[Разработка для интернета вещей, Умный дом, Интернет вещей, Сотовая связь] Что такое энергоэффективность LPWAN. Проживет ли NB-IoT устройство 10 лет от батарейки?
Автор
Сообщение
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286
Привет, всем уважаемым читателям Хабра!Я, Шептовецкий Александр, в последнее время профессионально занимаюсь различными вопросами эффективности работы различных LPWAN систем интернета вещей и хотел бы выступить на данной площадке в качестве эксперта в этой области.В интернете можно найти очень много разнообразной информации о работе LPWAN, но, к сожалению, некоторые очень важные специфические особенности работы LPWAN освещаются самими производителями, заинтересованными показать свою технологию только в лучшем свете. У всех систем объявляется большая дальность работы, все устройства работают 10 лет от батарейки, все обещают беспрецедентную безопасность и надежность системы. Независимые же эксперты как правило просто перепечатывают рекламную информацию в виде сравнительных таблиц с набором самых разных параметров, часто не понимая, что значат эти цифры для потребителя.Хочу анонсировать серию статей, в которых попытаюсь внести дополнительную ясность в ключевые особенности работы LPWAN систем, энергоэффективность, дальность, время работы от одной батарейки, пропускная способность, безопасность и многое другое. Постараюсь быть максимально объективным.Первая статья будет посвящена вопросу, что такое энергоэффективность в проекции на NB-IoT решения, в следующих будем обсуждать энергоэффективность безлицензионных решений, проблемы с дальностью, пропускной способностью, безопасностью и некоторые другие аспекты.Как померить энергоэффективность При описании LPWAN систем постоянно используется слово энергоэффективность, что же оно означает и можно ли ее померить?В общем случае, под энергоэффективностью понимают эффективное расходование энергии батарейки и обозначают ее как потенциально возможное время работы датчика от батарейки. Почти все производители LPWAN систем обещают до 10 лет работы от батарейки, можно ли им доверять?Посмотрим, как определяется понятие энергоэффективность в рекомендациях международного союза электросвязи. В разделе общие положения МСЭ-T L.1310 определено, что «показатель энергоэффективности обычно определяется как отношение между функциональной единицей и энергией, требуемой для вырабатывания функциональной единицы».Основная задача LPWAN систем это доставка на сервер коротких сообщений от датчиков, поэтому, за функциональную единицу правильно принять именно «переданное сообщение». В таком случае, в качестве параметра энергоэффективности при использовании радиоканала можно принять количество энергии, затраченное на отправку одного сообщения.
Энергоэффективность - величина обратно пропорциональная энергии, затраченной на передачу одного сообщения.
Необходимо обратить внимание на следующий факт, что энергия, затраченная на передачу сообщения зависит от времени в эфире и мощности передатчика. На фиксированную дальность можно передать быстро и с большой мощностью, а можно медленно с маленькой и затратить на это одинаковую энергию. Уменьшение скорости для увеличения дальности обычно требуется в случае ограничения мощности передатчика.
Рисунок 1. Позиционирование LPWANВ интернете постоянно попадается картинка из трех кругов со следующим комментарием: «Любые существующие беспроводные технологии передачи данных обладают такими характеристиками как дальность, скорость и энергоэффективность. Причем одновременно можно соответствовать лишь 2-м из 3-х.». Более точным комментарием будет: «Увеличение любого одного или двух из этих трех параметров возможно только за счет уменьшения оставшихся, их произведение остается постоянным».
Энергоэффективность х Площадь покрытия х Скорость = Constant
LPWAN датчики как правило питаются от 3,6 В литиевой батарейки, энергию которой принято определять в милиампер-часах (мАЧ), поэтому, удобнее всего энергию сообщения будет считать в микроампер-часах (мкАЧ). Например, на стандартное короткое сообщение LoRaWAN, длительностью 1,6 секунд расходуется 20 мкАЧ энергии батарейки, что позволяет в предельном случае отправить до 100 тысяч сообщений от стандартной батарейки емкостью 2000 мАЧ. У SigFox с энергетикой дело обстоит хуже, там сообщение повторяется три раза и длится в эфире 6,2 секунд и потребляет 78 мкАЧ (реальные испытания компанией Rohde & Schwarz показали, что в реальности потребление даже выше - 106 мкАЧ, можно убедиться в этом в отчете). Это значит, что если энергия тратится только на передачу регулярных сообщений, то батарейка у SigFox разрядится в 3,8 раза быстрее, чем у LoRaWAN устройства! Эта разница существенна! Там, где одно устройство проработает от одной батарейки более трех лет, другое не проживет и года!Энергоэффективность нельзя сравнивать для систем с разной дальностью работы. Попробуем, например, оценить энергоэффективность датчика с Bluetooth каналом. BLE маячок мощностью 0dBm с короткими сообщениями тратит на передачу с периодом 1 раз в секунду около 7 мкА, это говорит о его беспрецедентной энергоэффективности. От литиевой батарейки 1000 мАЧ он проработает до 15 лет, и передаст более 470 миллионов сообщений, потратив на каждое только 2,1 нАЧ!
Bluetooth может передать от одной батарейки в десятки тысяч раз больше сообщений, чем LoRaWAN или SigFox
Теперь посмотрим на NB-IoT. Энергоэффективность NB-IoTВ первую очередь прояснить вопрос энергоэффективности NB-IoT меня заставило распространенное утверждение, что NB-IoT - LPWAN решение от сотовых операторов полностью вытеснит другие LPWAN решения, которые работают в безлицензионном диапазоне частот, такие как LoRaWAN, SigFox и т.п. Давайте посмотрим, как обстоит дело с ключевым LPWAN параметром - энергоэффективностью NB-IoT. Требования стандарта 3GPP рассчитаны на то, что NB-IoT устройства работать от батарейки десять лет. К сожалению, реальных практических исследований в этой области очень мало. Я обратился к некоторым производителям GPS трекеров в России, которые реально используют NB-IoT и получил ответ, что по их данным: "NB-IoT действительно обеспечивает большую зону покрытия, но добиться значительного уменьшения потребления связи для передачи коротких сообщений им не удается", по их опыту потребление 2G модуля, в среднем, менее чем в 2 раза превышает потребление NB-IoT модуля. То есть NB-IoT получается выигрывает по энергетике у решений 2G не более чем в 2 раза. Выдающимся этот результат явно не назовешь, почему так получилось?Для прояснения этого вопроса пришлось изучить последние зарубежные исследования в этой области, и вот краткий результат. В отличие от большинства своих конкурентов, NB-IoT появился не с чистого листа, он является модификацией LTE, из которой он наследует многие особенности, определяющие его критические характеристики - энергопотребление, надежность и другие.Результаты исследования NB-IoT показывают, что его производительность - с точки зрения энергии, в идеальном случае - сопоставима с LoRaWAN. В реальности же наблюдается очень высокий разброс характеристик расхода энергии на одно сообщение от конечного устройства ( данные взяты из публикации «Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT»). 
Рисунок 2. разброс энергии на передачу данных в зависимости от режима работы
Рисунок 3. Соотношение сигнал/шумЭнергоэффективность NB-IoT обеспечивается установкой соответствующих параметров конечного устройства и установками операторов сети для режима сохранения энергии PSM. На рисунках 2 и 3 ( данные взяты из публикации «Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT») приведены примеры разброса энергии, затраченной конечным устройством в зависимости от устройств в сетях разных операторов и при разных уровнях принимаемого сигнала. Нельзя забывать, что в NB-IoT энергия тратится не только на саму передачу информации, но и на некоторые другие специфические процедуры, присутствующие в протоколах сотовой связи и унаследованные от LTE и 5G, такие как присоединение и синхронизация с сетью, обмен ключами и шифрование данных.Вопросы дополнительного потребления NB-IoT устройств подробно рассмотрены в отчете «Narrowband IoT Device Energy Consumption Characterization and Optimizations».Структура безопасности, используемая в NB-IoT, унаследована от сетей 4G и 5G и обеспечивает процессы фактической аутентификации между устройством и сетью, установление контекста безопасности устройства (SC), который должен быть использован в последующих сообщениях для обеспечения целостности и конфиденциальности данных.
Рисунок 4. Доля времени, потраченного на различные операции в рабочем состоянии (кроме IMSI шифрования).Сеть может запрашивать у устройства повторную аутентификацию сколь угодно часто, даже если устройство уже подключено к сети. В некоторых случаях сеть даже обязана удалить SC устройства и запросить повторную аутентификацию при следующем подключении устройства (например, во время процесса TAU).Устройства NB-IoT потребляют энергию в любом из трех состояний: легкий сон, глубокий сон и работа. Состояния легкого и глубокого сна соответствуют состояниям ожидания и PSM 3GPP, когда устройство потребляет мало энергии или почти не потребляет. Рабочее состояние — это состояние, во время которого устройство генерирует данные и общается с сетью и потребляет энергию на процесс установления соединения (RA), процесс присоединения, обмен данными (включая любые требуемые запросы на планирование, прием контрольных данных, шифрование / дешифрование), IMSI дешифрование и активное ожидание. При этом надежные механизмы шифрования могут быть очень энергозатратными и существенно повлияют на время автономной работы устройства.Потребление энергии в рабочем состояние может быть на порядки больше, чем два других состояния. Фактически потребление энергии для передачи данных и прием на порядки ниже, чем при оперативном выполнении функций RA, Attach и Active Waiting.Кроме того, NB-IoT определяет три возможных уровня связи, нормальный, надежный и экстремальный, в которых используют разные количество повторов (до 128 и 2048 повторов для восходящей и нисходящей линии связи соответственно).На рисунке 5 приведены расчеты потребления конечных устройств для 10 лет непрерывной работы взятые из отчета «Narrowband IoTDevice Energy Consumption Characterization and Optimizations». Следует отметить, что у стандартной литиевой батарейки емкостью 1 000 мАЧ соответствует энергии около 12 КДж. 
Рис 5. Энергия на периодическую передачу данных в зависимости от качества покрытия (normal, robust, extreme).
Устройство A - GPy от Pycom, B - BC95 от Quectel, C - SARA-N2 от Sodaq.Графики на рисунке 5 показывают очень большой разброс потребления в зависимости от качества покрытия сети и типа NB-IoT устройства. Действительно, если устройство передает один раз в сутки и находится в зоне качественного приема, то его потребление за 10 лет может составить от 5,5 до 55 кДж - в зависимости от установок сети, типа и качества программы устройства. Это соответствует емкости литиевой батарейки 3,6 вольт от 460 до 4 600 мАЧ. Как видим, условие десяти лет работы от батарейки выполняется, но! только в идеальных условиях! В зоне среднего уровня качества связи для передачи сообщений раз в сутки потребуется уже емкость батарейки от 1 700 до 6 700 мАЧ. При этом, для передачи сообщений раз в час в течение 10 лет в зоне среднего качества покрытия понадобится неимоверно «большая» литиевая батарейка емкостью до 150 000 мАЧ. Сравнение энергоэффективности NB-IoT с безлицензионными системами получается явно не в пользу NB-IoT. Только в идеальных условиях: условиях высокого качества приема, правильно установленных оператором параметров сети, можно добиться результата не хуже, чем у безлицензионных решений. В зоне среднего качества покрытия ситуация будет другой, она отражена в таблице ниже:ПараметрNB-IoTLoRaWANSigFoxЭнергозатраты на сообщение с полезной нагрузкой 2 байта*400 мкАЧ29 мкАЧ128 мкАЧКоличество сообщений от литиевой батарейки емкостью 2 АЧ5 00070 00015 600Срок жизни КУ на передачу раз в 10 минут от батарейки 2АЧ1,1 мес1,3 года3,5 месСрок жизни КУ на передачу раз в час от батарейки 2АЧ6,8 мес7,8 лет1,8 лет *- для NB-IoT взята оценка энергозатрат на одно сообщение в режиме передачи раз в час в условиях среднего качества покрытия по результатам исследований в работе «Narrowband IoT Device Energy Consumption Characterization and Optimizations», для лучшего типа конечного устройства (устройство С). Методика расчета значений энергоэффективности безлицензионных решений, отраженных в таблице, будет приведена в следующей статье.Выводы:
- Энергоэффективность различных LPWAN проще измерять в милиджоулях или микроампер-часах, затраченных на передачу одного стандартного сообщения.
- Время работы от одной батарейки у различных LPWAN систем может отличаться в разы и определяется количеством переданных сообщений (как правило это десятки-сотни тысяч сообщений от батарейки).
- Датчики на NB-IoT будут обладать очень большим разбросом потребления в зависимости от производителя, рабочей сети и условий эксплуатации. Один и тот-же датчик в одних условиях проживет 10 лет, а в других не протянет и пару месяцев.
Получается, что датчики NB-IoT, несмотря на то, что они работают на выделенных частотах, в реальных условиях массового применения будут проигрывать в энергетике малопотребляющим LPWAN решениям, работающим в безлицензионном диапазоне частот.
===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:
- [Сотовая связь] Скрытые мобильные подписки на хостинге Мегафона
- [Программирование микроконтроллеров, Интернет вещей] 10 плат для начала разработки IoT в 2021 (перевод)
- [Настройка Linux, Информационная безопасность, Системное администрирование, IT-инфраструктура, *nix] Свой мессенджер Matrix-synapse в связке с Jitsi-meet. Часть 3 (перевод)
- [Open source, IT-инфраструктура, Облачные вычисления, Интернет вещей] 3 стратегии сегментации для граничных вычислений
- [Информационная безопасность, Интернет вещей] Инсайдер: утечка Ubiquiti имеет куда более серьезные последствия, чем заявила компания
- [JavaScript, Angular, ReactJS, VueJS] Экосистема JavaScript: тренды в 2021 году. Всё ли так однозначно?
- [Сетевые технологии, Беспроводные технологии, Терминология IT, Сетевое оборудование, Сотовая связь] Архитектура, узлы и интерфейсы O-RAN (перевод)
- [Машинное обучение, Искусственный интеллект, Интернет вещей] AI только собирается стать умнее (перевод)
- [Сетевые технологии, Беспроводные технологии, Терминология IT, Сетевое оборудование, Сотовая связь] Введение в O-RAN (перевод)
- [Мессенджеры, Программирование, Разработка мобильных приложений, API] Twilio vs Sendbird vs CONTUS MirrorFly Feature Comparsion | Twilio vs Competitors
Теги для поиска: #_razrabotka_dlja_interneta_veschej (Разработка для интернета вещей), #_umnyj_dom (Умный дом), #_internet_veschej (Интернет вещей), #_sotovaja_svjaz (Сотовая связь), #_lpwan, #_nbiot, #_energoeffektivnost (энергоэффективность), #_internet_veschej (интернет вещей), #_iot, #_lorawan, #_sigfox, #_lte, #_razrabotka_dlja_interneta_veschej (
Разработка для интернета вещей
), #_umnyj_dom (
Умный дом
), #_internet_veschej (
Интернет вещей
), #_sotovaja_svjaz (
Сотовая связь
)
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 13:50
Часовой пояс: UTC + 5
| Автор | Сообщение |
|---|---|
|
news_bot ®
Стаж: 6 лет 9 месяцев |
|
|
Привет, всем уважаемым читателям Хабра!Я, Шептовецкий Александр, в последнее время профессионально занимаюсь различными вопросами эффективности работы различных LPWAN систем интернета вещей и хотел бы выступить на данной площадке в качестве эксперта в этой области.В интернете можно найти очень много разнообразной информации о работе LPWAN, но, к сожалению, некоторые очень важные специфические особенности работы LPWAN освещаются самими производителями, заинтересованными показать свою технологию только в лучшем свете. У всех систем объявляется большая дальность работы, все устройства работают 10 лет от батарейки, все обещают беспрецедентную безопасность и надежность системы. Независимые же эксперты как правило просто перепечатывают рекламную информацию в виде сравнительных таблиц с набором самых разных параметров, часто не понимая, что значат эти цифры для потребителя.Хочу анонсировать серию статей, в которых попытаюсь внести дополнительную ясность в ключевые особенности работы LPWAN систем, энергоэффективность, дальность, время работы от одной батарейки, пропускная способность, безопасность и многое другое. Постараюсь быть максимально объективным.Первая статья будет посвящена вопросу, что такое энергоэффективность в проекции на NB-IoT решения, в следующих будем обсуждать энергоэффективность безлицензионных решений, проблемы с дальностью, пропускной способностью, безопасностью и некоторые другие аспекты.Как померить энергоэффективность При описании LPWAN систем постоянно используется слово энергоэффективность, что же оно означает и можно ли ее померить?В общем случае, под энергоэффективностью понимают эффективное расходование энергии батарейки и обозначают ее как потенциально возможное время работы датчика от батарейки. Почти все производители LPWAN систем обещают до 10 лет работы от батарейки, можно ли им доверять?Посмотрим, как определяется понятие энергоэффективность в рекомендациях международного союза электросвязи. В разделе общие положения МСЭ-T L.1310 определено, что «показатель энергоэффективности обычно определяется как отношение между функциональной единицей и энергией, требуемой для вырабатывания функциональной единицы».Основная задача LPWAN систем это доставка на сервер коротких сообщений от датчиков, поэтому, за функциональную единицу правильно принять именно «переданное сообщение». В таком случае, в качестве параметра энергоэффективности при использовании радиоканала можно принять количество энергии, затраченное на отправку одного сообщения. Энергоэффективность - величина обратно пропорциональная энергии, затраченной на передачу одного сообщения.
 Рисунок 1. Позиционирование LPWANВ интернете постоянно попадается картинка из трех кругов со следующим комментарием: «Любые существующие беспроводные технологии передачи данных обладают такими характеристиками как дальность, скорость и энергоэффективность. Причем одновременно можно соответствовать лишь 2-м из 3-х.». Более точным комментарием будет: «Увеличение любого одного или двух из этих трех параметров возможно только за счет уменьшения оставшихся, их произведение остается постоянным». Энергоэффективность х Площадь покрытия х Скорость = Constant
Bluetooth может передать от одной батарейки в десятки тысяч раз больше сообщений, чем LoRaWAN или SigFox
 Рисунок 2. разброс энергии на передачу данных в зависимости от режима работы  Рисунок 3. Соотношение сигнал/шумЭнергоэффективность NB-IoT обеспечивается установкой соответствующих параметров конечного устройства и установками операторов сети для режима сохранения энергии PSM. На рисунках 2 и 3 ( данные взяты из публикации «Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT») приведены примеры разброса энергии, затраченной конечным устройством в зависимости от устройств в сетях разных операторов и при разных уровнях принимаемого сигнала. Нельзя забывать, что в NB-IoT энергия тратится не только на саму передачу информации, но и на некоторые другие специфические процедуры, присутствующие в протоколах сотовой связи и унаследованные от LTE и 5G, такие как присоединение и синхронизация с сетью, обмен ключами и шифрование данных.Вопросы дополнительного потребления NB-IoT устройств подробно рассмотрены в отчете «Narrowband IoT Device Energy Consumption Characterization and Optimizations».Структура безопасности, используемая в NB-IoT, унаследована от сетей 4G и 5G и обеспечивает процессы фактической аутентификации между устройством и сетью, установление контекста безопасности устройства (SC), который должен быть использован в последующих сообщениях для обеспечения целостности и конфиденциальности данных.  Рисунок 4. Доля времени, потраченного на различные операции в рабочем состоянии (кроме IMSI шифрования).Сеть может запрашивать у устройства повторную аутентификацию сколь угодно часто, даже если устройство уже подключено к сети. В некоторых случаях сеть даже обязана удалить SC устройства и запросить повторную аутентификацию при следующем подключении устройства (например, во время процесса TAU).Устройства NB-IoT потребляют энергию в любом из трех состояний: легкий сон, глубокий сон и работа. Состояния легкого и глубокого сна соответствуют состояниям ожидания и PSM 3GPP, когда устройство потребляет мало энергии или почти не потребляет. Рабочее состояние — это состояние, во время которого устройство генерирует данные и общается с сетью и потребляет энергию на процесс установления соединения (RA), процесс присоединения, обмен данными (включая любые требуемые запросы на планирование, прием контрольных данных, шифрование / дешифрование), IMSI дешифрование и активное ожидание. При этом надежные механизмы шифрования могут быть очень энергозатратными и существенно повлияют на время автономной работы устройства.Потребление энергии в рабочем состояние может быть на порядки больше, чем два других состояния. Фактически потребление энергии для передачи данных и прием на порядки ниже, чем при оперативном выполнении функций RA, Attach и Active Waiting.Кроме того, NB-IoT определяет три возможных уровня связи, нормальный, надежный и экстремальный, в которых используют разные количество повторов (до 128 и 2048 повторов для восходящей и нисходящей линии связи соответственно).На рисунке 5 приведены расчеты потребления конечных устройств для 10 лет непрерывной работы взятые из отчета «Narrowband IoTDevice Energy Consumption Characterization and Optimizations». Следует отметить, что у стандартной литиевой батарейки емкостью 1 000 мАЧ соответствует энергии около 12 КДж.  Рис 5. Энергия на периодическую передачу данных в зависимости от качества покрытия (normal, robust, extreme). Устройство A - GPy от Pycom, B - BC95 от Quectel, C - SARA-N2 от Sodaq.Графики на рисунке 5 показывают очень большой разброс потребления в зависимости от качества покрытия сети и типа NB-IoT устройства. Действительно, если устройство передает один раз в сутки и находится в зоне качественного приема, то его потребление за 10 лет может составить от 5,5 до 55 кДж - в зависимости от установок сети, типа и качества программы устройства. Это соответствует емкости литиевой батарейки 3,6 вольт от 460 до 4 600 мАЧ. Как видим, условие десяти лет работы от батарейки выполняется, но! только в идеальных условиях! В зоне среднего уровня качества связи для передачи сообщений раз в сутки потребуется уже емкость батарейки от 1 700 до 6 700 мАЧ. При этом, для передачи сообщений раз в час в течение 10 лет в зоне среднего качества покрытия понадобится неимоверно «большая» литиевая батарейка емкостью до 150 000 мАЧ. Сравнение энергоэффективности NB-IoT с безлицензионными системами получается явно не в пользу NB-IoT. Только в идеальных условиях: условиях высокого качества приема, правильно установленных оператором параметров сети, можно добиться результата не хуже, чем у безлицензионных решений. В зоне среднего качества покрытия ситуация будет другой, она отражена в таблице ниже:ПараметрNB-IoTLoRaWANSigFoxЭнергозатраты на сообщение с полезной нагрузкой 2 байта*400 мкАЧ29 мкАЧ128 мкАЧКоличество сообщений от литиевой батарейки емкостью 2 АЧ5 00070 00015 600Срок жизни КУ на передачу раз в 10 минут от батарейки 2АЧ1,1 мес1,3 года3,5 месСрок жизни КУ на передачу раз в час от батарейки 2АЧ6,8 мес7,8 лет1,8 лет *- для NB-IoT взята оценка энергозатрат на одно сообщение в режиме передачи раз в час в условиях среднего качества покрытия по результатам исследований в работе «Narrowband IoT Device Energy Consumption Characterization and Optimizations», для лучшего типа конечного устройства (устройство С). Методика расчета значений энергоэффективности безлицензионных решений, отраженных в таблице, будет приведена в следующей статье.Выводы:
=========== Источник: habr.com =========== Похожие новости:
Разработка для интернета вещей ), #_umnyj_dom ( Умный дом ), #_internet_veschej ( Интернет вещей ), #_sotovaja_svjaz ( Сотовая связь ) |
|
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 22-Ноя 13:50
Часовой пояс: UTC + 5