Что такое энергоэффективность LPWAN. Проживет ли NB-IoT устройство 10 лет от батарейки?

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.

В 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-IoT

В 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 будут 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»).

Энергоэффективность 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.

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. 

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:

 *- 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.