» » » Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

 

Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Автор: admin от 11-01-2018, 15:05, посмотрело: 50

Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



«Все, что раздражает аппетит к частностям, становится не только злом, но отвлекает от вопросов, которые действительно следовало бы обсуждать».

Стаффорд Бир



Как свидетельствуют всемирные прогнозы развития так называемой Индустрии 4.0 и создаваемых в ее рамках цифровой экономики и цифровых предприятий, уже совсем скоро прогрессивному человечеству придется столкнуться как минимум с десятками миллиардов подключенных устройств из пула Интернета Вещей (IoT – Internet of Things) и информационным обменом с огромным количеством датчиков и внедренных в производственные процессы различных «киберфизических систем» (CPS — Cyber-Physical System), рассредоточенных по значительной площади. При этом сразу же следует заметить, что формирование IoT – это не самоцель, а лишь создание инструмента для работы инновационных бизнес-моделей, для эффективного функционирования цифровых предприятий и т.п.



У всех, кто спешит поделиться информацией о данном тренде уже нет никаких сомнений, каким именно образом будут обмениваться информацией все эти «вещи» — конечно, в основном по беспроводным сетям. Благо, их уже понастроено достаточно. Однако не факт, что существующие сети сотовой (мобильной) связи смогут обслужить такое большое количество неживых абонентов – одно дело, когда речь идет о десятках тысяч устройств М2М (Machine-to-Machine), но десятки миллиардов (как свидетельствуют многочисленные прогнозы) – это уже совсем другое дело.

Источник



Система LoRa — использует собственный метод модуляции, основанный на технике расширения спектра (Spread Spectrum Modulation) и вариацию линейной частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS), при которой данные кодируются широкополосными импульсами. Такое решение, в отличие от используемой в сетях 3G технологии прямого расширения спектра (CDMA – Code Division Multiple Access), делает приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения и упрощает требования к тактовому генератору, что позволяет использовать относительно недорогие кварцевые резонаторы.



Своих «мозгов» эти чипы не имеют, они управляются по SPI (Serial Peripheral Interface) от внешнего контроллера. Топология сети — звезда, дальность — от нескольких километров в плотной городской застройке до 30–50 км прямой видимости. Скорость передачи данных — до 250 кбит/с (уменьшается с увеличением расстояния). Количество устройств — до 5 тыс. штук/км? (максимальный размер сети ограничен пропускной способностью канала центрального приёмника, который должен успевать проводить радиообмен со всеми подключёнными к нему устройствами).



Существует также отечественная проприетарная разработка «СТРИЖ» — это система связи для создания сети с топологией «звезда» с лучшими (чем у LoRa) характеристиками по дальности, помехойстойчивости и абонентской емкости. В системе используются два раздельных канала на приём и передачу: абонентские устройства передают данные на частоте 868 МГц, а центральная станция — мощным передатчиком на 446 МГц. Это позволяет увеличить ёмкость сети (определяемую, опять же возможностями центральной станции), а также обеспечить лучшее покрытие. Впрочем, для передачи телематики скорость передачи не является особо критичным параметром.



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



На физическом уровне для передачи сигнала в системе «СТРИЖ» используется модуляция DBPSK (относительная /дифференциальная/ двоичная фазовая манипуляция) и сравнительно узкая полоса радиосигнала. Высокие требования к стабильности кварцевого генератора традиционно являлись препятствием для использования узкополосных систем, поскольку ошибки на генераторе приводят к дрейфу частоты из полосы приема. Основной недостаток применения широкополосной кодовой манипуляции — низкая эффективность использования частотного спектра. Такой подход уменьшает количество устройств, способных работать в определенном частотном диапазоне. Зато в полосе 125 кГц, которая требуется LoRa для кодирования одного канала, используя узкополосный метод можно получить до 1250 каналов. А, значит, использовать до 1250 устройств «СТРИЖ» без ухудшения характеристик вместо одного устройства LoRa.



Учитывая сравнительно небольшую полосу радиочастот, выделенную под нелицензируемые радиосети, для широкополосной связи вероятность коллизий с сигналами от подобных устройств (других аналогичных сетей) всегда выше. И эту ситуацию уже невозможно компенсировать улучшенным кодированием. Результат — резкое снижение дальности стабильной работы такой системы; устройства, находящиеся на предельно дальней дистанции уже «не будут услышаны». К тому же особенностью принимающих станций LoRa является то, что они не могут демодулировать более чем 8 пакетов одновременно. При этом они могут определить принадлежность пакета только после демодуляции. То есть станция LoRa принимает все пакеты, а «свои» выделяет уже потом. Но любой пакет данных даже из «чужой» сети, принятый «своей» станцией блокирует получение любого «своего» пакета на этом же канале до тех пор, пока он не будет полностью принят, что создает понятные проблемы в случае одновременной работы в одной зоне сразу нескольких подобных сетей. Получается, любой желающий может вполне легитимно, отправляя с восьми LoRa-модемов произвольные данные без остановки, заблокировать все 8 каналов в любой сети LoRa в любом городе. Станция будет вынуждена принимать пакеты, идущие от «чужих» модемов в ущерб пакетам из «своей» сети. Собственно, вот от этих недостатков и постарались избавиться разработчики системы «СТРИЖ» за счет некоторого ухудшения других технических характеристик.



Стандарты связи IoT



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



В целом все альтернативные технологии для нелицензируемого радиочастотного спектра имеют весьма ограниченное применение. Их закрытость, возможные помехи друг от друга, ограниченность радиоспектра и необходимость создания новой инфраструктуры сдерживают распространение подобных систем, но ничуть не препятствуют развитию на их базе различных нишевых решений, что, собственно, уже и наблюдается.



В свою очередь, все эволюционирующие и взаимосвязанные стандарты сотовой связи стандартизованы 3GPP и имеют свои «другие» названия в виде «3GPP релиз № Х», причем номер релиза соответствует году его принятия и содержит его две последние цифры. В частности, спецификация 3GPP Rel. 13 (т.е. от 2013 года), посвященные дальнейшему развитию сетей LTE (стандарт LTE впервые появился в 3GPP Rel. 8, т.е. в 2008г.), включает в себя и указанные выше непроприетарные технологии. Ведь при развитии IoT было бы логичным использовать уже созданную обширную экосистему мобильной связи, арендуя некоторый сетевой ресурс у компаний-операторов.



Шаги, предпринятые в рамках развития стандартов сотовой связи, направлены как раз на достижение целевых для IoT показателей при сохранении преимуществ использования глобальной экосистемы. Эволюция указанных выше (непроприетарных) технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, в том числе стандартов сетей 5G. Если внимательно прочитать в «Мобильном Евангелии» псалом под названием Release 14 3GPP, нетрудно заметить, как много внимания уделяется в нём вопросам описания и детализации параметров радиоинтерфейса 5G, обеспечивающего максимально точное пространственное позиционирование и широкополосные коммуникации в реальном времени и с крайне малой задержкой сигнала (менее 1 мс) от мобильных объектов — автомобилей, воздушных судов и пр. Вообще возникает чувство, будто IoT создавался специально под технологии 5G (а как еще продать 5G на мировом уровне?), а технологии 5G – соответственно под IoT.



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



В целом сети сотовой связи на базе указанных выше технологий и стандартов предоставляют много серьезных преимуществ, среди которых поддержка около 50 тыс. соединений на ячейку сотовой сети, гарантированные 10 лет срока службы аккумулятора, большая зона обслуживания, повышенная безопасность за счет двусторонней аутентификации и дополнительного шифрования интерфейса, а также создание стабильных условий, в которых оператор связи сможет внедрять приложения для IoT. Ну а теперь чуть подробнее о перспективных технологиях для обеспечения доступа в рамках IoT.



Пакет расширенных функций EC-GSM был предложен рабочей группой GERAN, занимающейся развитием технологии GSM. Поскольку EC-GSM предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базового набора GSM/GPRS/EDGE, это позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций этого стандарта без изменений ПО. Технология использует один из физических каналов GSM шириной 200 кГц и позволяет при использовании 4 тайм-слотов получать в зависимости от используемой модуляции (GMSK или 8PSK) до 70 кбит/с либо до 240 кбит/с соответственно. При этом количество устройств IoT на один сектор базовой станции может достигать 50 тыс. Это достигнуто путем снижения периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизации интервалов приема и получения информации, поддержки длительных (до 52 мин.) периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети. Помимо этого проведена адаптация канального уровня сети, использующая, в том числе, многократное повторение передаваемой информации, для улучшения энергетики радиоканала на 20 дБ по сравнению с обычными системами. Упрощена сетевая сигнализация за счет отказа от работы с сетями WCDMA/LTE. Также модернизированы механизмы аутентификации, безопасности соединения и пр. Но самое главное – сетевая инфраструктура уже готова для развития EC-GSM.



Технология eMTC (впервые появилась в 3GPP Rel. 12), призвана адаптировать IoT на сетях LTE с точки зрения стоимости, покрытия и срока автономной работы при обеспечении максимальной совместимости с уже построенными сетями, но за счет отказа от части присущей этим сетям функциональности. Использует несущую шириной 1,08 МГц внутри полосы, выделенной для канала LTE, что не сказывается на работе всей сети. Поскольку речь идет о сетях LTE, то и скорость передачи данных в eMTC достигает 1 Мбит/с, что является важным для части пользователей IoT. В eMTC добавлены механизмы, которые решают задачу снижения энергопотребления (аналогично EC-GSM). В канале «вниз» используется технология множественного доступа OFDMA, в канале «вверх» — SC-FDMA. Разумеется, технология eMTC также имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры и может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО. К тому же «обычные» сети LTE и eMTC не только работают одновременно, но и могут динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и генерируемого ими трафика.



Что же касается технологии NB-IoT, то в отличие от двух предыдущих технологий, являющихся различными вариантами уже используемых сетевых решений, это принципиально другая разработка радиодоступа, хотя и предусматривающая интеграцию с сетями LTE и использующая сходные технологии. NB-IoT использует несущую шириной 200 кГц, которая может быть расположена в каком-либо свободном диапазоне, внутри каналов GSM (как в EC-GSM), внутри канала LTE (как в eMTC) или в защитном интервале между каналами LTE. Частотный диапазон может быть любым из тех, что определены для сетей LTE с частотным разделением каналов (LTE FDD). В канале «вниз» используется технология множественного доступа OFDMA, в канале «вверх» — SC-FDMA. Следует заметить, что в реальной жизни базовая станция не только должна поддерживать одновременную работу многих тысяч устройств IoT, но и обеспечивать их подключение самым лучшим образом независимо от качества покрытия. В результате технология NB-IoT поддерживает широкий диапазон скоростей передачи данных. Достижимая скорость передачи данных зависит от качества канала связи (отношения сигнал/шум), а количество подключенных устройств – от выделенных ресурсов (пропускной способности). В канале «вниз» все устройства имеют одну и ту же энергетику радиоканала и могут одновременно принимать сигналы с базовой станции. В канале «вверх» каждое устройство имеет свой собственный энергетический потенциал, что может быть использовано для мультиплексирования трафика. При этом создаваемый совокупный сигнал от нескольких устройств (и, соответственно, их мощность) будет больше, чем у одного устройства. Да и в реальных условиях во многих местах устройства NB-IoT будут ограничены уровнем собственных сигналов, а не пропускной способностью сети. Такие устройства могут сконцентрировать свою излучаемую мощность в узкой полосе радиочастот без потери производительности, освободив при этом полосу пропускания для других устройств. Чтобы получить такую возможность в NB-IoT вместо «коллективного» канала (общего блока ресурсов) со скоростью передачи данных до 250 кбит/с предусмотрено использование поднесущих частот с полосой пропускания 15кГц (эффективная полоса пропускания общего канала NB-IoT – 180 кГц) и скоростью передачи данных до 20 кбит/с. В свою очередь, терминальные устройства могут использовать одну или нескольких поднесущих в восходящей линии связи. Более того, используемые ими радиочастоты могут быть «упакованы» даже ближе друг к другу за счет уменьшения ширины полосы поднесущих до 3,75 кГц, что даже приводит к необходимости выделения части из них в качестве защитных интервалов в целях предотвращения интерференции с поднесущими с шириной полосы 15 кГц, что может привести к потере производительности.



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



В результате технология NB-IoT, вобравшая в себя все «сетевые достижения» радиоинженеров, обеспечивает большую зону обслуживания, низкое энергопотребление, возможности быстрой модернизации существующей сети, обещает длительный (до 10 лет) срок службы батареи, низкую стоимость терминала, простоту развертывания (plug & play), а также высокую надежность и безопасность. Ну, и обещанные 50 тыс. устройств IoT на сектор базовой станции. Считается, что существенная переработка протоколов канального уровня позволит снизить стоимость устройства NB-IoT по сравнению с LTE Cat.M1 на 90%. К примеру, рассматривая приложения для «умного» дома, следует заметить, что, как правило, они развернуты на базе технологий малого радиуса действия, таких как Z-Wave и ZigBee, а подключение к Интернету идет через домашний шлюз. Однако же прибор со встроенным NB-IoT-чипсетом может стать более предпочтительным решением. О поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах уже давно заявили многие производители сетевого и терминального оборудования: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а также ведущие операторы связи — Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom. Оптимальным считается развертывание NB-IoT в полосах радиочастот 700, 800 и 900 МГц.



По мнению компании Huawei, наибольший потенциал для NB-IoT-сервисов может быть реализован в первую очередь в таких отраслях, как сельское хозяйство, здравоохранение, системы обеспечения безопасности, транспорт, логистика, промышленное производство, «умные» города, «умные» дома, розничная торговля. Расчеты Huawei показывают, что, к примеру, только в Германии за ближайшую пятилетку NB-IoT принесет доходы более 1,5 млрд долларов США. Прогнозы Huawei основаны на анализе различных вариантов использования NB-IoT-приложений, которые могут быть развернуты в разных отраслях. Модель в настоящее время предусматривает более пятидесяти вариантов использования, включая интеллектуальные датчики (на электричество, газ, воду), управление объектами, системы охранной и пожарной сигнализации для дома и коммерческой недвижимости, персональные датчики «электронного здоровья», системы отслеживания людей, животных или предметов, элементы инфраструктуры «умного» города (например, уличные лампы или мусорные контейнеры, подключенные промышленные инструменты и т. п.).



Еще на Всемирном конгрессе мобильной связи (MWC’2016) компания Nokia совместно с Intel и Vodafone Group продемонстрировала технологию NB-IoT, ознаменовав тем самым значительный этап на пути ее коммерциализации в качестве мирового стандарта для подключения миллиардов приборов учета, датчиков, сигнализаторов местонахождения и других объектов, необходимых в «цифровом» «программируемом» мире. Посетителям MWC было продемонстрировано расширенное покрытие сети и преимущества перспективных NB-IoT-сервисов компании Vodafone в городских и сельских условиях при поддержке NB-IoT-оборудования Nokia и терминальных устройств Intel. В системе сделан акцент на способность NB-IoT поддерживать большое количество датчиков и устройств с малой полосой пропускания, которые будут обеспечивать предоставление сервисов следующего поколения в потребительском секторе, «умных городах», промышленности и коммунальном хозяйстве. Ожидается, что к 2020 году IoT-устройства будут ежедневно отправлять до 6,8 трлн. запросов на соединение.



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



Участие операторов сотовой связи в IoT-проектах может идти по нескольким бизнес-моделям с разными уровнями доходов и ответственности. Самой простой из них будет просто предоставление связи для IoT. Можно стать поставщиком услуги NB-IoT, когда помимо обеспечения собственно связи возникают дополнительные сервисные возможности вроде аналитической обработки получаемых данных методами Big Data/BI и их коммерческой реализации. А можно выступить и как сервис-провайдер, ответственный за системную интеграцию, внедрение, обучение и сопровождение сервиса. На базе NB-IoT могут быть построены решения для подключения как персональных, домашних, публичных, так и индустриальных IoT-приложений (IIoT).



Таким образом, с принятием финальной версии спецификаций EC-GSM, eMTC и NB-IoT, в 2016 г. участники рынка получили в свое распоряжение сразу три эффективных инструмента развития сетей IoT. Каждый из них имеет свои особенности и преимущества в зависимости от конкретного сценария использования и характеристик конкретной мобильной сети. В любом случае преимущества глобальной экосистемы, наличие и готовность развернутой сетевой и ИТ-инфраструктуры, использование защищённого (лицензируемого) частотного спектра будут работать на снижение стоимости внедрения и эксплуатации. Это означает, что в ближайшем будущем нас может ожидать взрывной рост проектов с их использованием.



Кстати, о будущем. Недавно компания Nokia изложила стратегию, которой обновленная компания будет придерживаться в качестве лидера в области развития технологий следующего поколения 5G и IoT с расчетом на соответствующий рынок, объем которого после приобретения компании Alcatel-Lucent увеличился почти вдвое. Новая разработка Nokia – AirScale – предназначена для работы в сетях 5G и поддерживает все технологии от 2G до LTE Advance Pro, а также будет поддерживать и 5G, когда она появится. В состав AirScale входит новая базовая станция с рассчитанными на будущее блоками обработки исходного сигнала (baseband) и радиочастотными элементами, что даст заказчикам недостижимое ранее качество связи, в том числе и для нужд IoT. В частности, недавнее приобретение компании Nakina преследовало цель создания лучшей системы сетевой безопасности для реализации 5G и IoT. Также учрежден IoT-фонд, который займется инвестициями в перспективные компании, в основном связанные с подключенными предприятиями, потребительским IoT, подключенными автомобилями, цифровой медициной, а также с технологиями обработки больших данных и аналитики. Фонд будет оказывать содействие Nokia в определении перспективных бизнес-направлений и техническом обосновании быстро развивающегося IoT-рынка.



Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей

Источник



Конечно, неплохо порассуждать о грядущих применениях IoT и спрогнозировать будущие миллиардные доходы. К примеру, не так давно исследовательская компания Gartner давала прогноз, что к 2020 году более 50% крупных бизнес-процессов и систем будут включать в себя элементы IoT. Но… недавно аналитики из той же Gartner предупредили — чтобы в будущем извлечь выгоду из IoT, компаниям необходимо уже сейчас обратить внимание на 10 основных технологических моментов.




  • Безопасность IoT-устройств, платформ, ОС и средств обмена данными – на многих IoT-устройствах будут установлены процессоры и ОС, сильно ограниченные функционально, что затруднит реализацию высокоинтеллектуальных методов защиты.

  • Развитие новых инструментов и алгоритмов аналитики данных.

  • Развитие систем управления и мониторинга, установка прошивки и приложений, реакция на инциденты для миллионов IoT-устройств.

  • Соблюдение баланса противоречивых требований: дальность действия, время автономной работы, полоса пропускания, плотность размещения, удельные и эксплуатационные расходы. Компромисс сетей с малыми и большими зонами обслуживания.

  • Необходимы энергоэффективные сети передачи данных в масштабах страны, скорость передачи данных до десятков кбит/с, время автономной работы – до 10 лет, стоимость терминала – не более 5 долларов США, поддержка одной БС до сотен тысяч терминалов, сетевые стандарты повышенной эффективности (для этого теперь есть NB-IoT).

  • Выбор процессора и архитектуры — непростой компромисс между набором получаемых функций, затратами на производство, стоимостью ПО, допустимостью его обновления и пр.

  • Необходимы новые операционные системы — в частности, Windows и iOS потребляют слишком много энергии, требуют применения быстродействующих процессоров, не могут вести обработку в реальном времени с предоставлением гарантированной максимальной задержки отклика и требуют слишком много оперативной памяти.

  • Обработка потока событий — отдельные приложения IoT могут оказаться крайне интенсивным источником генерации данных, количество генерируемых событий может исчисляться десятками тысяч и даже миллионов в секунду – нужны вычислительные платформы, использующие технологии распределенной обработки потоков данных (Distributed Stream Computing Platforms, DSCP).

  • Необходимо создание специализированных платформ IoT для объединения разрозненных инфраструктурных элементов (от мониторинга и управления до аналитики и визуализации).

  • Создание интерфейсов прикладного программирования (API), позволяющих разнородным IoT-устройствам работать совместно, и развитие соответствующих бизнес-моделей.



  • В целом по оценкам Gartner, в ближайшее время можно ожидать появление многочисленных и часто несовместимых экосистем класса IoT, между которыми развернется жесткое соперничество.



    Ассоциация GSMA недавно выпустила рекомендации для телекоммуникационных компаний, которые собираются разрабатывать защищенные сети для «интернета вещей». GSMA создала эти рекомендации потому, что надежность и безопасность таких сетей вызывает беспокойство у участников рынка.



    И последнее, в 2016 году крупнейшие компании, в том числе Qualcomm, Intel и Microsoft, объединились в альянс Open Connectivity Foundation (OCF), чтобы совместно работать над единым стандартом для всех IoT-гаджетов, вне зависимости от того, какой чипсет находится внутри. Всего в списке членов OCF более 150 организаций из различных стран мира: от производителей микроэлектроники до поставщиков техники, разработчиков сервисов и автоконцернов. Похоже, в такой компании должно что-то получиться…



    По материалам: CNews, PCNews, PCWeek, Huawei, Nokia, Intel, Ericsson, it-weekly, u-blox, strij.tech, Gartner, Radio.



    Автор публикации:

    Александр ГОЛЫШКО, системный аналитик ГК «Техносерв»


    Источник: Хабрахабр

    Категория: Операционные системы » Android

    Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
    Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

    Добавление комментария

    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
    Введите два слова, показанных на изображении: *