Сравнение LPWAN-технологий: XNB от «СТРИЖ» и NB-IoT

NarrowBand Internet of Things, NB-IoT — беспроводная технология семейства LPWAN для Интернета вещей, реализуемая на базе инфраструктуры сотовых сетей и стандартизированная консорциумом 3GPP релизом 13: LTE-Advanced Pro.

В создании релиза участвовали производители оборудования для сотовых операторов: Huawei, Ericsson, Qualcomm и Vodafone. Каждый из них преследовал свои интересы и предлагал выгодные для себя технические решения.

Благодаря широкому распространению под NB-IoT зачастую подразумевают три разные технологии, принятые релизом 13 3GPP:

Extended Coverage – GSM – Internet of Things (EC-GSM-IoT) технология основана на стандарте eGPRS. Изменения, внесенные в eGPRS, позволяют использовать большинство установленных базовых станций для общения с EC-GSM-IoT устройствами без замены или модернизации аппаратного обеспечения. Вместе с тем, заявлено, что для работы EC-GSM-IoT потребуется обновление ПО существующего оборудования.

LTE Cat-M1 — дополнение стандарта LTE с более высокими параметрами энергоэффективности. Заявляется, что конечные устройства LTE Cat-M1 смогут работать в LTE-сети без модернизации базовых станций.

Суть NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) заключается в использовании чипов, способных работать в сотовых сетях, но имеющих сравнительно простую логику.

Российские операторы используют оборудование, поддерживающее три технологии релиза 13 3GPP, но преобладает оборудование от Qualcomm.

Технология NB-IoT

Бизнес-модель сотовых операторов, работающих на технологии NB-IoT заключается в развитии рынка конечных IoT-устройств и предоставлении коммерческих услуг по передаче данных для решений Интернета вещей.

Так, операторы решений на NB-IoT предлагают 3 модели партнерства с поставщиками IoT-устройств:

• Продажа вертикального решения клиенту напрямую.
• Продажа IoT-сервисов клиентам совместно с партнером или через него.
• Продажа услуги связи партнеру без взаимодействия с клиентом.

NB-IoT выполняет роль «транспорта» — доставки данных от устройства до БС. Технология создавалась как надстройка для работы на уже существующей инфраструктуре.

В России для вещания NB-IoT могут использоваться только лицензируемые частоты в диапазоне: 890-915 МГц и 935-960 МГц при мощности передатчика до 200 мВт.

Использование выделенного спектра обеспечивает стабильность связи и защищает сеть от помех «чужих» сетей. Миллиардные затраты на покупку лицензированных частот покрываются доходами от бизнеса сотовых операторов.

В январе 2018 года ГКРЧ разрешила «большой четверке» сотовых операторов использование частот в режиме NB-IoT. Операторы смогут использовать под NB-IoT старые GSM-сети и сэкономить на покупке новых частот. Важно учитывать, что для вещания в GSM-сетях, вероятно, потребуется модернизация GSM-базовых станций (БС).

Ширина NB-IoT радиоканала равна ширине ресурс-блока LTE – 180 кГц. Это относительно высокое значение по сравнению с узкополосными LPWAN-технологиями.

Такой канал позволяет использовать NB-IoT для приложений со скоростью от 20 000 до 250 000 бит/сек. Сравнительно высокие скорости на практике выглядят избыточными для многих IoT приложений, в частности, для одного из наиболее массовых рынков — диспетчеризации приборов учета в ЖКХ.

Высокая, относительно узкополосных LPWAN-протоколов, скорость отрицательно сказывается на других характеристиках: дальности связи, масштабируемости решений, проникающей способности.

Технология XNB от «СТРИЖ»

Коммерческая деятельность «СТРИЖ» сегодня основана на:

• продаже готовых IoT-решений как мелким и средним, так и крупным индустриальным клиента напрямую;
• продаже готовых IoT-решения через региональных дилеров и партнеров;
• комплексной продаже устройств и услуг LPWAN-связи для интегратора, внедряющего собственные IoT-решения.

«СТРИЖ» разработал полный стек технологии для Интернета вещей: радиопротокол, конечные устройства, базовые станции и серверное ПО.

В основе стека технологии «СТРИЖ» лежит узкополосный, энергоэффективный и оптимизированный для межмашинного (M2M) обмена данными на больших расстояниях протокол XNB (Extended Narrow Band). XNB изначально разработан для передачи радиосигнала в спектре 868,8 МГц (не требует лицензирования) при мощности передачи до 25 мВт. При этом, XNB может работать и на лицензируемых субгигагерцовых частотах, при наличии таковых.

Из-за того, что базовые станции и конечные устройства СТРИЖ «общаются» в нелицензированном диапазоне, где в эфир выходят сотни устройств из других сетей, необходима защита от помех и коллизий — наложений сигналов.

Для их устранения «СТРИЖ» использует сверхузкополосный сигнал и специальные алгоритмы приема-передачи:

• планирование сеансов связи: алгоритм приема-передачи, зашитый в самом устройстве и базовой станции;
• использование помехоустойчивого кодирования радиосигнала;
• математические методы и CRC-проверки, позволяющие существенно повысить вероятность корректной доставки.

Сигнал, передаваемый устройством в полосе 100 Гц, и высокая энергетика на каждый бит передаваемой информации, вкупе с высокими показателями чувствительности приемника, обеспечивают превосходный бюджет канала связи в 174 дБм и высокую помехоустойчивость.

Скорость обмена данными в сети «СТРИЖ» составляет от 500 до 5000 бит/сек. Так как протокол XNB изначально разрабатывался для снятия и передачи небольшого объема данных с приборов учета и датчиков, указанной скорости более чем достаточно для реализации целевых задач. Масштабные проекты, реализуемые «СТРИЖ», требуют высокой автономности конечных устройств, большой дальности приемо-передачи, масштабируемости и относительно низкой стоимости внедрения.

Базовые станции

Ключевые характеристики базовых станций: чувствительность, дальность связи и емкость.

Предполагаемая дальность связи NB-IoT станции — до 15 километров в сельской местности. Однако, судя по показателю бюджета связи — 164 дБ и низкой чувствительности приемника: -127 дБм, вряд ли базовая станция сможет в городских условиях «услышать» умные устройства на расстоянии дальше, чем 2-3 километра.

В городах, по оценкам операторов, ограничивающим фактором станет не дальность, а емкость сети (способность принять и обработать сигналы от устройств-абонентов). Для его нивелирования предполагается довести плотность сети в городе до 1 базовой станции на квадратный километр, на которые приходятся всего несколько тысяч датчиков (до 4000 согласно расчетам специалистов).

Эта задача будет решаться либо за счет использования GSM-сети, либо затратами на новые БС с поддержкой NB-IoT.

Вероятно, перед операторами стоит задача модернизации некоторой части оборудования: базовые GSM-станции, выпущенные ранее 2015 года, не поддерживают стандарт NB-IoT и нуждаются в аппаратном «апгрейде». GSM-оборудование, выпущенное после 2015 года, обновляются программно.

Модернизация инфраструктуры для сетей NB-IoT будет находиться в значительной зависимости от коммерческих перспектив конкретных территорий.

Малая дальность связи будет ограничивающим фактором проникновения покрытия традиционных сотовых сетей в малонаселенных районах: селах, автомагистралях, полях.

С учетом вышеописанных факторов, перспективы распространения NB-IoT за пределами крупных городов представляются ограниченными.

Благодаря тому, что базовая станция «СТРИЖ» способна одновременно обрабатывать до 5 000 каналов в нелицензируемом 500 кГц диапазоне, ее емкость составляет до 1 000 000 устройств в сутки. Подтвержденный радиус действия БС — до 10 километров в условиях городской застройки и до 50 километров на открытой местности.

Базовую станцию «СТРИЖ» отличает высокий бюджет канала связи в 174 дБм. Преимущество в 10 дБ по сравнению с бюджетом NB-IoT дает трехкратное увеличение дистанции связи или дополнительные 2 бетонные стены в доме.

Улучшения, вносимые в протокол XNB, не влияют на аппаратную часть станций и вносятся на программном уровне. Обновление ПО происходит централизованно с сервера и занимает не больше минуты.

Вследствие более низкой чувствительности, а также «фиксированного», стационарного расположения сотовых вышек, NB-IoT-станция может «слышать» не все сигналы, из-за чего появляются «слепые зоны» покрытия, особенно в труднодоступных местах. Умные счетчики не поставишь в подвал или железный шкаф, что критично для организации масштабных решений учета ресурсов в ЖКХ.

На практике это означает, что БС сотового оператора не примет показания от 20 из 100 установленных на первых этажах дома приборов учета. Эффективность и целесообразность такого решения с точки зрения пользователя снижается до нуля. При этом, телеком-оператор не будет ставить дополнительную дорогостоящую NB-IoT станцию для устранения относительно небольшого «белого пятна» на карте покрытия.

Такой подход не окупит затрат на приобретение новой БС, процедуру согласования оборудования и монтажа.

Стоимость развертывания сети для Интернета вещей

Базовые станции «СТРИЖ» не требуют лицензирования и согласований на установку. Будь то предприятие со 120 датчиками температуры в отдаленном районе или застройщик с 5 000 умными счетчиками

Затраты на обслуживание базовой станции «СТРИЖ» составляют около 400 рублей в месяц: оплата интернет-трафика и 11 киловатт-часов электроэнергии — столько потребляет одна люминесцентная лампочка.

Высокая стоимость оборудования, его обслуживания и неподъемная для малого и среднего бизнеса цена лицензирования радиочастот будут и дальше сдерживать развитие NB-IoT технологии.

Развертывание сети на неосвоенной операторами территории: в сельской местности, дорогах повлечет затраты на инфраструктуру, подведение коммуникаций и различные согласования (капитальное строительство сотовых вышек). Удаленные районы, очевидно, не могут быть охвачены операторами NB-IoT-сетей как минимум ближайшие 7 лет. Разворачивать сотовые сети с поддержкой NB-IoT технологии смогут только крупные сотовые операторы, и там, где это может быть экономически оправдано: в крупных городах с уверенным покрытием и развитой новой инфраструктурой сотовых сетей.

Развернуть IoT-сеть на технологии «СТРИЖ» может профильный предприниматель или организация: компания, управляющая жилым кварталом, фермерское хозяйство, или ресурсоснабжающая организация.

Низкая стоимость, малые габариты и невысокие требования к обслуживанию базовых станции «СТРИЖ» позволяют масштабно разворачивать IoT-сети на больших территориях, в том числе и вдоль автомобильных и железных дорог для транспортных приложений. Такой сценарий предусмотрен «Дорожной картой» программы «Цифровая экономика России», а также рядом индустриальных программ, связанных с повышением эффективности управления инфраструктурой и безопасностью на транспорте.

Конечные устройства

Сегодня в России решения на технологии NB-IoT предлагают несколько сотовых операторов. Однако в продаже конечного оборудования, работающего на базе NB-IoT, на крайне мало.

Препятствует распространению NB-IoT сложна архитектура решения. В предлагаемых операторами системах счетчики нужно подключать к устройствам сбора и передачи данных (УСПД) по проводам через внешние интерфейсы.

Опыт эксплуатации доказывает, что проводные соединения усложняют процесс монтажа и снижают надежность решения: выйдет из строя геркон дешевого счетчика, отойдет контакт, его перепутает электрик или намеренно оборвут жильцы.

Кроме того, из-за высоких пиковых токов в устройствах, работающих на NB-IoT, необходимо внедрять дорогую и энергоемкую батарею. Это предполагает не только удорожание решения, но и увеличение размеров устройства: такие батареи чаще всего имеют крупные габариты.

Причем работа умных устройств в решениях на NB-IoT предполагает наличие SIM-карт, что ведет к ещё большему удорожанию внедрения, путанице с пользователями и последующим затратам на абонентское обслуживание.

В свою очередь «СТРИЖ» продаёт устройства, готовые к использованию «из коробки». Счетчики и датчики со встроенными XNB-радиомодулями не отличаются по установке и пуско-наладке от стандартных традиционных устройств без связи.

Подключения УСПД и вызова специалистов-наладчиков не требуется.

• Для того, чтобы стать действительно массовым, решение должно быть максимально простым, готовым и беспроводным.
• Пока имеющиеся на рынке NB-IoT устройства выполнены в виде модемов-«полуфабрикатов» и не представляются надежными решениями.
• «СТРИЖ» поставляет готовые беспроводные устройства, работающие в любой XNB-сети прямо «из коробки».
• Для установки приборов учета «СТРИЖ» достаточно штатного сантехника или электрика управляющей организации.

Стоимость конечных устройств

Цена NB-IoT радиомодуля (непосредственно чип плюс обвязка) начинается от 650 рублей, на крупно-оптовых партиях, вероятно, цена может быть снижена.

Цена УСПД RTU102m-NB1 с поддержкой NB-IoT — 5 000 рублей. К этой цифре необходимо добавить затраты на интеграцию с счетчиком и стоимость собственно водомера с импульсным выходом. Итоговая стоимость решения — более 6 000 рублей за 1 узел учета воды.

Другой сценарий — умные счетчики с радиомодулем NB-IoT. Например такой счетчик воды стоит порядка 4 500 рублей, что в два раза дороже устройства от «СТРИЖ» и в 6 раз дороже обыкновенных водомеров.

Так, розничная цена счетчика воды с XNB-радиомодемом «СТРИЖ» — 2 030 рублей. Продажа первых решений «СТРИЖ» по дистанционному учету коммунальных ресурсов началась в 2014 году. Спустя 3 года было реализовано и установлено почти 200 000 устройств.

Рынок «умной» автоматизации чувствителен к стоимости и удорожанию конечных устройств: увеличение себестоимости датчика даже на 50 рублей, выпущенного миллионной серией, повлечет соответствующие расходы. В особенности это критично для решений, связанных с ЖКХ.

Готовых устройств с поддержкой NB-IoT крайне мало. УСПД дороги из-за высокой стоимости «железа» и отсутствия отлаженного крупносерийного производства. Появление устройств NB-IoT, сопоставимых по цене с устройствами других производителей, ожидается не ранее 2020-2021 года.

Массовое производство чипов, на базе которых создан радиомодуль «СТРИЖ», положительно сказалось на стоимости: они в 3-4 раза дешевле чипов для NB-IoT.

Разница в стоимости комплектующих отражается и на стоимости готовых устройств. Невысокая цена радиомодуля «СТРИЖ» обеспечивает низкую себестоимость IoT-решений, включающих десятки тысячи автономных приборов.

Идеальный сценарий использования «СТРИЖ» — стационарные и мобильные приложения на территориях или объектах, где требуется развертывание телематических сетей с высокими требованиями к проникающей способности сигнала и автономности конечных устройств.

Ведется разработка собственного LPWAN-чипа «СТРИЖ», совмещающего в себе трансивер и микроконтроллер. Создание собственного чипа упростит и максимально удешевит производство устройств «СТРИЖ».

Автономность

Диапазон скоростей передачи сигнала в сетях NB-IoT варьируется от 20 000 до 250 000 бит/сек. Мощность радиосигнала NB-IoT-устройств — 23 дБм или 200 мВт. При этом, производители заявляют о 10-летней автономности приборов. По оценкам экспертов, для обеспечения 10-летнего срока жизни прибора, с учетом температурных колебаний, потребуется батарея емкостью от 7 до 15 Втч.

Энергоэффективный протокол XNB от «СТРИЖ» отправляет сообщения со скоростью 50 бит в секунду в полосе 100 Гц. Небольшая скорость и узкополосный сигнал обеспечивают хороший бюджет связи.

Устройства «СТРИЖ» передают радиосигнал мощностью до 25 мВт. Это в 8 раз ниже мощности, излучаемой NB-IoT-радиомодемом.

Средние показатели потребления питания при этом: до 10 мкА - в режиме «сна» и до 50 мА — в режиме передачи (оценка по верхней планке).

При сравнении технологий NB-IoT и XNB с точки зрения автономности конечных устройств последняя выглядит гораздо предпочтительнее.

Высокая скорость передачи снижает срок службы батареи конечных устройств — чем выше скорость, тем больше энергии расходует NB-IoT-радиомодуль.

Подтвержденный автономный срок работы XNB-счетчиков «СТРИЖ» составляет 6 лет. Столько времени уже проработали первые умные устройства в жилых кварталах Москвы и Перми.

XNB-протокол оптимален для прикладных задач съема телеметрии, требующих длительной автономной работы. Например, счетчиков ресурсов или иных датчиков, установленных в труднодоступных местах: подвалах, стояках многоквартирных домов и подземных парковках.

Развитие технологий в России

Сетевое оборудование, поддерживающее NB-IoT, производится за пределами России компанией Qualcomm и рядом других крупных иностранных вендоров.

Так, сотовые сети российских операторов — базовые станции, программное обеспечение и система управления БС, — как минимум, наполовину построены на оборудовании китайского вендора.

Технология «СТРИЖ», включая оборудование и программное обеспечение, — полностью отечественные: базовые станции собираются в Москве, конечные устройства производятся на собственных мощностях, а также на заводах российских партнеров.

Серверы компании расположены на территории России. Ведется работа по внедрению в систему шифрования согласно ГОСТ.

Разрабатываемые и внедряемые «СТРИЖ» решения для Интернета вещей в полной мере соответствует основным положениям «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной Президентом, а также проекту «Умный город», входящий в госпрограмму «Цифровая экономика».

Строить сетевую инфраструктуру на иностранном оборудовании и ПО небезопасно как по техническим, так и политическим соображениям. А так как операторы имеют обыкновение закладывать часть стоимости оборудования в последующее его обслуживание, сотовые IoT-сети могут существенно подорожать в ближайшие 3 года.

«СТРИЖ» последовательно выполняет программу Стратегии, заменяя импортное оборудование, программное обеспечение и электронную компонентную базу на российские аналоги, не уступающие, а во многом и превосходящие иностранные разработки.

Абонентская плата за использование сети

В сотовых сетях абонентская плата регулируется оператором. В России уже есть прецеденты, когда с ростом трафика увеличивались и тарифы. Для ЖКХ абонентская плата в размере 50 рублей с 1 устройства является существенной статьей дополнительных расходов, влияющей на окупаемость.

Сеть «СТРИЖ» разворачивается на недорогих базовых станциях. Клиент становится «хозяином» собственной сети. Стоимость решения «СТРИЖ» оптимизируется за счет нелицензируемого диапазона вещания и недорогого оборудования.

В рамках текущей коммерческой политики, ориентированной на сектор ЖКХ, абонентская плата с мелких и средних клиентов не взимается.

При построении сети федерального уровня, бизнес-модель, вероятно, будет предусматривать абонентскую плату или ее аналог.

Абонентская плата за M2M-трафик и вероятность ее увеличения сдерживают крупный бизнес и организации, которые не могут зависеть от сотовых операторов: госкомпании, оборонный сектор, застройщики с тысячами приборов учета коммунальных ресурсов.

Возможность развертывания собственных сетей без абонплаты позволит и крупным компаниям, и небольшим организациям реализовывать проекты на платформе «СТРИЖ. В случае введения абонплаты при развертывании федеральной сети «СТРИЖ», ее размер будет на порядок меньше по сравнению с тарифами сотовых операторов.

Преимущества и особенности NB-IoT

• Наличие инфраструктуры в крупных городах: пользователь не «заморачивается» на развертывании станций.
• Высокие скорости передачи информации: можно использовать для приложений с уровнем трафика от 20 000 до 250 000 бит/сек.
• Низкая задержка передачи сигнала (latency) до 1 сек от момента срабатывания до оповещения в личном кабинете. На загруженных сетях задержки могут достигать 3 секунд.

• абонентская плата за трафик;
• риск одностороннего изменения условий сотрудничества: увеличение абонплаты;
• полная зависимость от оператора и его инфраструктуры;
• отсутствие готовых конечных устройств: связка модем-счетчик ненадежна;
• невозможность развернуть частную сеть;
• наличие SIM-карт в объемах от 100 устройств вызывает путаницу на стороне клиента;
• относительно невысокая автономность: придется менять батарею или обеспечивать постоянное питание;
• дорогая инфраструктура и лицензии на частоты при развертывания новой сети в малонаселенной местности, за которую платит пользователь в виде абонплаты;
• стоимость модемов и точки учета выше среднего по отрасли;
• ниже показатель чувствительности и, как следствие, хуже проникающая способность сигнала;
• наличие теневых пятен в покрытии;
• длительный TTM (time to market) решений: заявленные решения придется ждать от 1 года и более;
• иностранная технология от зарубежных вендоров (информационная безопасность).

Перечисленные особенности приводят к тому, что NB-IoT безусловно получит определенное применение в городах с населением более 100-300 000 человек. В городах с меньшим населением, по запросу крупных клиентов возможно построить NB-IoT-сеть за 6-9 месяцев. Покрытие автомобильных и железных дорог, вероятно, не будет в приоритете.

Наиболее привлекательные приложения для NB-IoT:

• ритейл и банки: вендинговые аппараты, кассовые аппараты, банкоматы;
• медицина: носимые устройства, удаленный мониторинг;
• системы безопасности: сигнализация, контроль оборудования;
• потребительская электроника.

Преимущества и особенности технологии «СТРИЖ»

• Широкий территориальный охват: до 10 км в городе, 40 км. на открытой местности.
• Белые пятна легко «закрываются» недорогими базовыми мини-станциями.
• Высокая плотность устройств: до 1 000 000 устройств на 1 станцию в сутки.
• Эффективное покрытие малонаселенных территорий, автомобильных и железных дорог мобильными или стационарными БС.
• Высокая проникающая способность делает возможным опрос устройств из подвалов, стояков, шкафов, что критично для учета ресурсов в ЖКХ.
• Высокая автономность устройств: до 10 лет от встроенной батареи.
• Возможность развертывания частных и закрытых сетей без абонплаты.
• Не требует лицензирования, свободно используется в любой точке РФ.
• Отсутствие расходов на лицензию не перекладывается на абонента
• Готовые интегрированные plug-and-play устройства и законченные решения.
• Стоимость чипов ниже — стоимость устройств ниже.
• Вертикальная платформа LPWAN-связи: от протокола до пользовательского приложения.
• Быстрый вывод решений на рынок: 3 недели на прототип, 2 месяца на готовый продукт.
• 100% отечественная технология: импортоопережение, безопасность, экспортный потенциал.

Идеальный сценарий использования «СТРИЖ» — быстрое и недорогое развертывание частных или публичных сетей с большой плотностью стационарных или мобильных устройств на любой территории, независимо от коммерческих интересов традиционных сотовых операторов.

• Скорость передачи: 50/500/5000 бит/сек, подходит для приложений с низкими требованиями к пропускной способности канала связи: телеметрия счетчиков и датчиков.
• Нелицензируемый диапазон — выше вероятность помех — эффективно нивелируется за счет узкополосного подхода и высокого бюджета канала связи (link budget) 174 дБм.

«СТРИЖ» идеален для использования в следующих отраслях:

• ЖКХ и электроэнергетика: диспетчеризация и учет ресурсов.
• Транспортная телематика: мониторинг грузов, вывоз отходов, «цифровая железная дорога».
• Контроль зданий и объектов: датчики дыма, доступа, температуры, протечки.
• Аграрный сектор: мониторинг на обширных территориях сельскохозяйственных полей, складов, теплиц.
• Необходимость разворачивать сеть там, где нет покрытия, для «СТРИЖ» не является барьером, так как инфраструктура доступна даже для небольшого заказчика.

Ищите больше информации по технологии LPWAN?

Преимущества, особенности и перспективы беспроводных LPWAN-технологий от «СТРИЖ» и NB-IoT . Читайте детальное сравнение технологий XNB и NB-IoT на 12 страницах нашей брошюры.