960 МГц при мощности передатчика до 200 мВт.
Использование выделенного спектра обеспечивает стабильность связи и защищает сеть от помех «чужих» сетей. Миллиардные затраты на покупку лицензированных частот покрываются доходами от бизнеса сотовых операторов.
В январе 2018 года ГКРЧ разрешила «большой четверке» сотовых операторов использование частот в режиме NB-IoT. Операторы смогут использовать под NB-IoT старые GSM-сети и сэкономить на покупке новых частот. Важно учитывать, что для вещания в GSM-сетях, вероятно, потребуется модернизация GSM-базовых станций (БС).
Ширина NB-IoT радиоканала равна ширине ресурс-блока LTE – 180 кГц. Это относительно высокое значение по сравнению с узкополосными LPWAN-технологиями.
Такой канал позволяет использовать NB-IoT для приложений со скоростью от 20 000 до 250 000 бит/сек.
Сравнительно высокие скорости на практике выглядят избыточными для многих IoT приложений, в частности, для одного из наиболее массовых рынков — диспетчеризации приборов учета в ЖКХ.
Высокая, относительно узкополосных LPWAN-протоколов, скорость отрицательно сказывается на других характеристиках: дальности связи, масштабируемости решений, проникающей способности.
Технология XNB от «СТРИЖ»
Коммерческая деятельность «СТРИЖ» сегодня основана на:
- продаже готовых IoT-решений как мелким и средним, так и крупным индустриальным клиента напрямую;
- продаже готовых IoT-решения через региональных дилеров и партнеров;
- комплексной продаже устройств и услуг LPWAN-связи для интегратора, внедряющего собственные IoT-решения.
«СТРИЖ» разработал полный стек технологии для Интернета вещей: радиопротокол, конечные устройства, базовые станции и серверное ПО.
В основе стека технологии «СТРИЖ» лежит узкополосный, энергоэффективный и оптимизированный для межмашинного (M2M) обмена данными на больших расстояниях протокол XNB (Extended Narrow Band). XNB изначально разработан для передачи радиосигнала в спектре 868,8 МГц (не требует лицензирования) при мощности передачи до 25 мВт. При этом, XNB может работать и на лицензируемых субгигагерцовых частотах, при наличии таковых.
Из-за того, что базовые станции и конечные устройства СТРИЖ «общаются» в нелицензированном диапазоне, где в эфир выходят сотни устройств из других сетей, необходима защита от помех и коллизий — наложений сигналов.
Для их устранения «СТРИЖ» использует сверхузкополосный сигнал и специальные алгоритмы приема-передачи:
- планирование сеансов связи: алгоритм приема-передачи, зашитый в самом устройстве и базовой станции;
- использование помехоустойчивого кодирования радиосигнала;
- математические методы и CRC-проверки, позволяющие существенно повысить вероятность корректной доставки.
Сигнал, передаваемый устройством в полосе 100 Гц, и высокая энергетика на каждый бит передаваемой информации, вкупе с высокими показателями чувствительности приемника, обеспечивают превосходный бюджет канала связи в 174 дБм и высокую помехоустойчивость.
Скорость обмена данными в сети «СТРИЖ» составляет от 500 до 5000 бит/сек. Так как протокол XNB изначально разрабатывался для снятия и передачи небольшого объема данных с приборов учета и датчиков, указанной скорости более чем достаточно для реализации целевых задач. Масштабные проекты, реализуемые «СТРИЖ», требуют высокой автономности конечных устройств, большой дальности приемо-передачи, масштабируемости и относительно низкой стоимости внедрения.
Базовые станции
NB-IoT
Ключевые характеристики базовых станций: чувствительность, дальность связи и емкость.
Предполагаемая дальность связи NB-IoT станции — до 15 километров в сельской местности. Однако, судя по показателю бюджета связи — 164 дБ и низкой чувствительности приемника: -127 дБм, вряд ли базовая станция сможет в городских условиях «услышать» умные устройства на расстоянии дальше, чем 2-3 километра.
В городах, по оценкам операторов, ограничивающим фактором станет не дальность, а емкость сети (способность принять и обработать сигналы от устройств-абонентов). Для его нивелирования предполагается довести плотность сети в городе до 1 базовой станции на квадратный километр, на которые приходятся всего несколько тысяч датчиков (до 4000 согласно расчетам специалистов).
Эта задача будет решаться либо за счет использования GSM-сети, либо затратами на новые БС с поддержкой NB-IoT.
Вероятно, перед операторами стоит задача модернизации некоторой части оборудования: базовые GSM-станции, выпущенные ранее 2015 года, не поддерживают стандарт NB-IoT и нуждаются в аппаратном «апгрейде». GSM-оборудование, выпущенное после 2015 года, обновляются программно.
Модернизация инфраструктуры для сетей NB-IoT будет находиться в значительной зависимости от коммерческих перспектив конкретных территорий.
Малая дальность связи будет ограничивающим фактором проникновения покрытия традиционных сотовых сетей в малонаселенных районах: селах, автомагистралях, полях.
С учетом вышеописанных факторов, перспективы распространения NB-IoT за пределами крупных городов представляются ограниченными.
XNB от «СТРИЖ»
Благодаря тому, что базовая станция «СТРИЖ» способна одновременно обрабатывать до 5 000 каналов в нелицензируемом 500 кГц диапазоне, ее емкость составляет до 1 000 000 устройств в сутки. Подтвержденный радиус действия БС — до 10 километров в условиях городской застройки и до 50 километров на открытой местности.
Базовую станцию «СТРИЖ» отличает высокий бюджет канала связи в 174 дБм. Преимущество в 10 дБ по сравнению с бюджетом NB-IoT дает трехкратное увеличение дистанции связи или дополнительные 2 бетонные стены в доме.
Улучшения, вносимые в протокол XNB, не влияют на аппаратную часть станций и вносятся на программном уровне. Обновление ПО происходит централизованно с сервера и занимает не больше минуты.
Вывод
Вследствие более низкой чувствительности, а также «фиксированного», стационарного расположения сотовых вышек, NB-IoT-станция может «слышать» не все сигналы, из-за чего появляются «слепые зоны» покрытия, особенно в труднодоступных местах. Умные счетчики не поставишь в подвал или железный шкаф, что критично для организации масштабных решений учета ресурсов в ЖКХ.
На практике это означает, что БС сотового оператора не примет показания от 20 из 100 установленных на первых этажах дома приборов учета. Эффективность и целесообразность такого решения с точки зрения пользователя снижается до нуля. При этом, телеком-оператор не будет ставить дополнительную дорогостоящую NB-IoT станцию для устранения относительно небольшого «белого пятна» на карте покрытия.
Такой подход не окупит затрат на приобретение новой БС, процедуру согласования оборудования и монтажа.
Стоимость развертывания сети для Интернета вещей
Базовые станции «СТРИЖ» не требуют лицензирования и согласований на установку. Будь то предприятие со 120 датчиками температуры в отдаленном районе или застройщик с 5 000 умными счетчиками
Проект федерального покрытия телематической сетью «СТРИЖ» для Интернета вещей на транспорте может быть реализован с помощью мобильных БС, встраиваемых в транспортные средства, и развертывания сети стационарных базовых станций — их небольшая стоимость позволяет это сделать.
Затраты на обслуживание базовой станции «СТРИЖ» составляют около 400 рублей в месяц: оплата интернет-трафика и 11 киловатт-часов электроэнергии — столько потребляет одна люминесцентная лампочка.
Вывод
Высокая стоимость оборудования, его обслуживания и неподъемная для малого и среднего бизнеса цена лицензирования радиочастот будут и дальше сдерживать развитие NB-IoT технологии.
Развертывание сети на неосвоенной операторами территории: в сельской местности, дорогах повлечет затраты на инфраструктуру, подведение коммуникаций и различные согласования (капитальное строительство сотовых вышек). Удаленные районы, очевидно, не могут быть охвачены операторами NB-IoT-сетей как минимум ближайшие 7 лет. Разворачивать сотовые сети с поддержкой NB-IoT технологии смогут только крупные сотовые операторы, и там, где это может быть экономически оправдано: в крупных городах с уверенным покрытием и развитой новой инфраструктурой сотовых сетей.
Развернуть IoT-сеть на технологии «СТРИЖ» может профильный предприниматель или организация: компания, управляющая жилым кварталом, фермерское хозяйство, или ресурсоснабжающая организация.
Низкая стоимость, малые габариты и невысокие требования к обслуживанию базовых станции «СТРИЖ» позволяют масштабно разворачивать IoT-сети на больших территориях, в том числе и вдоль автомобильных и железных дорог для транспортных приложений. Такой сценарий предусмотрен «Дорожной картой» программы «Цифровая экономика России», а также рядом индустриальных программ, связанных с повышением эффективности управления инфраструктурой и безопасностью на транспорте.
Конечные устройства
Сегодня в России решения на технологии NB-IoT предлагают несколько сотовых операторов. Однако в продаже конечного оборудования, работающего на базе NB-IoT, на крайне мало.
Препятствует распространению NB-IoT сложна архитектура решения. В предлагаемых операторами системах счетчики нужно подключать к устройствам сбора и передачи данных (УСПД) по проводам через внешние интерфейсы.
Опыт эксплуатации доказывает, что проводные соединения усложняют процесс монтажа и снижают надежность решения: выйдет из строя геркон дешевого счетчика, отойдет контакт, его перепутает электрик или намеренно оборвут жильцы.
Кроме того, из-за высоких пиковых токов в устройствах, работающих на NB-IoT, необходимо внедрять дорогую и энергоемкую батарею. Это предполагает не только удорожание решения, но и увеличение размеров устройства: такие батареи чаще всего имеют крупные габариты.
Причем работа умных устройств в решениях на NB-IoT предполагает наличие SIM-карт, что ведет к ещё большему удорожанию внедрения, путанице с пользователями и последующим затратам на абонентское обслуживание.
В свою очередь «СТРИЖ» продаёт устройства, готовые к использованию «из коробки». Счетчики и датчики со встроенными XNB-радиомодулями не отличаются по установке и пуско-наладке от стандартных традиционных устройств без связи.
Подключения УСПД и вызова специалистов-наладчиков не требуется.
Вывод
- Для того, чтобы стать действительно массовым, решение должно быть максимально простым, готовым и беспроводным.
- Пока имеющиеся на рынке NB-IoT устройства выполнены в виде модемов-«полуфабрикатов» и не представляются надежными решениями.
- «СТРИЖ» поставляет готовые беспроводные устройства, работающие в любой XNB-сети прямо «из коробки».
- Для установки приборов учета «СТРИЖ» достаточно штатного сантехника или электрика управляющей организации.
Стоимость конечных устройств
Цена NB-IoT радиомодуля (непосредственно чип плюс обвязка) начинается от 650 рублей, на крупно-оптовых партиях, вероятно, цена может быть снижена.
Цена УСПД RTU102m-NB1 с поддержкой NB-IoT — 5 000 рублей. К этой цифре необходимо добавить затраты на интеграцию с счетчиком и стоимость собственно водомера с импульсным выходом. Итоговая стоимость решения — более 6 000 рублей за 1 узел учета воды.
Другой сценарий — умные счетчики с радиомодулем NB-IoT. Например такой счетчик воды стоит порядка 4 500 рублей, что в два раза дороже устройства от «СТРИЖ» и в 6 раз дороже обыкновенных водомеров.
Так, розничная цена счетчика воды с XNB-радиомодемом «СТРИЖ» — 2 030 рублей. Продажа первых решений «СТРИЖ» по дистанционному учету коммунальных ресурсов началась в 2014 году. Спустя 3 года было реализовано и установлено почти 200 000 устройств.
Вывод
Рынок «умной» автоматизации чувствителен к стоимости и удорожанию конечных устройств: увеличение себестоимости датчика даже на 50 рублей, выпущенного миллионной серией, повлечет соответствующие расходы. В особенности это критично для решений, связанных с ЖКХ.
Готовых устройств с поддержкой NB-IoT крайне мало. УСПД дороги из-за высокой стоимости «железа» и отсутствия отлаженного крупносерийного производства. Появление устройств NB-IoT, сопоставимых по цене с устройствами других производителей, ожидается не ранее 2020-2021 года.
Массовое производство чипов, на базе которых создан радиомодуль «СТРИЖ», положительно сказалось на стоимости: они в 3-4 раза дешевле чипов для NB-IoT.
Разница в стоимости комплектующих отражается и на стоимости готовых устройств. Невысокая цена радиомодуля «СТРИЖ» обеспечивает низкую себестоимость IoT-решений, включающих десятки тысячи автономных приборов.
Идеальный сценарий использования «СТРИЖ» — стационарные и мобильные приложения на территориях или объектах, где требуется развертывание телематических сетей с высокими требованиями к проникающей способности сигнала и автономности конечных устройств.
Ведется разработка собственного LPWAN-чипа «СТРИЖ», совмещающего в себе трансивер и микроконтроллер. Создание собственного чипа упростит и максимально удешевит производство устройств «СТРИЖ».
Автономность
Диапазон скоростей передачи сигнала в сетях NB-IoT варьируется от 20 000 до 250 000 бит/сек. Мощность радиосигнала NB-IoT-устройств — 23 дБм или 200 мВт. При этом, производители заявляют о 10-летней автономности приборов. По оценкам экспертов, для обеспечения 10-летнего срока жизни прибора, с учетом температурных колебаний, потребуется батарея емкостью от 7 до 15 Втч.
Энергоэффективный протокол XNB от «СТРИЖ» отправляет сообщения со скоростью 50 бит в секунду в полосе 100 Гц. Небольшая скорость и узкополосный сигнал обеспечивают хороший бюджет связи.
Устройства «СТРИЖ» передают радиосигнал мощностью до 25 мВт. Это в 8 раз ниже мощности, излучаемой NB-IoT-радиомодемом.
Средние показатели потребления питания при этом: до 10 мкА - в режиме «сна» и до 50 мА — в режиме передачи (оценка по верхней планке).
Вывод
При сравнении технологий NB-IoT и XNB с точки зрения автономности конечных устройств последняя выглядит гораздо предпочтительнее.
Высокая скорость передачи снижает срок службы батареи конечных устройств — чем выше скорость, тем больше энергии расходует NB-IoT-радиомодуль.
Подтвержденный автономный срок работы XNB-счетчиков «СТРИЖ» составляет 6 лет. Столько времени уже проработали первые умные устройства в жилых кварталах Москвы и Перми.
XNB-протокол оптимален для прикладных задач съема телеметрии, требующих длительной автономной работы. Например, счетчиков ресурсов или иных датчиков, установленных в труднодоступных местах: подвалах, стояках многоквартирных домов и подземных парковках.
Развитие технологий в России
Сетевое оборудование, поддерживающее NB-IoT, производится за пределами России компанией Qualcomm и рядом других крупных иностранных вендоров.
Так, сотовые сети российских операторов — базовые станции, программное обеспечение и система управления БС, — как минимум, наполовину построены на оборудовании китайского вендора.
Технология «СТРИЖ», включая оборудование и программное обеспечение, — полностью отечественные: базовые станции собираются в Москве, конечные устройства производятся на собственных мощностях, а также на заводах российских партнеров.
Серверы компании расположены на территории России. Ведется работа по внедрению в систему шифрования согласно ГОСТ.
С 2014 года «СТРИЖ» создает и применяет российские информационные технологии и обеспечивает их конкурентоспособность на международном уровне.
Разрабатываемые и внедряемые «СТРИЖ» решения для Интернета вещей в полной мере соответствует основным положениям «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной Президентом, а также проекту «Умный город», входящий в госпрограмму «Цифровая экономика».
Вывод
Строить сетевую инфраструктуру на иностранном оборудовании и ПО небезопасно как по техническим, так и политическим соображениям. А так как операторы имеют обыкновение закладывать часть стоимости оборудования в последующее его обслуживание, сотовые IoT-сети могут существенно подорожать в ближайшие 3 года.
«СТРИЖ» последовательно выполняет программу Стратегии, заменяя импортное оборудование, программное обеспечение и электронную компонентную базу на российские аналоги, не уступающие, а во многом и превосходящие иностранные разработки.
Абонентская плата за использование сети
В сотовых сетях абонентская плата регулируется оператором. В России уже есть прецеденты, когда с ростом трафика увеличивались и тарифы. Для ЖКХ абонентская плата в размере 50 рублей с 1 устройства является существенной статьей дополнительных расходов, влияющей на окупаемость.
Сеть «СТРИЖ» разворачивается на недорогих базовых станциях. Клиент становится «хозяином» собственной сети. Стоимость решения «СТРИЖ» оптимизируется за счет нелицензируемого диапазона вещания и недорогого оборудования.
В рамках текущей коммерческой политики, ориентированной на сектор ЖКХ, абонентская плата с мелких и средних клиентов не взимается.
При построении сети федерального уровня, бизнес-модель, вероятно, будет предусматривать абонентскую плату или ее аналог.
Вывод
Абонентская плата за M2M-трафик и вероятность ее увеличения сдерживают крупный бизнес и организации, которые не могут зависеть от сотовых операторов: госкомпании, оборонный сектор, застройщики с тысячами приборов учета коммунальных ресурсов.
Возможность развертывания собственных сетей без абонплаты позволит и крупным компаниям, и небольшим организациям реализовывать проекты на платформе «СТРИЖ. В случае введения абонплаты при развертывании федеральной сети «СТРИЖ», ее размер будет на порядок меньше по сравнению с тарифами сотовых операторов.
Преимущества и особенности NB-IoT
Преимущества
- Наличие инфраструктуры в крупных городах: пользователь не «заморачивается» на развертывании станций.
- Высокие скорости передачи информации: можно использовать для приложений с уровнем трафика от 20 000 до 250 000 бит/сек.
- Низкая задержка передачи сигнала (latency) до 1 сек от момента срабатывания до оповещения в личном кабинете. На загруженных сетях задержки могут достигать 3 секунд.
Идеальный сценарий использования NB-IoT — стационарные и мобильные приложения в городской черте с высокими требованиями к пропускной способности канала и сравнительно терпимыми к проникающей способности и автономности.
Особенности
- абонентская плата за трафик;
- риск одностороннего изменения условий сотрудничества: увеличение абонплаты;
- полная зависимость от оператора и его инфраструктуры;
- отсутствие готовых конечных устройств: связка модем-счетчик ненадежна;
- невозможность развернуть частную сеть;
- наличие SIM-карт в объемах от 100 устройств вызывает путаницу на стороне клиента;
- относительно невысокая автономность: придется менять батарею или обеспечивать постоянное питание;
- дорогая инфраструктура и лицензии на частоты при развертывания новой сети в малонаселенной местности, за которую платит пользователь в виде абонплаты;
- стоимость модемов и точки учета выше среднего по отрасли;
- ниже показатель чувствительности и, как следствие, хуже проникающая способность сигнала;
- наличие теневых пятен в покрытии;
- длительный TTM (time to market) решений: заявленные решения придется ждать от 1 года и более;
- иностранная технология от зарубежных вендоров (информационная безопасность).
Перечисленные особенности приводят к тому, что NB-IoT безусловно получит определенное применение в городах с населением более 100-300 000 человек. В городах с меньшим населением, по запросу крупных клиентов возможно построить NB-IoT-сеть за 6-9 месяцев. Покрытие автомобильных и железных дорог, вероятно, не будет в приоритете.
Наиболее привлекательные приложения для NB-IoT:
- ритейл и банки: вендинговые аппараты, кассовые аппараты, банкоматы;
- медицина: носимые устройства, удаленный мониторинг;
- системы безопасности: сигнализация, контроль оборудования;
- потребительская электроника.
Преимущества и особенности технологии «СТРИЖ»
Преимущества
- Дешевые базовые станции: от 86 650 руб.
- Низкая стоимость владения сетью (питание, транзитный канал) — от 400 руб. на станцию в мес.
- Широкий территориальный охват: до 10 км в городе, 40 км. на открытой местности.
- Белые пятна легко «закрываются» недорогими базовыми мини-станциями.
- Высокая плотность устройств: до 1 000 000 устройств на 1 станцию в сутки.
- Эффективное покрытие малонаселенных территорий, автомобильных и железных дорог мобильными или стационарными БС.
- Высокая проникающая способность делает возможным опрос устройств из подвалов, стояков, шкафов, что критично для учета ресурсов в ЖКХ.
- Высокая автономность устройств: до 10 лет от встроенной батареи.
- Возможность развертывания частных и закрытых сетей без абонплаты.
- Не требует лицензирования, свободно используется в любой точке РФ.
- Отсутствие расходов на лицензию не перекладывается на абонента
- Готовые интегрированные plug-and-play устройства и законченные решения.
- Стоимость чипов ниже — стоимость устройств ниже.
- Вертикальная платформа LPWAN-связи: от протокола до пользовательского приложения.
- Быстрый вывод решений на рынок: 3 недели на прототип, 2 месяца на готовый продукт.
- 100% отечественная технология: импортоопережение, безопасность, экспортный потенциал.
Идеальный сценарий использования «СТРИЖ» — быстрое и недорогое развертывание частных или публичных сетей с большой плотностью стационарных или мобильных устройств на любой территории, независимо от коммерческих интересов традиционных сотовых операторов.
Особенности
- Скорость передачи: 50/500/5000 бит/сек, подходит для приложений с низкими требованиями к пропускной способности канала связи: телеметрия счетчиков и датчиков.
- Нелицензируемый диапазон — выше вероятность помех — эффективно нивелируется за счет узкополосного подхода и высокого бюджета канала связи (link budget) 174 дБм.
«СТРИЖ» идеален для использования в следующих отраслях:
- ЖКХ и электроэнергетика: диспетчеризация и учет ресурсов.
- Транспортная телематика: мониторинг грузов, вывоз отходов, «цифровая железная дорога».
- Контроль зданий и объектов: датчики дыма, доступа, температуры, протечки.
- Аграрный сектор: мониторинг на обширных территориях сельскохозяйственных полей, складов, теплиц.
- Необходимость разворачивать сеть там, где нет покрытия, для «СТРИЖ» не является барьером, так как инфраструктура доступна даже для небольшого заказчика.