Как выбрать стандарт связи для сети IoT25.02.2016 14:21

В предыдущей статье не были рассмотрены стандарты беспроводных сетей.
Вопрос о том, как элементы Интернета вещей связываются между собой, является одним из самых важных при построении сети. Здесь возможны варианты, и все зависит, конечно, от задач проекта.
Ключевые аспекты при рассмотрении вариантов сетевого подключения:

  • Дальность. Сеть для развертывания в офисе или в целом городе?
  • Частота. Какое проникновение необходимо и какая устойчивость против помех?
  • Скорость передачи данных. Какая пропускная способность требуется? Как часто обновляются данные?
  • Энергопитание. Устройства работают от сети или аккумулятора?
  • Безопасность. Устройства участвуют в работе критически важных приложений?


Данные сведены в две таблицы.

1a599dedc9064745968be6979248afc3.png

Дальний радиус действия
LoRaWAN
LoRaWAN или Long Range Wide Area Network была представлена как энергоэффективная сетевая технология исследовательским центром IBM Research и компанией Semtech. Технология базируется на Semtech LoRa (™) PHY чипе.
LoRa работает в суб-гигагерцовых диапазонах ISM (industrial, scientific and medical radio bands) нелицензируемых частот. Архитектура сети представляет собой звезду, конечные устройства подключаются по беспроводной связи к одному или нескольким шлюзам, а шлюзы подключаются к сетевому серверу по стандартному IP-соединению.
С целью поддержки и распространения технологии недавно был создан LoRa Alliance, в который входит множество компаний, в том числе и российская LACE.

Преимущества LoRa:

  • открытый стандарт
  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 10 лет работы сенсора от батареи АА
  • различные нелицензируемые частоты, такие как 109 МГц, 433 МГц, 868 МГц, 915 МГц суб-ГГц ISM полос
  • адаптивная скорость передачи данных
  • поддерживает личные и общественные сети
  • комплексная безопасность и встроенные идентификация и аутентификация


Недостатки LoRa:

  • низкая скорость передачи данных
  • Semtech — единственный поставщик чипов
  • отсутствует роуминг


Концентраторы для LoRa поставляются такими компаниями, как MultiTech, и уже созданы общественные сети, как например The Things Network.

СТРИЖ
Система реализовывается российской компанией СТРИЖ-Телематика, используется собственный протокол Marcato 2.0. Частота может быть адаптирована под ISM диапазон.
Технология до определенной степени схожа с технологией LoRa со всеми плюсами и минусами последней. Принципиальное отличие: у LoRa используется широкополосное кодирование, а у СТРИЖ — узкополосная модуляция. По данным компании, такая модуляция позволяет гораздо эффективнее использовать полосу спектра, увеличить чувствительность и энергоэффективность и снизить стоимость.
Беспроводная сеть СТРИЖ развернута в Москве со 100% покрытием, а также с частичным покрытием в Московской обл., Санкт-Петербурге и некоторых других городах и насчитывает более 200 базовых станций. Производятся и реализовываются радиомодемы, базовые станции, а также счетчики и датчики со встроенными модемами.

SigFox
Система построена одноименной компанией, основанной во Франции в 2009 году. Используется технология Ultra Narrow Band (UNB), та же, что использовалась для связи между подводными лодками во время Второй мировой войны. Эта технология изначально предназначена для связи на низких скоростях передачи данных.
SigFox в настоящее время использует самый популярный европейский ISM диапазон на 868 МГц (как определено стандартом ETSI и СЕРТ), а также 902 МГц в США (как определено FCC), в зависимости от конкретных региональных правил. Система развернута с использованием возможностей современных сотовых сетей.
Устройство может отправить до 140 сообщений в день, и каждое сообщение может содержать до 12 байт полезных данных. 12 байт покрывает потребности устройств, которые передают данные, такие как местоположение устройства, индекс потребления энергии, сигнал тревоги или любой другой тип основной сенсорной информации. Также можно передавать до 4 сообщений из 8 байт полезных данных на каждое устройство в сутки. Для того, чтобы получать сообщения, устройство должно запросить данные с сервера, это должно быть запрограммировано на конкретные события или на определенное время. 8 байт, отправленные на устройство, позволяют при необходимости отправить данные конфигурации, можно оптимизировать срок службы аккумулятора. Этого достаточно, если нет необходимости в полноценной двусторонней связи.
В отличие от своих конкурентов сеть уже развернута по всей Европе и Северной Америке и охватывает десятки тысяч устройств. Компания проводит сертификацию устройств SigFox Ready™.

Преимущества SigFox:

  • большое покрытие
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • сверхнизкое энергопотребление, по оценкам до 20 лет работы сенсора от 2-х батарей АА
  • гибкость в плане конструкции антенны
  • протокол SigFox совместим с существующими трансиверами
  • низкая стоимость


Недостатки SigFox:

  • низкая скорость передачи данных
  • зависимость от сотовой инфраструктуры
  • ограниченная помехоустойчивость


Wheitghless
Weightless — группа открытых технологических стандартов связи LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) для обмена данными между базовой станцией и устройствами. Стандарты развиваются некоммерческой организацией Weightless SIG. В настоящее время доступны 3 стандарта — Weightless-N, Weightless-P и Weightless-W. Используются нелицензируемые частоты суб-гигагерцового диапазона.
Weightless-N использует технологию Ultra Narrow Band (UNB), является стандартом односторонней связи. Самый экономичный стандарт в группе как с точки зрения затрат, так и по энергопотреблению.
Weightless-W использует частоты TVWS (TV white space, неиспользуемые частоты телевизионного спектра) там, где это разрешено местными правилами. Это удорожает терминал и увеличивает его энергопотребление.
Weightless-P — последний из стандартов, введен в июле 2015 года, полностью двусторонний, поддерживает все основные диапазоны SRD / ISM (short range devices / industrial, scientific and medical), наиболее производительный в группе, обладает рядом дополнительных возможностей, как роуминг, пейджинг, адаптированное кодирование и др. Поэтому имеет немного меньшую дальность и более высокое энергопотребление.

Преимущества Weightless:

  • открытый стандарт
  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 10 лет работы сенсора (Weightless-N)
  • различные нелицензируемые частоты (Weightless-P)
  • поддерживает личные и общественные сети
  • высокая безопасность
  • низкая стоимость (особенно Weightless-N)


Недостатки Weightless:

  • низкая скорость передачи данных

Nuel
Neul базируется на протоколе Weightless, использует нелицензируемые ISM и TVWS частоты.
В сентябре 2014 года Neul была приобретена компанией Huawei и стала дочерней. Заявлено, что Neul и Huawei совместно работают над новаторской технологией, которая позволяет повторное использование сетей мобильных операторов для широкого охвата ультра-низкой мощности связи для приложений IoT.

Преимущества Neul:

  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 15 лет работы сенсора
  • хорошо сочетается с другими стандартами на соседних частотах


Недостатки Neul:

  • низкая скорость передачи данных
  • проприетарная технология

Nwave
Британская компания с офисами в Лондоне, США и Дании возглавляется выпускником МФТИ Юрием Бирченко.
Технология Nwave сходна с Neul, поскольку также основана на протоколе Weightless, и сравнима с SigFox, поскольку является проприетарной. Nwave иногда описывают как VPN (virtual private network, виртуальная частная сеть) внутри публичного трафика с использованием стандарта Weightless-N. Используется технология Ultra Narrow Band (UNB) и нелицензируемые ISM частоты.
Компания производит и реализовывает радиомодемы, базовые станции, а также датчики со встроенными модемами и наборы для разработчиков.
Описание технологии и фото оборудования Nwave крайне схожи с технологией и оборудованием российской компании СТРИЖ-Телематика.

Преимущества Nwave:

  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • очень низкое энергопотребление
  • поддерживает личные и общественные сети
  • высокая безопасность
  • низкая стоимость


Недостатки Nwave:

  • низкая скорость передачи данных
  • проприетарная технология

Dash7
Dash7 Альянс протокол (или D7A) — открытый протокол беспроводной связи, который работает на частотах 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц нелицензируемых ISM / SRD диапазонов. Поддерживается AES 128-битное шифрование и передача данных до 167 кбит/с, при этом максимальный пакет данных составляет 256 байт.
Протокол продвигается некоммерческим Альянсом Dash7 Alliance со штаб-квартирой в Бельгии. Протокол основан на международном стандарте ISO/IEC 18000–7, описывающем интерфейс для активной RFID и используемым в военной логистике США (НАТО). Текущая версия протокола DASH7 уже не совместима со стандартом ISO/IEC 18000–7.

Преимущества Dash7:

  • открытый стандарт
  • достаточно большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление
  • различные нелицензируемые частоты


Недостатки Dash7:

  • низкая скорость передачи данных
  • средняя проникающая способность в воде
  • определенные требования к антеннам

GSM, LTE
Консорциум 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии, уже давно работает над улучшением GSM (Global System for Mobile Communications, изначально Groupe Spécial Mobile) и LTE (Long-Term Evolution) с точки зрения IoT. Это прежде всего ответы на вызовы: проникающая способность, низкое энергопотребление, экономичность и масштабируемость. Ближайшие улучшения связаны с Release 13, намеченным на март 2016 года, и заявлены как достойные конкуренции с LoRa и SigFox. По данным консорциума, почти удалось решить все заявленные проблемы, в том числе по энергосбережению. А стоимость модуля М2М должна составить в 2016 году $4,5 для GSM и $5 для LTE-M.

Преимущества GSM, LTE:

  • функционирование на существующей инфраструктуре сотовых операторов
  • широкое распространение в мире
  • высокая скорость передачи данных
  • поддержка личных и общественных сетей
  • высокая комплексная безопасность
  • роуминг


Недостатки GSM, LTE:

  • лицензируемые частоты
  • высокие тарифы


NB-LTE и NB-CIoT
Корпорации Nokia Networks, Ericsson и Intel объединились для продвижения технологии Narrow-Band Long-Term Evolution (NB-LTE). Sprint, Verizon Wireless, Alcatel-Lucent, Qualcomm, Samsung, Sony и ZTE также стали частью этой инициативы.
NB-LTE рассматривается некоторыми экспертами как прямой вызов Huawei Technologies, которая развивает технологию Narrowband Cellular IoT (NB-CIoT). NB-CIoT уже получила поддержку таких тяжеловесов, как Vodafone, T-Mobile, TeliaSonera и China Unicom.
Основное различие между NB-LTE и NB-CIoT сводится к тому, насколько существующие LTE-сети могут быть переориентированы на IoT. Huawei отказался от комментариев на этот счет, но критики подхода «чистого листа» (clean slate) NB-CIoT отмечают, что эта технология требует новых чипсетов и, кажется, не имеет обратную совместимость с LTE-сетями старше Release 13.
По словам представителя Nokia, NB-LTE, напротив, может быть полностью интегрирована в существующие LTE- сети и работает в рамках существующих полос LTE. Другими словами, NB-LTE использует существующую экосистему и, таким образом, обещает большую экономию на масштабе.
В остальном обеим технологиям удалось решить проблему энергосбережения: заявленная продолжительность работы устройства от элемента питания — 10 лет. Кроме того, в несколько раз улучшена проникающая способность в плотной застройке, и количество возможных подключений устройств увеличено на 2 порядка. Стоимость модуля М2М оценивается в $4 в 2016 году.
Преимущества и недостатки этих технологий естественным образом произрастают из GSM и LTE.

d0f44caec83b49f1a8108cb67787eb49.png

Ближний радиус действия
Wireless RF
Беспроводные радио (Wireless RF) датчики и исполнительные механизмы дешевы и просты в развертывании. Они характеризуются ультранизким энергопотреблением. Дальность действия составляет до 100 м в прямой видимости и до 500 м с внешними антеннами. Работают они обычно на частоте 315 или 433 МГц со скоростью 10 — 115.2 кбит/с и поддерживают AES шифрование 128 бит.

Bluetooth Low Energy (BLE)
Bluetooth Low Energy (BLE) является беспроводной персональной сетевой технологией, разработана и реализуется с помощью Bluetooth Special Interest Group. В данный момент технология Bluetooth присутствует на всех мобильных платформах, BLE оснащаются миллионы новых устройств. Эта технология хорошо поддерживается и надежна для ближних коммуникаций. Часто применяется для связи между смартфонами и другими персональными, реже домашними электронными устройствами. На этой технологии, в частности, основана технология iBeacon.

Преимущества BLE:

  • широкое распространение в мире
  • высокая скорость передачи данных
  • высокая надежность


Недостатки BLE:

  • некоторые проблемы с аутентификацией и приватностью
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • местонахождение устройства не определяется


Wi-Fi
Wi-Fi (или WiFi, изначально от англ. Wireless Fidelity) — локальная беспроводная сетевая технология, которая позволяет электронным устройствам подключаться к сети, в основном с использованием частот 2,4 ГГц и 5 ГГц ISM радиодиапазона. Технология развивается Wi-Fi Alliance на базе стандарта IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11. Wi-Fi является зарегистрированной торговой маркой одноименного альянса, в который входит более 600 компаний. Эта технология де-факто стала практически повсеместной, в мире выпускаются миллиарды Wi-Fi устройств в год.
Wi-Fi изначально разрабатывалась для локальной связи. Современные точки доступа со шток-антеннами могут обеспечить радиус действия примерно до 100 м без препятствий. Существуют решения с использованием усилителя и полупараболической антенны с дальностью свыше 20 км.
Эта технология не стоит на месте, постоянно развиваясь. Так, технология Wi-Fi Direct позволяет устройствам Wi-Fi подключаться напрямую без точки доступа и сети. Устройства могут установить соединение друг с другом или с группой из нескольких устройств одновременно. Подключаются Wi-Fi Direct-сертифицированные устройства легко и просто: либо два NFC-совместимых устройства вместе, либо с вводом ПИН-кода. Кроме того, все прямые соединения Wi-Fi защищены WPA2.
Wi-Fi соединения могут быть нарушены или скорость соединения снижена при наличии других подобных устройств в той же области. Многие 2,4 ГГц 802.11b и 802.11g точки доступа по умолчанию работают на одних каналах при первоначальном запуске. Wi-Fi загрязнение может стать проблемой в районах с высокой плотностью, таких как большие жилые комплексы или офисные здания со многими точками доступа Wi-Fi. Кроме того, многие другие устройства используют диапазон 2,4 ГГц: микроволновые печи, ZigBee устройства, устройства Bluetooth, беспроводные телефоны, видеоняни, что может вызвать значительные дополнительные помехи. Это также является проблемой, когда муниципалитеты или другие крупные объекты (такие как университеты) стремятся обеспечить большую зону покрытия Wi-Fi.
Недавно выпущенный Cisco и Apple документ «Enterprise Best Practices for Apple Devices on Cisco Wireless LAN» содержит совместные рекомендации, касающиеся использования в сетях устройств iPhone, iPad, iPod (с операционной системой не ниже iOS 9.0). Как говорится в этом документе, «полоса 2,4 ГГц не считается пригодной для любых бизнес- и/или критичных корпоративных приложений». Для беспроводных сетей, где используются устройства Apple, компаниям рекомендуется пользоваться исключительно частотами 5 ГГц (стандарт 802.11a/n/ac). Тем не менее диапазон 2,4 ГГц пока остается основным, используемым по умолчанию для большинства мобильных устройств, к тому же использование частот 5 ГГц для Wi-Fi разрешено не во всех странах.
Первоначально введенный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Многие организации используют дополнительное шифрование для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля. Кроме того, стандартами Wi-Fi не предусмотрено шифрование передаваемых данных в открытых сетях. Это значит, что все данные, которые передаются по открытому беспроводному соединению, могут быть прослушаны злоумышленниками при помощи программ-снифферов. Поэтому, при использовании бесплатных хот-спотов не следует передавать в Интернет критически важные данные.

Преимущества Wi-Fi:

  • повсеместное распространение в мире
  • гарантированная совместимость
  • высокая скорость передачи данных
  • высокая надежность


Недостатки Wi-Fi:

  • интерференция и помехи
  • некоторые проблемы с безопасностью
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • высокая энергоемкость
  • диапазон и ограничения в разных странах различны, многие страны требуют регистрации сетей Wi-Fi, работающих вне помещений

Wi-Fi HaLow
Недавно на CES 2016 Wi–Fi Alliance анонсировал разработку нового стандарта беспроводной связи, предназначенного для работы Интернета вещей. Новый стандарт получил название HaLow и пока не утвержденную спецификацию IEEE 802.11ah. Сертификация первых устройств, совместимых с Wi-Fi HaLow, начнется в 2018 году, однако продукты с поддержкой новой спецификации появятся на рынке раньше.
Для подключения Wi-Fi HaLow будет использоваться нелицензируемая частота 900 МГц. Это заметно увеличит проникающую способность сигнала в городской застройке, а радиус ее действия будет намного больше, чем у современного беспроводного стандарта, — до 1 километра. В то же время платой за «дальнобойность» является малая мощность сигнала. Пропускная способность Wi-Fi HaLow будет гораздо ниже, чем максимум Wi-Fi 802.11ac (7 Гбит/c), предполагаемая скорость: 50 кбит/с — 18 Мбит/с.
По заявлению альянса, HaLow будет широко использовать существующие протоколы Wi-Fi, что обеспечит высокий уровень совместимости и безопасности.

Thread
Thread Group, созданная OSRAM, QUALCOMM, ARM, Samsung, Nest Labs и другими (более 200 компаний) c одной целью — разработать самый лучший способ подключения и управления устройствами в доме. Эта некоммерческая организация продвигает Thread Networking Protocol (беспроводной сетевой протокол на основе IP) и сертифицирует продукты. Первый публичный релиз состоялся 13.07.2015 г. (Revision 2.0). В ближайшее время будет сертифицировано более 30 устройств.
Thread, реализованный в качестве дополнения к Wi-Fi, имеет четкие ограничения для использования в домашней автоматизации в плане безопасности и энергопотребления. Протокол основан на стандарте 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) — стандарте взаимодействия по протоколу IPv6 (новая версия протокола IP с длиной адреса 128 бит вместо 32 в IPv4) поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE802.15.4. Для существующих устройств, поддерживающих стандарт IEEE802.15.4, легко может быть произведен апгрейд до Thread. Протокол обеспечивает безопасность банковского класса AES в дополнение к надежности меш-сети, разработанной специально для домашней автоматизации. К одной сети можно подсоединить 250+ авторизованных устройств. Широкая поддержка «спящего режима» позволяет в течение многих лет эксплуатировать устройства даже от одной батареи AA.

Преимущества Thread:

  • дополнение к Wi-Fi
  • разработка специально для домашней электроники
  • надежная самовосстанавливающаяся сеть
  • использование проверенных открытых стандартов
  • высокая безопасность
  • низкое энергопотребление


Недостатки Thread:

  • интерференция и помехи
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • диапазон и ограничения в разных странах различны, многие страны требуют регистрации сетей Wi-Fi, работающих вне помещений

ZigBee
ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4, который появился в 2003 году. ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN, wireless personal area networks). Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания. Технология ZigBee поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.
ZigBee разрабатывается ZigBee Alliance, в который входит более 300 компаний. Альянс также сертифицирует оборудование и устройства. 16 декабря 2015 года Альянс объявил о ратификации ZigBee 3.0, учитывающий современные требования IoT и поддерживающий все предыдущие версии и сотни миллионов уже проданных устройств.

Преимущества ZigBee:

  • способность к самоорганизации и самовосстановлению
  • простота развертывания
  • высокая помехоустойчивость
  • высокая безопасность
  • нелицензируемые частоты
  • низкое энергопотребление (в том числе режим «сна» для устройств)


Недостатки ZigBee:

  • невысокая скорость
  • большая часть трафика тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, информацию по синхронизации и т.п.
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений

Z-Wave
Z-Wave — запатентованный беспроводный протокол связи, разработанный в основном для домашней автоматизации. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства. Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирован для передачи простых управляющих команд с малыми задержками. В основе решения Z-Wave лежит самоорганизующаяся ячеистая сеть (mesh сеть), в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы.
Радио чипы Z-Wave поставляются компаниями Sigma Designs и Mitsumi. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой. Совместимость подтверждается процессом сертификации Z-Wave или Z-Wave Plus. Сертификация осуществляется Sigma Designs, которая сертифицировала более 1350 продуктов Z-Wave. Глобально протокол поддерживается Z-Wave Alliance, который объединяет более 325 производителей.

Преимущества Z-Wave:

  • разработка специально для домашней электроники
  • способность к самоорганизации и самовосстановлению
  • простота развертывания
  • высокая помехоустойчивость
  • высокая безопасность
  • нелицензируемые частоты
  • отсутствие интерференции с многочисленными устройствами на 2.4 ГГц
  • низкое энергопотребление


Недостатки Z-Wave:

  • невысокая скорость
  • для решений с потребностью более 30 устройств, Z-Wave начинает становиться более дорогим, чем кабельные системы
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • платежи Sigma Designs как владельцу технологии

Конечно, в одной статье сложно описать все существующие протоколы и технологии при всем их многообразии. Так, за кадром остались, например, ANT+, WirelessHART, Ingenu, Telensa.
Следует отметить, что некоторые производители все же стремятся как-то сблизить технологии и их применение. На рынке доступны двухрежимные модули, например модуль LoRa / Sigfox от Nemeus. К тому же, как заявляет компания СТРИЖ-Телематика, технология СТРИЖ обеспечивает полную совместимость с LoRa.

В заключении, по данным Machina Research, консультативной группы M2M, к 2024 году в мире будет в общей сложности 27 млрд M2M подключений, 14% из которых будут представлены LPWAN соединениями, подобными SigFox, и его конкурентами, такими как LoRa и Neul.

Замечания и поправки просьба оставлять в комментариях.

© Geektimes