LoRa и NB-IoT: выбери подходящее.Технология Internet of Things (IoT, Интернет Вещей) и решения на ее базе активно внедряются по всему миру. Прогнозы говорят, что к 2022 году объем рынка Интернета Вещей достигнет $40 — $50 млрд. в год. Такой резкий рост обусловлен несколькими основными факторами. Главный из них заключается в том, что потребители сервисов IoT начинают понимать всю выгоду от внедрения IoT в их производственные процессы. Современные сенсоры могут контролировать многие показатели. Благодаря применению искусственного интеллекта, сервисы IoT стали «умнее» и способны не только оперативно реагировать на события, но и предсказывать их. Это приносит дополнительную прибыль компаниям путем оптимизации бизнес-процессов и делает жизнь людей удобнее, безопаснее и продуктивнее. Видя интерес со стороны потребителей, поставщики сервисов IoT тоже ведут себя более активно, т.к. это рынок с большой емкостью, огромным потенциалом и перспективами. Занять в нем свою нишу — очень дальновидная политика.
LoRa и NB-IoT: выбери подходящее.Но инфраструктура IoT — это не только датчики, серверы и программное обеспечение. Это так же и средства коммуникации, работающие по различным протоколам. И от правильного выбора протокола зависит работа системы в целом.
Так сложилось, что одной из основных технологий для связи устройств IoT, стала технология LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). Другой технологией, которой прогнозируют широкое распространение, стала технология NB-IoT (Narrow Band Internet-of-Things).
LoRaWAN – это метод модуляции радиосигнала. Этот метод был изобретен и запатентован в 2008 году во Франции компанией Cycleo, а в 2012 году ее купила компания Semtech из США.
LoRa и NB-IoT: выбери подходящее.NB-IoT — это стандарт сотовой связи. Его разработал консорциум 3GPP для связи с устройствами с низкими скоростями передачи данных. Первая версия стандарта была представлена в 2016 году. Было разработано две версии этого стандарта: одна была выпущена Nokia, Ericsson и Intel, а другая — Vodafone & Huawei.
Давайте сравним эти две технологии чтобы определить наилучшую область применения для каждой.

1. Стоимость развертывания сети.

LoRa и NB-IoT: выбери подходящее.NB-IoT работает на лицензируемой полосе частот, поэтому для развертывания сети NB-IoT необходима лицензия. Организация, которая раньше не предоставляла услуги мобильной связи, столкнется с определенными сложностями, т.к. построение мобильной сети в условиях конкуренции с уже существующими компаниями требует серьезных финансовых инвестиций. Для существующих игроков на этом рынке достаточно провести обновление программного обеспечения базовых станций, чтобы перейти на NB-IoT.
Но, с другой стороны, т.к. все операторы работают на своих частотных каналах, они не создают помех друг другу, что гарантирует качество сервиса для клиента.
LoRaWAN — работает в нелицензируемой полосе частот и потому для развертывания сети LoRaWAN, никаких разрешений не требуется.

2. Время работы с питанием от батареи.

В обеих технологиях существенное внимание было уделено возможности работы конечных устройств достаточно долгое время от батарейного питания. Если в первых версиях технологии NB-IoT устройства должны были «просыпаться» для синхронизации с сетью, то в современном варианте было разработано и внедрено сразу несколько алгоритмов экономии энергии, которые позволяют устройству работать в течении нескольких лет без замены батареи:

  1. Режим eDRX — при включении этого режима устройство периодически выключает приемник между сеансами связи, чтобы сэкономить электроэнергию. Этот режим применяется для устройств, для которых задержка в приеме-передаче данных критична.
  2. Режим Power Saving Mode (PSM). При работе в этом режиме, устройство отключает приемник и включает его только по истечении заданного количества времени, после чего оно снова становится доступным из сети.
Работа сети LoRaWAN происходит в асинхронном режиме. Данные от датчика передаются по LoRaWAN сети только если они есть. Если данных нет и передавать нечего, датчики находятся в спящем режиме и сохраняют энергию.

3. Скорость передачи данных.

14-й релиз 3GPP NB-IoT дает возможность передачи данных на скорости до 100-140 Кбит/с.
Сеть LoRaWAN изначально была задумана как более медленная, минимальная скорость 300 бит/с, а максимальная до 50 Кбит/с.

4. Полоса пропускания.

LoRa и NB-IoT: выбери подходящее.Чтобы развернуть сеть NB-IoT достаточно одной несущей частоты, шириной 180 кГц. Такую сеть можно развернуть на базе существующей несущей LTE, благодаря чему вообще не потребуется выделять дополнительный спектр частот.
Технология LoRaWAN использует от 6 до 9 каналов шириной по 125 КГц, т.е. в сумме от 750 до 1125 КГц (без учета разноса соседних каналов). Это необходимо для получения возможности переключаться между частотными каналами в случайном порядке, что дает возможность снизить взаимное влияние при одновременном использовании частот несколькими операторами одновременно.

5. Покрытие сети.

Для LoRaWAN используется нелицензируемый диапазон частот, в диапазоне 864-865, 868.7-869.2 МГц (в РФ). Государственный комитет по радиочастотам накладывает на этот диапазон большие ограничения, в частности, по уровню мощности: не более 25 мВт. Кроме того, в пределах аэропортов запрещено использовать первую большую часть диапазона. В других местах цикл передачи датчика не может быть больше 0.1% времени. Нетрудно подсчитать, что устройство может находиться в режиме передачи не более 1.5 минут в сутки. Из-за этого ограничения емкость системы сильно снижается.
При этом NB-IoT имеет больший запас по мощности сигнала: примерно +10 dB, по сравнению с LoRa. Благодаря этому становится возможным обеспечить уверенное покрытие в места со сложными условиями приема радиосигнала, например, в подвалах или в металлических шкафах с оборудованием. А если говорить об открытой местности, где помех меньше, чем в городских условиях, то это преимущество позволяет покрыть территорию меньшим числом базовых станций.

6. Коэффициент затрат.

Если мы говорим о покрытии на открытой местности, то количество базовых станций LoRa и NB-IoT сравнимо. Если же нам требуется стабильная работа конечных устройств внутри помещений и местах со сложным рельефом, при использовании NB-IoT, за счет выигрыша в 10 dB, требуется в 3-4 раза меньше базовых станций.

7. Экосистема.

Сеть LoRaWAN активно развивается: она работает более чем в 40 странах. Первой страной, которая была полностью покрыта LoRa, стала Голландия. В мире более 500 компаний, которые разрабатывают устройства, пишут программное обеспечение или оказывают услуги операторов связи на базе LoRaWAN.
На данный момент LoRaWAN распространена больше, чем NB-IoT, но в NB-IoT применены лучшие достижения технологии 4G LTE. Кроме того, она стандартизирована международной организацией 3GPP и поддерживается по всему миру производителями сетевого оборудования (Ericsson, Huawei, ZTE, Nokia и др.) и чипсетов для конечных устройств (Hisilicon, Qualcomm, Mediatek), а также операторами связи. Это позволит снизить стоимость устройств и обеспечить их массовое распространение в ближайшем будущем.

Выводы.

Технология LoRa может быть использована как организациями, которые работают в отрасли мобильной связи, так и не имеющими к ней никакого отношения. Причем низкая стоимость оборудования позволяет использовать LoRaWAN для решений с ограниченным бюджетом или небольшого масштаба. Это, с одной стороны, дает независимость от оператора связи, но с другой стороны, все проблемы выбора, закупки, размещения, обслуживания и настройки оборудования для передачи данных ложатся на плечи организации, решившей развернуть сеть.
Технология NB-IoT имеет более высокую стоимость и поэтому доступна для развертывания только мобильным операторам с серьезными возможностями. Для сетей NB-IoT характерны низкие задержки в передаче сигнала и высокая скорость обмена данными, что позволяет применять ее для управления процессами более требовательными к оперативности и надежности, чем в сети LoRa. Не следует забывать, что количество беспроводных устройств с каждым годом растет и вскоре нелицензируемая полоса радиоканала будет довольно сильно зашумлена, что уже наблюдается в крупных городах. В то же время, оборудование NB-IoT использует лицензированную полосу частот, на которой постороннее оборудование работать не может. Это сводит количество помех к минимуму и увеличивает качество обслуживания клиентов.
Кроме того, не следует забывать, что оператор NB-IoT сети берет на себя всю заботу об установке и обслуживании оборудования для передачи и хранения данных, что позволяет конечному потребителю переложить эти заботы на плечи профессионалов.
Как на базе LoRaWAN, так и на базе NB-IoT можно реализовать сеть любых масштабов. Если основными требованиями являются низкая цена, независимость от оператора связи и нет жестких требований к быстродействию, то можно порекомендовать сеть LoRaWAN. Если же планируется использовать сеть для управления оборудованием с более высокими требованиями к скорости реакции, есть необходимость гарантированной доставки пакетов и бюджет решения позволяет переложить проблемы построения и обслуживания сети на профессионалов, то, возможно, использование сети NB-IoT будет более оправданным выбором.