Узкополосный доступ в интернет что это такое
3.4. Технологии доступа в Интернет
Когда у пользователя возникает желание или необходимость подключения к Интернету, один из первых вопросов, который он задает провайдеру – поставщику услуг доступа – с какой скоростью он сможет получать информацию.
Очень грубо, все каналы связи можно разделить на два класса – низкоскоростные (узкополосные) и высокоскоростные (широкополосные). Узкополосные каналы позволяют получать информацию со скоростями до 30 – 60 килобод в секунду, а широкополосные – от сотен Кбит/с и выше. Надо иметь ввиду, что скорость передачи данных традиционно считается в битах в секунду, а пользователи компьютеров привыкли считать информацию в байтах, так, чтобы получить привычную цифру, надо разделить скорость на 8.
Всю глобальную сеть можно разделить на две части – каналы между узлами связи и участок между узлом связи и потребителем услуг. Каналы между узлами связи – это суперскоростные линии, включающие оптоволоконные, коаксиальные, радиорелейные, спутниковые и др. линии связи.
Проблемы возникают при доставке Интернет-услуг на участке между узлом связи и компьютером конечного пользователя. В специальной литературе даже появился термин – «последняя миля».
Провайдер (англ. provider)
Провайдер – это компания, предоставляющая услугу доступа в интернет и, возможно, другие услуги, такие как хостинг, e-mail и др. Большинство провайдеров предоставляет доступ в интернет посредством модема частным лицам – dialup. Провайдеры, которые обеспечивают корпоративный доступ в интернет, часто предлагают выделенные высокоскоростные линии связи, в том числе оптоволокно, радиодоступ и т.п.
Исторически первым способом доступа пользователей в Интернет был аналоговый модем и традиционные узкополосные коммутируемые телефонные линии. И до сих пор они остаются популярными и востребованными. Однако ограниченные возможности телефонных линий связи и изменение самого Интернет- контента (в первую очередь – большое количество мультимедиа компонент) требует перехода на каналы широкополосного доступа.
Среди многочисленных вариантов широкополосного доступа в Интернет для конечных пользователей наибольшую популярность приобрели различные варианты домашних сетей. Построение таких сетей может осуществляться с использованием разнообразных типов среды передачи: оптоволокно, коаксиальный кабель, витая пара категории 5, существующие телефонные линии (используя DSL) и технологии беспроводных сетей.
Спутниковый Интернет, организация радиоканалов для доступа в Интернет и набирающие популярность сотовые сети отличаются от перечисленных технологий тем, что не требуют наличия кабельной инфраструктуры и в этом смысле имеют огромное преимущество.
Технологии доступа в Интернет
Типы подключение к Интернету – разбираем технологии доступа
В настоящее время большинство пользователей компьютеров ежедневно прыгают в Интернет, не задумываясь об используемых технологиях. Но, задумывались ли вы, какие типы интернет-соединений позволяют нам подключаться к интернету?
Давайте рассмотрим различные типы интернет-соединений, которые использовались на протяжении многих лет и сегодня. Мы увидим, как доступ к Интернету развивался с течением времени, и познакомимся с основами работы каждого метода.
Определение «интернет-провайдера»
Прежде чем мы начнем, важно знать, что такое интернет-провайдер (ISP). Хотя любой может использовать свой компьютер как автономное устройство или подключаться к другим компьютерам в локальной сети, вам необходимо пройти через поставщика услуг Интернета, чтобы подключиться к обширным ресурсам, доступным в Интернете.
Интернет-провайдер – это просто компания, которая предоставляет своим клиентам доступ в Интернет. Примеры могут включать Ростелеком, МТС, Билайн и т.д. Эти компании обладают обширной сетевой инфраструктурой, которая обеспечивает широкий и легкий доступ в Интернет.
Какие технологии использует ваш интернет-провайдер для подключения вас к Интернету, с годами многое изменилось и многое зависит от вашего региона.
Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных форм подключения к Интернету.
Типы проводного доступа в Интернет
Сначала мы рассмотрим проводные технологии доступа в Интернет. Обычно они позволяют вам выйти в Интернет из дома.
Кабельное подключение
Кабель – распространенный способ достпа к высокоскоростному Интернету. Здесь используется тот же тип медного кабеля, что и для услуг кабельного телевидения. Применяется стандарт, называемый DOCSIS (спецификация интерфейса службы передачи данных по кабелю), совместимый модем может сортировать телевизионные сигналы из сигналы данных Интернета, поэтому оба работают на одной линии.
Хотя кабель по-прежнему является распространенным методом широкополосной связи, у него появились серьёзные конкуренты среди более современных методов. Вы всё ещё можете ожидать стабильной скорости от кабельного Интернета, но это не самая мощная технология.
Оптоволоконное подключение
Оптоволоконное подключение к Интернету является одним из самых быстрых вариантов домашнего Интернета. Вместо традиционного кабеля используются световые сигналы для передачи информации.
На исходном конце передатчик преобразует электрические сигналы в свет. Затем этот свет отражается по специальному кабелю из стекла или пластика. Когда он достигает пункта назначения, принимающая сторона преобразует свет обратно в данные, которые ваш компьютер может использовать.
Как и следовало ожидать, свет распространяется намного быстрее, чем электричество, протекающее по проводам. К сожалению, волоконно-оптические сети не так распространены, как кабельные, а прокладка новых линий обходится дорого. Таким образом, этот тип подключения недоступен в некоторых регионах.
Мы используем термин «волокно до дома», чтобы описать этот тип доступа. Однако, оптоволоконный кабель используется и для многих других целей, например, для прокладки линий через океан. Волоконная оптика может эффективно передавать данные на гораздо большие расстояния, чем кабель, что делает его полезным в этих ситуациях.
DSL доступ в Интернет
DSL, что означает цифровая абонентская линия, использует существующие телефонные линии для передачи цифровых данных. Поскольку данные передаются с большей частотой, чем голосовые вызовы, вы можете одновременно пользоваться Интернетом и разговаривать по телефону.
С DSL вы устанавливаете физический фильтр, который разделяет голосовые сигналы и сигналы данных. Иначе во время разговора по телефону вы услышите пронзительное шипение.
Этот термин почти всегда относится к асимметричному DSL, это означает, что ваши скорости загрузки и выгрузки различаются. Это имеет смысл, поскольку большинство людей загружают из Интернета больше контента, чем выгружают туда.
DSL всё ещё предлагается сегодня, особенно в местах без надежной кабельной инфраструктуры. Это приемлемо, если вам не нужно быстрое соединение, но с сегодняшним Интернетом его возможностей часто оказывается недостаточно.
Коммутируемое соединение
Сейчас коммутируемое соединение – редкость, но о нём стоит кратко упомянуть, поскольку это был первый широко используемый метод доступа в Интернет.
Как и DSL, он использует телефонные линии для подключения к Интернету. Однако, в отличие от DSL, по линии может одновременно проходить только один тип сигнала. Модем с коммутируемым доступом преобразует цифровые сигналы с компьютера в аналоговые сигналы, которые проходят по телефонной линии, выполняя «телефонный звонок» на сервер провайдера.
Конечно, у этой настройки много ограничений. Аналоговый сигнал дозвона неэффективен по сравнению с цифровыми сигналами. И, что печально известно, телефонный звонок, когда вы были в сети, выкинул бы вас из интернета.
Звук коммутируемого соединения вызывает у многих ностальгию, но, по большей части, это технология соединения, оставшаяся в прошлом.
Типы мобильного и беспроводного доступа
Беспроводной доступ в Интернет за пределами дома становится всё более распространенным.
Давайте теперь посмотрим на типы беспроводных интернет-услуг.
Спутниковый Интернет
Спутниковый Интернет, как следует из названия, представляет собой беспроводное решение, использующее спутники на орбите. Это технология прямой видимости, поэтому вам нужен профессионал, чтобы установить антенну, прикрепленную к вашему дому, которая направлена на служебный спутник.
Как вы, наверное, знаете, чем дальше проходит сигнал, тем больше он ухудшается. Поскольку спутниковые антенны могут находиться на расстоянии более 60 000 км, они часто имеют большую задержку. Это ухудшает качество спутниковой связи для таких действий в реальном времени, как игры.
Другая проблема со спутниковым интернетом заключается в том, что он передаёт сигнал на большую территорию. Все, кто рядом с вами, использующие спутниковое соединение, должны совместно использовать полосу пропускания.
Это единственный вариант доступа в Интернет для многих людей в отдаленных районах, но мы не рекомендуем его, если у вас есть другие варианты.
Мобильный широкополосный доступ
Доступ в Интернет по беспроводной сети может иметь несколько различных форм.
Подобно спутниковому Интернету, беспроводная широкополосная связь для дома позволяет вам принимать сигнал от вашего интернет-провайдера без кабелей. Он не идеален, поскольку имеет те же недостатки, в том числе меньшую скорость и восприимчивость к помехам.
В большинстве случаев, когда мы говорим «мобильный интернет», мы имеем в виду технологии беспроводного доступа на мобильных телефонах. Смартфоны передают и принимают беспроводные радиоволны, что позволяет им передавать цифровые данные, а также голосовые вызовы.
Мобильный интернет также позволяет подключить ноутбук к сети практически в любом месте и может использоваться как альтернатива Wi-Fi в автомобиле. Провайдеры сотовых сетей продают USB-модемы и другие мобильные интернет-устройства, которые позволяют подключаться к сети вашего провайдера через мобильные технологии, такие как LTE. Это позволяет вам выходить в Интернет без подключения к сети Wi-Fi.
Теперь Вы понимаете
Мы изучили основы технологий подключения к Интернету, как проводных, так и беспроводных. Во многих случаях то, что вы используете, ограничено тем, что предлагается в вашем районе. Если вы не живете в очень удаленном месте, у вас, вероятно, есть кабельный или оптоволоконный доступ в Интернет дома и соединение LTE на вашем телефоне.
Разница между узкополосной и широкополосной
Содержание:
Узкополосный против широкополосного
Узкополосный
В радио узкополосная связь происходит в частотном диапазоне, где частотная характеристика канала плоская (где усиление постоянно для всех частот в диапазоне). Следовательно, полоса должна быть меньше, чем ширина полосы когерентности (максимальный диапазон частот, где характеристика канала ровная), и относительно меньше, чем широкополосный диапазон (или широкополосный), где характеристика канала не обязательно плоская.
Когда речь идет о передаче данных (или подключении к Интернету), узкополосный означает объем данных, передаваемых в течение секунды (или бит в секунду). Коммутируемое подключение к Интернету (при скорости передачи данных менее 56 кбит / с) относится к категории узкополосного Интернета. При коммутируемом соединении компьютеры подключаются к Интернету через модем и телефонные кабели.
Широкополосный
Для интернет-соединений термин «широкополосный» описывает скорость передачи данных соединения. Широкополосный доступ обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем широкополосные технологии. Широкополосный Интернет может обеспечить пропускную способность выше 50 Мбит / с. Они обеспечивают хорошее качество потокового видео и лучшую интерактивность.
В чем разница между узкополосным и широкополосным?
1. Узкополосная связь использует меньший частотный диапазон (полосу пропускания) по сравнению с широкополосной связью.
2. В доступе к Интернету широкополосные технологии обеспечивают гораздо более высокую скорость передачи данных (более 50 Мбит / с), тогда как узкополосные соединения обеспечивают более низкую скорость передачи данных, например 56 кбит / с.
3. В радиосвязи полоса пропускания меньше, чем ширина полосы когерентности канала для узкополосной связи и шире для широкополосной.
Свежие записи
Подписаться на блог по эл. почте
Последнее время всё чаще возникают вопросы относительно отличий между существующими технологиями передачи данных, применяемыми для интернета вещей. При этом люди зачастую не понимают принципы лежащий в основе. Поэтому решение об использовании той или иной технологии во многих случаях принимаются не на основе реальных преимуществ, а маркетинга. За что потом приходится расплачиваться на этапе эксплуатации. В данной статье мы хотим кратко и наглядно описать основные отличия между ними.
Основное отличие между технологиями расширения спектра (Spread spectrum, wide band) и узкополосными приёмопередатчиками (Narrow band, иногда Ultra narrow band) лежит в названии — ширина канала передачи данных. Однако на практике мало кто понимает и придаёт особое значение этому аспекту. Хотя, это является основополагающим, т.к. это относится к 1 уровню сетевой модели OSI/ISO — физическому каналу передачи данных, всё остальное строится уже на этой основе.
Приведём простую и наглядную иллюстрацию узкополосных и широкополосных приёмопередатчиков. На рисунке ниже представлены каналы передачи данных (ширина по вертикали). Соответственно, чем шире канал, тем больше данных можно передать в нём за единицу времени. Однако, в то же время, чем шире канал, тем больше шума попадает в полосу приёмника. Что, в свою очередь влияет на передачу данных в принципе — растёт количество «битых» пакетов, соответственно их надо передавать повторно, и в итоге скорость передачи данных падает, т.к. дополнительно возрастают накладные расходы на контроль и управление передачей данных (в традиционных сетях этим занимается TCP). Этот момент очень важен, т.к. спектр частот разрешённый к использованию без лицензирования ISM (в РФ 433 и 868 МГЦ) ограничен и его используют все существующие устройства: охранные, пожарные сигнализации, системы управления и автоматизации, датчики и системы сбора информации и др. Все эти устройства и данные от них в радиоэфире являются шумом для новой развёртываемой сети интернета вещей.
Особенно остро этот вопрос встаёт в густонаселённых городах (областных центрах и городах федерального значения). Устройства должны просто бороться между собой за радиоэфир. И тут мы приходим к следующему фактору на который многие также не обращают внимание. Чем шире канал передачи данных, тем больше не пересекающихся каналов можно уместить в разрешённом диапазоне ISM. Для примера разница может достигать 80 раз (500 кГц/6.25 кГц). Соответственно на той же самой территории можно разместить гораздо больше устройств с узкой полосой передачи данных. Для устранения данного фактора некоторые технологии, например LoRa использует кодовую модуляцию поверх своего канала. Это даёт определённый эффект, однако не всегда он оказывается достаточным (подробнее ниже), однако в тоже время ещё больше снижает скорость передачи данных. В итоге можно привести наглядную аналогию:
Тут можно сделать несколько важных выводов:
Вернёмся к вопросу эффекта от использования дополнительной кодовой модуляции и эффективности применения этого технологии на практике. В 2016 году один дистрибьютор из Санкт-Петербурга провёл сравнение узкополосных технологий (SigFox, Thread) с широкополосными (LoRa). Наиболее интересная (практическая) часть начинается с 18:44.
Как видно, при всего 3% перекрытия ширины канала LoRa теряет связь уже на 300 метрах прямой видимости. В условиях плотной городской застройки это очень и очень мало. Создание глобальных сетей уровня района или города становиться практически невозможным, т.к. при отсутствии прямой видимости (из-за стен, перекрытий) дальность упадёт ещё больше. Максимум на что можно рассчитывать — дом или другое строение.
Также рекомендуем ознакомиться с записью вебинара в целом. В нём описаны и другие важные факторы влияющие на работу беспроводных приёмопередатчиков: чувствительность, избирательность, помехоподавление, энергоэффективность.
Узкополосный доступ для широкого внедрения Интернета Вещей
«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.
Следует принять во внимание, что существующая инфраструктура мобильной связи имеет все же ограниченное покрытие, относительно высокую стоимость терминальных устройств, да и энергетика последних оставляет желать лучшего. Действительно, предназначены эти сети для передачи голоса, сообщений, высокоскоростных данных и даже видео. Но они, к примеру, никак не оптимизированы под эпизодическую передачу относительно небольших объемов данных от многих тысяч всевозможных устройств, расположенных в зоне обслуживания одной базовой станции. К тому же чем дальше от базовой станции, тем большую мощность должен излучать терминал. Если этот терминал установлен вообще где-то в лесу или под землей, то кто, к примеру, будет заряжать его аккумулятор многие и многие лета? Вот если бы эта батарейка работала годы напролет… Низкое энергопотребление вообще является наиважнейшим условием для 80% случаев использования IoT в «умных» счетчиках, носимой электронике, смарт-парковках и т.п. Причем простота установки и небольшой размер горя в случае кражи – тоже немаловажные факторы для массовой технологии. Ну а если обратиться к стоимости сотовой связи, то для хоть и надежной, но низкоскоростной передачи данных она также будет великовата. В общем, вот эту проблему поиска оптимальных решений для подключений в рамках IoT и стоит сегодня обсуждать, пока еще не появились обещанные миллиарды «подключенных вещей».
Многочисленные разработки технологий беспроводной передачи данных в лице Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и пр. умеют решать задачи IoT-коммуникаций в пределах одной «вещи», одного (извините за сравнение) человеческого тела, одного помещения или ограниченной территории. Но этого мало. Поиск чего-нибудь экономичного для IoT привел сетевое телекоммуникационное сообщество к необходимости генерации какого-то нового решения, снимающего большинство из указанных выше рисков. Надо сказать, что подобная идея возникла не сегодня — она давно обсуждалась радиоинженерами, и в результате появилась несколько технологий, которые стали дальнейшим развитием т.н. энергоэффективной глобальной сети дальнего радиуса действия LPWAN (Low Power Wide Area Network), ориентированной на низкоскоростную передачу данных и даже стандартизованной организацией 3GPP. Однако проблемы IoT при этом не исчезли.
Дело в том, что требования IoT-приложений настолько разнообразны, что все случаи использования LPWA не могут быть охвачены единой технологией. В связи с этим появились стандарты для узкополосных IoT-устройств NB-IoT (Narrow Band IoT), для расширенного GPRS-покрытия (EС-GPRS или EC-GSM-IoT) и межмашинных LTE-соединений eMTC (встречаются также названия LTE-M, LTE-MТС, LTE Cat.M1). Все эти технологии предусматривают работу в лицензируемом диапазоне радиочастот (как и все системы сотовой связи), что означает необходимость получения соответствующих разрешений.
Для работы в нелицензируемых диапазонах радиочастот 868/915 МГц (Европа/США) разработаны соответствующие технологии, и наиболее часто встречающаяся среди них — LoRa (сокращение от Long Range — то есть это сеть масштаба района или города, а не квартиры или офиса). Это проприетарная технология, для реализации которой требуется аппаратный модем, присутствующий в чипах, выпускаемых, в частности, компанией Semtech.
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/км² (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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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»