Sigfox

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.

Рисунок 1. Позиционирование LPWAN

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).

Рисунок 2. разброс энергии на передачу данных в зависимости от режима работыРисунок 3. Соотношение сигнал/шум

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.

Рисунок 4. Доля времени, потраченного на различные операции в рабочем состоянии (кроме IMSI шифрования).

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.

Рис 5. Энергия на периодическую передачу данных в зависимости от качества покрытия (normal, robust, extreme).Устройство A - GPy от Pycom, B - BC95 от Quectel, C - SARA-N2 от Sodaq.

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.

Привет всем уважаемым читателям Хабра!

Для дальнейшего обсуждения энергоэффективности, нам придется сначала разобраться с понятием дальности работы безлицензионныхLPWANсистем.

LPWAN переводится как мало потребляющая сеть большой площади покрытия, это означает, что потребление энергии, а значит и энергоэффективность рассматривается только в связке с дальностью работы устройств. Дальность работыLPWANнеобходима для удешевления стоимости инфраструктуры сети, чтобы один шлюз-приемник мог обслуживать как можно больше устройств и не сильно увеличивал накладные расходы в пересчете на один датчик.

Например, если оценить дальностьLoRaWANв городе порядка 5 км, аBluetooth35 метров, то уBluetoothплощадь покрытия будет в 20 тысяч раз меньше. При этом энергия сообщенияLoRaWANбольшеBluetoothпримерно во столько же раз это означает, что энергоэффективность приведенная к площади покрытия уLoRaWANиBluetoothимеют примерно одинаковые значения.

Такой результат полностью согласуется с физическими законами распространения информации по радиоканалу. Известное ограничение Шеннона на скорость передачи информации в эфире можно трактовать в следующей формулировке:

Площадь зоны покрытия приемника при прочих равных условиях обратно пропорциональна скорости передачи информации и практически не зависит от типа применяемой модуляции.

Bluetoothработает быстро, но на маленькое расстояние; для обеспечения связи на площади работы одного шлюзаLoRaWANпридется поставить огромное количествоBluetoothшлюзов, примерно равное как раз отношению площадей покрытия - 20000.

Так какую же дальность имеют распространенныеLPWANсистемы? Если погуглить, то можно найти очень противоречивую информацию, с одной стороны:

• 766 км новый рекорд дальности для LoRaWAN!

• Радиус действия: 30-50 км (3-10 км в зашумленных и труднодоступных районах)

• В городской черте превышает 10 км, а за пределами города ограничивается видимостью горизонта и составляет в среднем 50 км

Есть и другая информация:

• большое расстояние до 10 км от шлюза

• максимальная успешная дальность связи 3.8 км

• в результате испытаний удалось получить устойчивую связь в радиусе 500 метров от базовой станции

Попробуем немного прояснить ситуацию. Есть общее понимание, что дальностьLPWANв первую очередь определяется чувствительностью приемника шлюза. На самом деле одной чувствительности совсем не достаточно, но об этом будет в следующей статье.

ЧувствительностьLPWANприемника

В интернете активно гуляют следующие картинки обосновывающие уникально высокую чувствительностьLoRa.

Давайте проверим, так ли это на самом деле. Возьмём характеристикиLoRaWANприемников и для сравнения возьмём качественный чип приемника в диапазоне 868 МГц с возможностью медленной передачи информации. Идеальным примером является приемникAX5243 производстваONSemiconductor. Результаты приведены в таблице 1 и на рисунке 2.

Рис 2. Зависимость чувствительности приемника от скорости передачи данных для LoRaWAN и AX5243

Наша картинка на рис 2 несколько отличается от популярных изображений на рис 1. Как видим, разница чувствительности приемников незначительна, что еще раз подтверждает: чточувствительность приемника обратно пропорциональна скорости передачи информации и, при правильно спроектированном приемнике, не сильно зависит от типа применяемой модуляции.Современная элементная база позволяет проектировать приемники шлюза с чувствительностью, приближающейся к ограничению Шеннона.

Ключевым преимуществом чиповLoRaявляется, собственно, не высокая чувствительность на низких скоростях, а низкие требования к стабильности опорного генератора. На конечных устройствах нет необходимости применять дорогие и много потребляющие компоненты для стабилизации частоты.

Зависимость дальности от чувствительности приемника

Для сравнения дальности работы радиоканала обычно используют специально разработанные модели оценки, например модель распространения радиоволн Хата, которая работает при условии размещения антенн шлюзов выше соседних крыш, что как раз важно при установкеLPWANшлюзов. Потери в канале в условиях города определяются по формуле:

Для потерь в условиях сельской местности и открытого пространства в модели вводятся соответствующие поправочные коэффициенты. Подробности модели Хата можно посмотреть в Википедии или других источниках в интернете, там же можно найти калькуляторы расчета дальности радиоканала в городе, основанные на этой модели.

Оценим по модели Ханта дальность работы для нескольких типичных вариантов использования в частотном диапазоне 868 МГц. Рассмотрим несколько типичных случаев использованияLPWANв плотной городской застройке и сельской местности. Мощность излучения примем равной 14dbm. Коэффициент усиления антенны шлюза будем считать равным 6dbi, дополнительные потери 3db, а конечное устройство расположенным на высоте 1 метр над землей. Чувствительность приемника будем считать -137dbmдляLoRaWAN, -142dbmдляSigFoxи -145dbmдля продвинутыхUNBсистем типа Стриж, Вавиот,GoodWAN(почему в последнем случае указано -145dbmи при каких условиях такую чувствительность можно получить обсудим в одном из следующих постов). Для оценкиindoorпокрытия примем величину ослабления на излучение из помещений на первых и полуподвальных этажах зданий равным 15db(грубая оценка, реально эта величина слишком зависит от местных условий).

Важно, что модель Ханта корректно работает только в случае плоского рельефа местности, с антенной шлюза, расположенной над ближайшими крышами домов, для дальностей 1-20 км (последняя строка таблицы 2 выходит за пределы 20 км, но для примерной оценки полученные цифры достаточно адекватны). В условиях открытого пространства обычно работает такое эмпирическое правило: если от антенны шлюза видны крыши ближайших к конечному устройству домов, то связь будет обеспечена.

Обратите внимание, что дальность очень сильно зависит от высоты подъема антенны. В большом городе можно установить шлюз на крыше жилой высотки, обычно это 60 метров и более, в сельской местности высоко разместить антенну обычно не получается и для расчета мы взяли 15 метров. В результате дальность в селе оказалась меньше, чем в городе! Это, казалось бы, полностью противоречит распространенным утверждениям, что за городом дальностьLPWANсильно больше. Да, сильно больше, но при одинаково высоко установленных антеннах, в реальности же обычно имеем теже 10 кмoutdoorпокрытия.

СравниватьLPWANсистемы правильнее не по дальности, а по площади покрытия, так как количество обслуживаемых конечных устройств обычно пропорционально именно площади покрытия, сравнительная таблица приведена ниже.

Эти цифры легко запомнить, они нам пригодятся при дальнейшем анализе эффективности различныхLPWANсистем.

В настоящее время активно обсуждается возможность использованияLPWANв диапазоне 433 МГц. В распоряжении Ассоциации Интернета Вещей появился опросникМинцифры России от 06 апреля 2021 года об оценке необходимости новых полос радиочастот для внедрения узкополосных беспроводных сетей связи Интернета вещей в диапазонах 400 МГц и 800 МГц. Основным аргументом для использования 433-го диапазона является утверждение о значительно лучшем в этом диапазоне распространении радиоволн в городе. Основным отрицательным фактором является необходимость использовать значительно большие по габаритам антенны в конечных устройствах.

Оценим увеличение площади покрытия при переходе на 433. Разрешенная мощность излучения в этом диапазоне 12,5dbm, дополнительные потери на конечном устройстве увеличим на 3db(скорее всего будут использоваться укороченные антенны), но дополнительные потери наindoorпокрытие, наоборот, уменьшим на 3db.

Теперь разработчикамLPWANсистем необходимо определить достаточно ли такого увеличения площади покрытия для освоения нового частотного диапазона и решения главной проблемы, связанной с габаритами антенны конечного устройства.

Дальность работы и соответствующая площадь покрытия очень сильно уменьшается в случае необходимостиindoorпокрытия на первых и подвальных этажах зданий. Оценочные значения приведены в таблице 2 и обобщены в таблице 5.

Как связана дальность и энергоэффективность системы? Возможно такое сравнение.

- Вам надо перевезти много людей из пункта А в пункт В. Наверное вы воспользуетесь большими автобусами, а не такси, расходы топлива и на обслуживание техники в пересчете на одного человека будут меньше. И это несмотря на то, что расходы на одно такси меньше, чем на один автобус.

Так и при оценке энергоэффективностиLPWANсистем, есть смысл рассчитывать ее в пересчете на количество обслуживаемых конечных устройств, или на площадь покрытия, которая в общем случае пропорциональна количеству датчиков на ней размещенных. Имеет смысл ввести коэффициент эффективностиLPWANсистемы прямо пропорциональный ее площади покрытия, например, см таблицу 3.

Выводы

1. Площадь покрытия шлюза один из ключевыхLPWANпараметров, он позволяет определить стоимость вложений в инфраструктуру сети. Обычно сеть покрытия строят с пересекающимися зонами покрытия шлюзов, в таком случае увеличение площади одновременно позволяет повысить надежность доставки информации.

2. Зона покрытия сильно зависит от высоты подъема антенны шлюза, она должна располагаться выше ближайших крыш.

3. Площадь покрытия правильно спроектированныхUNBсистем в 2-3 раза большеLoRaWAN

4. Indoorиoutdoorпокрытие две большие разницы, дальностьindoorпокрытия на первых и полуподвальных этажах в 2-3 раза меньше. Когда говорят о дальностиLPWANвсегда требуется уточнять о какой дальности идет речь.

5. Переход на более низкий частотный диапазон с 868 на 433 МГц сопряжен с необходимостью использовать на конечных устройствах антенны с большими габаритами, но позволяет увеличить площадь покрытия, порядка в 2,4 раза дляindoorустройств на первых и полуподвальных этажах зданий.