Вторая из серии статей, посвящённая описанию основных отличий технологий маломощной дальнобойной радиосвязи, получающей сейчас распространение в системах Интернета вещей: широкополосной связи LoRa от узкополосных (UNB, Ultra Narrow Band) систем, таких как Sigfox и «Стриж», а также вопросам их практического применения.
- Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. Часть 1: физика
- Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. Часть 2: бизнес
- Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. Часть 3: сети и оборудование LoRa
- Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. Часть 4: технические тонкости
Извиняюсь за долгое молчание — я обещал многим выложить эту часть статьи ещё 22-го августа, но меня немного затянул прекрасный город Алматы, а потом прочие неотложные дела. В качестве компенсации — обещаю после сегодняшнего текста рассказать про конкретное оборудование для сетей LoRa/LoRaWAN (наше и не только), а потом — ещё и про некоторые технические аспекты работы сетей LPWAN. Последний текст логически должен был бы продолжать самый первый — там будет и про помехозащищённость, и про проблему обратной связи, и про достижимые скорости — но с одной стороны, на наших лекциях многие интересовались этими деталями, а с другой, сегодняшний текст тоже был обещан ещё более многим, и задерживать его ещё дольше совсем некрасиво. Поэтому четвёртую часть рассматриваем как дополнение для тех, кто ещё помнит из институтской программы, что такое спектральная плотность шума и быстрое преобразование Фурье.
Итак, поехали. В первой части я рассказал, чем схожи и чем отличаются на физическом уровне конкурирующие протоколы для IoT-сетей большой дальности — LoRa, Стриж, Sigfox и другие.
Но отличия на физическом уровне — это знания академические, нас же волнует, можем ли мы реализовать на том или ином протоколе тот или иной проект. Клиенту не нужно знать принцип действия молотка — ему нужно картину на гвоздь повесить.
И вот здесь всё становится совсем весело.
Главное, что нужно понимать про все перечисленные протоколы — они все проприетарные, то есть, как минимум физический уровень принадлежит конкретной компании. Сейчас разрабатывается открытый стандарт Weightless (он относится к группе UNB-систем), но до его практического внедрения пройдёт ещё неизвестно сколько времени — и, собственно, само это внедрение в общем и целом под вопросом: стандартов разрабатывается много, выживают из них единицы.
Второй важный момент: владельцы патента обычно хотят контролировать не только физический уровень.
Собственно, какие уровни вообще у нас есть — если рассматривать не модель OSI, а реализованный IoT-проект?
- Физический уровень. В нашем случае — это полупроводниковый чип, реализующий нужный нам канал связи, и/или специальная прошивка для некоторого набора типовых чипов, если канал связи может быть реализован чисто программно.
- Протокол связи. Это MAC-уровень и сетевой уровень модели OSI — конечные устройства передают с их использованием данные на базовую станцию сети.
- Собственно конечные устройства. В них стоит чип, на котором реализован нужный нам канал связи с нужным MAC и сетевым уровнями.
- Базовая станция.
- Сеть передачи данных. Это как физические каналы связи от базовой станции до центрального сервера сети, так и бегающий по ним протокол.
- Система управления. Центральный сервер сети, который принимает данные от базовых станций. Может как включать в себя ПО верхнего уровня, занимающееся хранением-обработкой-визуализацией этих данных, так и просто передавать их куда-то дальше.
Совокупность всего это и образует сеть сбора данных поколения Интернета вещей. И если говорить про степень открытости для третьих сторон трёх основных представленных на рынке стран СНГ технологий — LoRa, Стриж, Sigfox — то выглядит она так:
Sigfox — исторически первая крупная компания на этом рынке — выбрал для себя довольно закрытую модель. У Sigfox необходимо купить базовые станции и заключить с ним договор на разворачивание сети, к которой будет предоставляться платный доступ сторонним абонентам. Часть денег, полученных с абонентов, по этому договору уйдёт в Sigfox. Базовые станции передают данные на сервера Sigfox, то есть канал связи — не физический, конечно, но логический — и ПО верхнего уровня также принадлежат Sigfox.
К счастью, Sigfox не стал узурпировать рынок чипов и конечных устройств — он договорился с Texas Instruments, SiLabs и другими производителями о поддержке своей сети, так что если вы желаете сделать или заказать какое-то нестандартное Sigfox-устройство — это не составит принципиальной проблемы.
К сожалению, проблему может составить его подключение к сети: если в Европе Sigfox успел развернуться, то сейчас, с появлением LoRa, его экспансия фактически остановилась.
«Стриж-телематика», объясняя необходимость этого неразвитостью рынка, пошли ещё дальше — в их случае вертикаль власти доведена до абсолютного предела: компания сама производит базовые станции и конечные устройства, сама предоставляет сервер сети, даже устанавливать базовые станции в общем и целом предпочитает сама. С каждого подключённого устройства взимается абонентская плата. Компания не производит чипы сама — она использует готовые трансиверы Semtech и Axsem — однако выпускает для них прошивки, без которых эти чипы в сети «Стриж», очевидно, совершенно бесполезны.
Такая степень закрытости не только не позволяет реализовать многие проекты вообще, но и даже там, где реализация возможна, представляет серьёзный риск для бизнеса: вы оказываетесь привязаны к единственному поставщику по всем вообще уровням решения. Шаг влево, шаг вправо — побег, прыжок на месте — попытка улететь.
Возможно, со «Стриж-Телематикой» можно договориться на какие-то послабления в их политике, однако сайт компании прямо об этом не сообщает ровным счётом ничего.
Наконец, LoRa. Владелец технологии LoRa — компания Semtech, крупный производитель полупроводниковых изделий. Собственно, и с LoRa Semtech решил поступить так же — зарабатывать на полупроводниковых изделиях, отдав всё остальное на откуп потребителей.
Чипы LoRa для конечных устройств присутствуют в свободной продаже, документация на них открыта, делать устройства на них могут все желающие. Чипы для базовых станций продаются только по прямому контракту с Semtech, а документация на них — под NDA, но более никак производители базовых станций не ограничены, так что эта среда — также конкурентная, хотя, в силу технической сложности БС, игроков здесь меньше, чем среди конечных устройств.
Более того, простую базовую станцию LoRa можно сделать и на чипах для конечных устройств — у неё будут технические ограничения, но они не критичны для многих проектов. Впрочем, об этом — в следующей статье.
Если вы хотите строить сотовую сеть с множественными БС — а это является основной бизнес-моделью для всех LPWAN-сетей — то Semtech предлагает использовать стандартный MAC-уровень LoRaWAN. Исходные коды доступны на гитхабе, лицензия — модифицированная BSD. Как вы строите сеть, что используете в качестве сервера сети, как взимаете плату с абонентов и взимаете ли вообще, предоставляете ли им какие-то облачные сервисы или предлагаете использовать собственные — исключительно ваша проблема. Semtech в то, как вы её решаете, не вмешивается. Если вы не обладаете достаточно квалификацией для её решения — вы можете обратиться к сторонним разработчикам конечных устройств (например, к нам), операторам сетей LoRaWAN (мы можем познакомить) и разработчикам ПО верхнего уровня (многие в b2b, например, используют Azure).
Если вам нужна сеть масштаба предприятия — вы можете вообще обойтись без LoRaWAN, построив сеть «звезда» с радиусом охвата в пару-тройку километров, фиксированными скоростями устройств и недорогой базовой станцией, которой для работы не требуется ни сервер сети, ни вообще подключение к интернету. Например, на фото в начале статьи — одноканальная БС LoRa нашей разработки, стоящая в базовой комплектации всего 6500 рублей.
Именно такая свобода выбора и определила интерес большой к сетям LoRa: у разных потребителей — разные потребности и разные бизнес-модели, реализовать многие из которых в условиях жёстких ограничения владельцев технологий Sigfox или «Стриж» попросту невозможно.
Если разделять проекты по типам с точки зрения топологии сети — можно выделить три основных варианта:
Сотовые сети LPWAN — сети масштаба городов
Это сети с множеством базовых станций (например, на покрытие Москвы надо порядка 200 штук), как правило, обслуживаемые оператором сети, предоставляющим за денежку малую доступ к ней владельцам конечных устройств.
С технической точки зрения LoRa, Стриж и Sigfox в таких сетях почти равны — у всех трёх базовая бизнес-модель нацелена именно на сотовые сети. Но с точки зрения бизнеса есть существенный нюанс: Semtech (LoRa) не регламентирует работу и тарифную сетку операторов сети, что теоретически позволяет им конкурировать друг с другом, а также предлагать те условия, которые они считают разумными для абонентов. Sigfox устанавливает жёсткую тарифную сетку, «Стриж» такой сетки официально не публикует, но очевидно, что все переговоры о тарифах придётся проводить именно с ним напрямую.
Впрочем, слово «почти» было выше употреблено не случайно. LoRa и UNB-технологии равны в том, что касается доставки данных от абонента к БС. Но, как говорилось в предыдущей статье, с симметрией канала у UNB-технологий всё довольно плохо — передача данных от БС к абоненту затруднена, а иногда просто невозможна.
В результате UNB-системы используются только для снятия данных, например, с приборов учёта, а вот другая большая тема — АСУНО, то есть управление уличным освещением — для них недоступна, т.к. предполагает именно эффективную и постоянную связь в направлении БС→абонент.
Локальные сети топологии «звезда»
В случае, если ваш масштаб — несколько километров максимум (например, предприятие, бизнес-центр, дачный посёлок, карьерные разработки и т.п.), то сотовая сеть со всеми её сложностями в реализации и разворачивании вам, скорее всего, не нужна. В этом случае вам будет дешевле и удобнее использовать топологию «звезда» с одной базовой станцией, обслуживающей сотню-две-три абонентских устройств.
Sigfox такую модель не позволяет в принципе. Не входит в варианты лицензирования. Точка, абзац.
«Стриж» теоретически позволяет, но с очень существенными для бизнеса ограничениями. Так как технологии «Стрижа» заточены под сотовые сети, то даже если вы поставите одну базовую станцию — данные с неё всё равно будут идти на сервер сети и облачные сервисы «Стриж-Телематики». Существует информация — на сайте компании не представленная, что сервер сети можно лицензировать для локальной установки. В результате, хотя бизнес-модель «Стрижа» в этом вопросе внезапно оказывается мягче Sigfox'а, на практике она не столь гибка и удобна, как хотелось бы многим клиентам.
LoRa, как было сказано выше, никак не ограничивает ни бизнес-модели, ни даже использование LoRaWAN. Поэтому локальную сеть на LoRa на небольшую территорию и небольшое количество устройств можно построить так, как требуется именно заказчику — в том числе, полностью передать ему эту сеть во владение без каких-либо лицензий и отчислений. В качестве сервера такой сети может выступать сама базовая станция — например, та БС, что на фото в начале статьи, имеет встроенный микрокомпьютер с Linux'ом и умеет транслировать трафик LoRa в понятный многим протокол MQTT.
Сети специфических топологий
К таким можно отнести, например, радиорелейные сети.
Представьте себе ЛЭП. С одной стороны, энергетики хотя с приемлемым пространственным разрешением контролировать несколько базовых параметров — натяжение провода (увеличивается при обледенении), напряжение на проводе (уменьшается при срезании его аборигенами), коронные разряды (возникают на изоляторах при их загрязнении). Поставить датчики — не проблема, но что дальше делать с данными с них? 3G? Дорого, да и покрытие сотовых сетей есть, мягко говоря, далеко не везде, где проходят ЛЭП. PLC? С подключением к проводу ЛЭП, дистанциями в десятки-сотни километров и множеством передатчиков? Никто даже не будет это всерьёз обсуждать.
Тем временем, если мы имеем в наличии недорогой приёмопередатчик, работающий в безлицензионном диапазоне с дальностью в километры, то технически ничто не должно нам мешать, расставив такие передатчики на оснащённых датчиками опорах ЛЭП, организовать передачу телеметрии между ними по цепочке. Получив дешёвую безлицензионную радиорелейку.
Как нетрудно догадаться, такие сети позволяет делать только LoRa — где мы можем отказаться от использования LoRaWAN и всего, с ним связанного, и написать свой протокол передачи данных поверх физического уровня LoRa.
Ни в Sigfox, ни в «Стриже», ни вообще в мире узкополосных UNB-систем сети такой топологии технически невозможны.
Компания Unwired Devices занимается разработкой и производством модулей связи для ячеистых сетей 6LoWPAN и сетей дальней связи LoRa, а также датчиков и других оконечных устройств для данных сетей, включая как аппаратную часть, так и прошивки с поддержкой необходимых сетевых технологий. В случае с сетями LoRa мы разрабатываем все возможные топологии: ячеистые и статические радиорелейные сети, объектовые сети типа «звезда» с одной БС и устройства для глобальных сетей LoRaWAN.
Автор: Unwired Devices LLC
