Привет, всем уважаемым читателям Хабра!

Я, Шептовецкий Александр, в последнее время профессионально занимаюсь различными вопросами эффективности работы различныхLPWANсистем интернета вещей и хотел бы выступить на данной площадке в качестве эксперта в этой области.

В интернете можно найти очень много разнообразной информации о работеLPWAN, но, к сожалению, некоторые очень важные специфические особенности работыLPWANосвещаются самими производителями, заинтересованными показать свою технологию только в лучшем свете. У всех систем объявляется большая дальность работы, все устройства работают 10 лет от батарейки, все обещают беспрецедентную безопасность и надежность системы. Независимые же эксперты как правило просто перепечатывают рекламную информацию в виде сравнительных таблиц с набором самых разных параметров, часто не понимая, что значат эти цифры для потребителя.

Хочу анонсировать серию статей, в которых попытаюсь внести дополнительную ясность в ключевые особенности работыLPWAN систем, энергоэффективность, дальность, время работы от одной батарейки, пропускная способность, безопасность и многое другое. Постараюсь быть максимально объективным.

Первая статья будет посвящена вопросу, что такое энергоэффективность в проекции наNB-IoTрешения, в следующих будем обсуждать энергоэффективность безлицензионных решений, проблемы с дальностью, пропускной способностью, безопасностью и некоторые другие аспекты.

Как померить энергоэффективность

При описанииLPWANсистем постоянно используется слово энергоэффективность, что же оно означает и можно ли ее померить?

В общем случае, под энергоэффективностью понимают эффективное расходование энергии батарейки и обозначают ее как потенциально возможное время работы датчика от батарейки. Почти все производителиLPWANсистем обещают до 10 лет работы от батарейки, можно ли им доверять?

Посмотрим, как определяется понятие энергоэффективность в рекомендациях международного союза электросвязи. В разделе общие положения МСЭ-T L.1310 определено, что показатель энергоэффективности обычно определяется как отношение между функциональной единицей и энергией, требуемой для вырабатывания функциональной единицы.

Основная задачаLPWANсистем это доставка на сервер коротких сообщений от датчиков, поэтому, за функциональную единицу правильно принять именно переданное сообщение. В таком случае, в качестве параметра энергоэффективности при использовании радиоканала можно принять количество энергии, затраченное на отправку одного сообщения.

Энергоэффективность - величина обратно пропорциональная энергии, затраченной на передачу одного сообщения.

Необходимо обратить внимание на следующий факт, что энергия, затраченная на передачу сообщения зависит от времени в эфире и мощности передатчика. На фиксированную дальность можно передать быстро и с большой мощностью, а можно медленно с маленькой и затратить на это одинаковую энергию. Уменьшение скорости для увеличения дальности обычно требуется в случае ограничения мощности передатчика.

В интернете постоянно попадается картинка из трех кругов со следующим комментарием: Любые существующие беспроводные технологии передачи данных обладают такими характеристиками какдальность, скорость иэнергоэффективность. Причем одновременно можно соответствовать лишь 2-м из3-х..

Более точным комментарием будет: Увеличение любого одного или двух из этих трех параметров возможно только за счет уменьшения оставшихся, их произведение остается постоянным.

Энергоэффективность х Площадь покрытия х Скорость =Constant

LPWANдатчики как правило питаются от 3,6 В литиевой батарейки, энергию которой принято определять в милиампер-часах (мАЧ), поэтому, удобнее всего энергию сообщения будет считать в микроампер-часах (мкАЧ). Например, на стандартное короткое сообщение LoRaWAN, длительностью 1,6 секунд расходуется 20 мкАЧ энергии батарейки, что позволяет в предельном случае отправить до 100 тысяч сообщений от стандартной батарейки емкостью 2000 мАЧ. УSigFoxс энергетикой дело обстоит хуже, там сообщение повторяется три раза и длится в эфире 6,2 секунд и потребляет 78 мкАЧ (реальные испытания компанией Rohde & Schwarz показали, что в реальности потребление даже выше - 106 мкАЧ, можно убедиться в этом в отчете). Это значит, что если энергия тратится только на передачу регулярных сообщений, то батарейка уSigFoxразрядится в 3,8 раза быстрее, чем уLoRaWAN устройства! Эта разница существенна! Там, где одно устройство проработает от одной батарейки более трех лет, другое не проживет и года!

Энергоэффективность нельзя сравнивать для систем с разной дальностью работы. Попробуем, например, оценить энергоэффективность датчика сBluetoothканалом.BLEмаячок мощностью 0dBmс короткими сообщениями тратит на передачу с периодом 1 раз в секунду около 7 мкА, это говорит о его беспрецедентной энергоэффективности. От литиевой батарейки 1000 мАЧ он проработает до 15 лет, и передаст более 470 миллионов сообщений, потратив на каждое только 2,1 нАЧ!

Bluetoothможет передать от одной батарейки в десятки тысяч раз больше сообщений, чемLoRaWANилиSigFox

Теперь посмотрим наNB-IoT.

ЭнергоэффективностьNB-IoT

В первую очередь прояснить вопрос энергоэффективностиNB-IoTменя заставило распространенное утверждение, что NB-IoT -LPWANрешение от сотовых операторов полностью вытеснит другиеLPWANрешения, которые работают в безлицензионном диапазоне частот, такие какLoRaWAN,SigFoxи т.п. Давайте посмотрим, как обстоит дело с ключевымLPWANпараметром - энергоэффективностью NB-IoT.

Требования стандарта 3GPPрассчитаны на то, что NB-IoT устройства работать от батарейки десять лет. К сожалению, реальных практических исследований в этой области очень мало. Я обратился к некоторым производителямGPSтрекеров в России, которые реально используют NB-IoT и получил ответ, что по их данным: "NB-IoT действительно обеспечивает большую зону покрытия, но добиться значительного уменьшения потребления связи для передачи коротких сообщений им не удается", по их опыту потребление 2Gмодуля, в среднем, менее чем в 2 раза превышает потребление NB-IoT модуля. То есть NB-IoT получается выигрывает по энергетике у решений 2G не более чем в 2 раза. Выдающимся этот результат явно не назовешь, почему так получилось?

Для прояснения этого вопроса пришлось изучить последние зарубежные исследования в этой области, и вот краткий результат. В отличие от большинства своих конкурентов, NB-IoT появился не с чистого листа, он является модификацией LTE, из которой он наследует многие особенности, определяющие его критические характеристики - энергопотребление, надежность и другие.

Результаты исследования NB-IoT показывают, что его производительность - с точки зрения энергии, в идеальном случае - сопоставима с LoRaWAN. В реальности же наблюдается очень высокий разброс характеристик расхода энергии на одно сообщение от конечного устройства ( данные взяты из публикации Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT).

ЭнергоэффективностьNB-IoTобеспечивается установкой соответствующих параметров конечного устройства и установками операторов сети для режима сохранения энергииPSM. На рисунках 2 и 3 ( данные взяты из публикации Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT) приведены примеры разброса энергии, затраченной конечным устройством в зависимости от устройств в сетях разных операторов и при разных уровнях принимаемого сигнала.

Нельзя забывать, что вNB-IoT энергия тратится не только на саму передачу информации, но и на некоторые другие специфические процедуры, присутствующие в протоколах сотовой связи и унаследованные от LTE и 5G, такие как присоединение и синхронизация с сетью, обмен ключами и шифрование данных.

Вопросы дополнительного потребления NB-IoT устройств подробно рассмотрены в отчетеNarrowband IoT Device Energy Consumption Characterization and Optimizations.

Структура безопасности, используемая в NB-IoT, унаследована от сетей 4G и 5G и обеспечивает процессы фактической аутентификации между устройством и сетью, установление контекста безопасности устройства (SC), который должен быть использован в последующих сообщениях для обеспечения целостности и конфиденциальности данных.

Сеть может запрашивать у устройства повторную аутентификацию сколь угодно часто, даже если устройство уже подключено к сети.В некоторых случаях сеть даже обязана удалить SC устройства и запросить повторную аутентификацию при следующем подключении устройства (например, во время процесса TAU).

УстройстваNB-IoTпотребляют энергию в любом из трех состояний: легкий сон, глубокий сон и работа.Состояния легкого и глубокого сна соответствуют состояниям ожидания и PSM 3GPP, когда устройство потребляет мало энергии или почти не потребляет.Рабочее состояние это состояние, во время которого устройство генерирует данные и общается с сетью и потребляет энергию на процесс установления соединения (RA), процесс присоединения, обмен данными (включая любые требуемые запросы на планирование, прием контрольных данных, шифрование / дешифрование), IMSI дешифрование и активное ожидание. При этом надежные механизмы шифрования могут быть очень энергозатратными и существенно повлияют на время автономной работы устройства.

Потребление энергии в рабочем состояние может быть на порядки больше, чем два других состояния. Фактически потребление энергии для передачи данных и прием на порядки ниже, чем при оперативном выполнении функций RA, Attach и Active Waiting.

Кроме того, NB-IoT определяет три возможных уровня связи, нормальный, надежный и экстремальный, в которых используют разные количество повторов (до 128 и 2048 повторов для восходящей и нисходящей линии связи соответственно).

На рисунке 5 приведены расчеты потребления конечных устройств для 10 лет непрерывной работы взятые из отчетаNarrowbandIoTDeviceEnergyConsumptionCharacterizationandOptimizations. Следует отметить, что у стандартной литиевой батарейки емкостью 1 000 мАЧ соответствует энергии около 12 КДж.

Графики на рисунке 5 показывают очень большой разброс потребления в зависимости от качества покрытия сети и типаNB-IoTустройства. Действительно, если устройство передает один раз в сутки и находится в зоне качественного приема, то его потребление за 10 лет может составить от 5,5 до 55 кДж - в зависимости от установок сети, типа и качества программы устройства. Это соответствует емкости литиевой батарейки 3,6 вольт от 460 до 4 600 мАЧ. Как видим, условие десяти лет работы от батарейки выполняется, но! только в идеальных условиях! В зоне среднего уровня качества связи для передачи сообщений раз в сутки потребуется уже емкость батарейки от 1 700 до 6700 мАЧ. При этом, для передачи сообщений раз в час в течение 10 лет в зоне среднего качества покрытия понадобится неимоверно большая литиевая батарейка емкостью до 150 000 мАЧ.

Сравнение энергоэффективностиNB-IoTс безлицензионными системами получается явно не в пользуNB-IoT. Только в идеальных условиях: условиях высокого качества приема, правильно установленных оператором параметров сети, можно добиться результата не хуже, чем у безлицензионных решений. В зоне среднего качества покрытия ситуация будет другой, она отражена в таблице ниже:

*- дляNB-IoTвзята оценка энергозатрат на одно сообщение в режиме передачи раз в час в условиях среднего качества покрытия по результатам исследований в работе NarrowbandIoTDeviceEnergyConsumptionCharacterizationandOptimizations, для лучшего типа конечного устройства (устройство С). Методика расчета значений энергоэффективности безлицензионных решений, отраженных в таблице, будет приведена в следующей статье.

Выводы:

• Энергоэффективность различных LPWAN проще измерять в милиджоулях или микроампер-часах, затраченных на передачу одного стандартногосообщения.

• Время работы от одной батарейки у различныхLPWANсистем может отличаться в разы и определяется количеством переданных сообщений (как правило это десятки-сотни тысяч сообщений от батарейки).

• Датчики на NB-IoT будут обладать очень большим разбросом потребления в зависимости от производителя, рабочей сети и условий эксплуатации. Один и тот-же датчик в одних условиях проживет 10 лет, а в других не протянет и пару месяцев.

Получается, что датчики NB-IoT, несмотря на то, что они работают на выделенных частотах, в реальных условиях массового применения будут проигрывать в энергетике малопотребляющим LPWAN решениям, работающим в безлицензионном диапазоне частот.