Исследование технологий в наземных сетях LPWAN и их адаптация для использования в спутниковых низкоорбитальных системах с целевой функцией интернета вещей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат наук Нгуен Дык Ань

• Нгуен Дык Ань
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Дык Ань

Введение

Глава 1. Обзор существующих и перспективных решений спутникового IoT

1.1. Объем и динамика развития спутникового рынка IoT

1.2. Основные игроки на современном спутниковом рынке IoT

1.3. Доходность и конкурентоспособность спутниковых сетей IoT

1.4. Перспективы спутникового IoT с учетом развития сетей 5G

1.5. Распределение дохода в сегментах рынка спутникового IoT

1.6. Вывод по первой главе и постановка задач диссертации

Глава 2. Интеграция с наземными сетями и выбор технологии для реализации базового режима спутниковой сети

2.1. Анализ технологий в наземных сетях LPWAN и возможность их адаптации к спутниковой системе

2.1.1 LoRa и LoRa WAN

2.1.2 SigFox

2.1.3 XNB, NB-Fi

2.1.4 SNB, Dash7, Mioty

2.1.5 Weightless-P

2.2. Оценка помехоустойчивости и энергетики радиоканалов Lora в наземных сетях

2.3. Оценка влияния эффекта Доплера на спутниковой канал с применением технологии Lora

2.4. Выводы по второй главе

Глава 3. Методика оценки уровня помех, создаваемых низкоорбитальным спутником интернета вещей на линии «космос-Земля»

3.1. О положении статьи 4.4 Регламента Радиосвязи

3.2. Методика оценки уровня допустимых помех

3.2.1 Оценка допустимой помехи, создаваемой на линии «Космос-Земля» в диапазонах 868/915МГц на основе физических принципов

3.2.2 Оценка допустимой помехи, создаваемой на линии «Космос-Земля» в диапазонах 868/915МГц, на основе нормативных требований

3.3. Анализ зашитого отношения при воздействии сигналов спутника на базовую станцию LPWAN

3.4. Обобщение требований к спектральной плотности ЭИИМ спутника

3.5. Вывод по третьей главе

Глава 4. Модель спутниковой сети IoT, реализуемая на основе протокола LoRaWAN, для оценки емкости многоспутниковой низкоорбитальной системы передачи данных «Марафон IoT» в диапазоне ISM

4.1. Актуальность создания и целевая функция Интернета вещей низкоорбитальной многоспутниковой системы передачи данных «Марафон IoT»

4.2. Энергетика абонентских радиолиний режима OFF-Line

4.3. Требуемые запасы в абонентских радиолиниях режима OFF-Line

4.4. Информационная емкость спутниковой системы IoT в режиме OFF-Line

4.4.1 Соотношение для оценки емкости системы

4.4.2 Предельный размер пакетов АСП и минимаксная оценка емкости

4.5. Вывод по четвертой Заключение

Список литературы

Приложение: Акт об использовании результатов диссертационной работы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование технологий в наземных сетях LPWAN и их адаптация для использования в спутниковых низкоорбитальных системах с целевой функцией интернета вещей»

Актуальность

Переход к «цифровой экономике» невозможен без развития новых инфотелекоммуникационных технологий. Часто эти технологии упрощенно сводят к технологиям высокоскоростного (широкополосного) доступа к сети Internet и ликвидации «цифрового неравенства». Несомненно, что это очень важное направление, но недостаточное для достижения поставленной цели. В связи с этим в последние годы особое внимание уделяется технологиям M2M/IoT, т.е. технологиям интернета вещей. Эти технологии принципиально отличаются от технологий широкополосного доступа тем, что требуются низкоскоростные каналы для передачи малых пакетов информации и их последующая обработка для разнообразных сервисов контроля и управления при максимально низких ценовых параметрах.

Технологии M2M/IoT обеспечивают информационную среду для сервисов контроля и управления любыми процессами, которые связаны с любой производственной деятельностью и жизнью человека в широком смысле. В конечном итоге, эта качественно новая среда изменяет не только мировой экономический уклад, но бытие человека, т.е. является ключевым фактором перехода к «цифровой экономике» и цифровому миру в конечном итоге.

Физической основой сетей M2M/IoT являются наземные технологии, которые охватывают не менее 95% всех возможных приложений. Основные этих технологий являются технологиями глобальной сети с низким энергопотреблением (англ. Low Power Wide Area Network, LPWAN), которые внедряются как в лицензированной, так и в нелицензированной полосе частот [1, 2]. Однако, специализированные спутниковые технологии в ряде случаев являются единственно возможным решением задач M2M/IoT или обеспечивают

резервирование при решении особо ответственных и/или специальных задач M2M/IoT.

Исследование общего рынка M2M/IoT показано, что на планете уже в ближайшие годы число людей превысит 7.5 млрд. человек. При этом число устройств (датчиков), подключаемых в сетях M2M/IoT, которое приходится в среднем на каждого человека, будет достигать нескольких единиц [4]. В ряде зарубежных исследований предполагается, что уже к 2020 г. число подключений таких оконечных устройств для контроля и управления любыми процессами достигнет 20-50 млрд. Значительный разброс прогноза числа подключений связан с тем, что наряду с сетевыми технологиями большого радиуса действия (сотовые сети и сети LPWAN Lora, SigFox, NB-IoT) используются технологии малого радиуса действия (Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee и т.д.), которые призваны объединить несколько оконечных устройств на ограниченном пространстве и затем совокупный объем информации передать в «облако» (сервер приложений) с использованием любой доступной сети.

На общем рынке M2M/IoT имеются сегменты, для которых приоритетной является спутниковая технология. Относительный объем этих спутниковых сегментов, выполненный на основе действующих спутниковых систем, незначительный и составляет (подтверждается и рядом исследований) менее 0.1%. Маркетинговые исследования рынка спутникового M2M/IoT показывают, что его абсолютный объем к 2025г. достигнет минимум 5 млн. подключений [3]. В денежном выражении это оценивается примерно в $2.5 млрд. Это исследование динамики развития спутникового сегмента рынка M2M/IoT выполнено на основе существующих систем подвижной спутниковой службы в период до 2028г. при предположении, что на рынке не появится новых многоспутниковых систем с целевой функцией M2M/IoT, которые обеспечат предоставление услуг для формирования сервисов интернета вещей по ценовым и техническим показателям

адекватным (соизмеримым) аналогичным показателям, прогнозируемым в наземных сетях LPWAN или сотовых сетях.

Анализ действующих сегодня систем подвижной спутниковй службы (ПСС) показывает, что в перспективе они не могут конкурировать с наземными сетями M2M/IoT в первую очередь по ценовым параметрам абонентского оборудования и качеству услуг [4, 5]. Практически отсутствует техническая возможность работы абонентского устройства от автономной обычной батарейки. Кроме того, технические параметры существующих систем ПСС не позволяют реализовать ряд задач M2M/IoT, которые требуют обеспечить анализ информации и управляющее воздействие в режиме близком реальному времени (например, контроль динамичных систем, в том числе беспилотных летательных аппаратов и иных подобных систем).

Основной проблемой всех без исключения систем спутниковой связи является проприетарность применяемых технологий и протоколов, что существенно ограничивает использование спутниковых систем для массового рынка телекоммуникаций.

Исходя из выше представленного анализа следует, что адаптация технологий наземных сетей LPWAN для использования в спутниковых сетях является актуальной задачей. Решение этой задачи обеспечит бесшовное применение наземных и спутниковых сетей интернета вещей.

Степень разработанности темы

Наземные беспроводные сети, в том числе сети LPWAN, и спутниковые сети являются глубоко изученными темами, однако исследование совместимости их работы для целевой функции Интернета вещей является открытой задачей. Исследованиям технологий LPWAN и спутниковых систем, ориентированных на сервисы 1оТ, посвящены работы российских и зарубежных ученых: В. Р. Анпилогова, В.В. Бутенко, Д. В. Банкова, А.Н. Виноградова, Н.В. Варламова, А.

A. Дорожкина, А. В. Дворковича, Е.А. Дьяковы, В.В. Ермакова, А. М. Задорожного, Б. Зверева, В. И. Классена, Д. Л. Кумаритовы, Е. А. Крука, Е. А. Кучерявого, Н. А. Кузнецова, Р. В. Киричека, А.А. Любушина, А. А. Мальцева, О.В. Ментуса, А.П. Назаренко, А. Л. Приорова, В. Ю. Прокопьева, А. Сартакова,

B.К. Сарьяна, М.С. Степанова, М.Ю. Сподобаева, С.Н. Степанова, С.С. Уварова, Урличича Ю.М., Е.М. Хорова, Г. В. Чечина, В.А. Шевцова, А.Г. Эйдуса, F. Azevedo, G. Araniti, N. Accettura, I. Bisio, E. Cianea, H. Cao, V. Fialho, J. Iinatti, J. Janhunen, K. Mikhaylov, S. Mahesh, J. Petjjrvi, K. Parag, M. Pettissalo, R. Palattella, R. Prasad, Z. Qu, M. M. D. Sanctis, R. Usman, J. Xie, G. Zhang и др.

Многочисленные работы посвящены исследованиями технологий LPWAN, в особенности выделена технология Lora, однако, исследования возможности адаптации наземных технологий LPWAN к спутниковой системе в известной литературе представлены в ограниченном виде.

В области Интернета вещей наземные сети занимают большой сегмент технологического рынка, благодаря низкой цене и их удобной эксплуатации при предоставлении услуг связи. Но возникает проблемы с зоной покрытия и наземные сети не могут реализовать некоторые специальные задачи, которые смогут решать спутниковые системы.

В настоящее время существуют спутниковые системы (Iridium, Globalstar, Orbcomm, Гонец и др.), предоставляющие услуги Интернета вещей, но они не могут конкурировать с наземными сетями по ценовым и эксплуатационным показателям.

Таким образом, задача адаптация технологии LPWAN к спутниковой системе с целевой функцией Интернета вещей является не только актуальной, но и новой задачей в области цифровых технологий прменительно к системам, сетям и устройствам телекоммуникаций.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является исследование технологий сетей LPWAN и выбор оптимальной технологии для адаптации к низкоорбитальной спутниковой сети в целевой функции Интернета вещей. Для достижения поставленной цели в диссертации расмотрены следующие задачи:

1. Анализ существующих и перспективных решений в сегменте спутникового IoT с целью оценки их конкурентоспособности по отношению к наземным сотовым сетям и сетям LPWAN.

2. Исследование технологий в наземных сетях LPWAN и обоснование технологии наиболее приемлемой для применения в спутниковой системе IoT, реализуемой на основе низкоорбитальных космических аппаратов.

3. Разработка методики оценки уровня помех, создаваемых низкоорбитальным спутником интернета вещей на линии «Космос-Земля» и определение требования к максимально допустимому значению эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) абонентских спутниковых радиолиний для выполнения условия бесконфликтной работы наземных сетей и спутниковой сети IoT.

4. Исследование модели спутниковой сети IoT, реализуемой на основе протокола LoRaWAN, для оценки емкости многоспутниковой низкоорбитальной системы передачи данных «Марафон IoT» в диапазоне ISM с учетом достижимой энергетики абонентских радиоканалов.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в дисссертации применяются методы теории телекоммуникационных сетей, теории радиосистем и устройств передачи информации, теории вероятностей.

Методы исследований предусматривают анализ парметров действующих спутниковых систем с целью оценки их потенциальных возможностей и перспектив развития рынка спутникового IoT.

Научная новизна

1. Проведен анализ существующих решений в сегменте спутникового IoT, который показал, что действующие в настоящее время системы подвижной спутниковой службы не имеют перспектив развития на рынке IoT, т.к. их технические параметры не могут обеспечить конкурентоспособные условия предоставления сервисов по отношению к аналогам в наземных сетях.

2. Исследования технологий IoT, применяемых в наземных сетях LPWAN, показали, что наиболее приемлемой технологией для адаптации к спутниковой системе IoT является технология LoRa, которая основана на формировании канала передачи данных с расширением спекта и с возможностью приема/передачи информации на уровнях существенно ниже шумов в канале.

3. Разработана методика оценки уровня помех, создаваемых низкоорбитальным спутником интернета вещей на линии «Космос-Земля». Проведены анализ зашитого отношения при воздействии сигналов спутника на базовую станцию LPWAN и определение требования к максимально допустимому значению эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) абонентских спутниковых радиолиний.

4. Исследована модель спутниковой сети IoT, реализуемая на основе протокола LoRaWAN, для оценки емкости многоспутниковой низкоорбитальной системы передачи данных «Марафон IoT» в диапазоне ISM.

Практическая ценность и реализация результатов

Практичская ценность результатов исследований, представленных в диссертационной работе, обусловлена тем, что показана целесообразность и

возможность применения технологии LoRa в спутниковой низкоорбитальной системе с целевой функцией IoT.

Результаты исследований нашли свое практическое применение в процессе проектирования многоспутниковой низкоорбитальной системы «Марафон IoT», что подтверждается Актами их использования при формировании Концепции и Аванпроекта этой системы, которая запланирована к реализации в программе «Сфера» (Госкорпорация Роскосмос).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа существующих решений в сегменте спутникового IoT и оценка их перспективности в будущем.

2. Результаты исследования технологий в наземных сетях LPWAN и выбор технологии LoRa, как наиболее приемлемой для применения в спутниковой системе IoT.

3. Методика оценки уровня помех, создаваемых низкоорбитальным спутником интернета вещей на линии «Космос-Земля», и формализация требования к ограничению максимально допустимого значения эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) абонентских спутниковых радиолиний.

4. Результаты моделирования спутниковой сети IoT, реализуемой на основе протокола LoRaWAN, с целью оценки емкости низкоорбитального многолучевого спутника и многоспутниковой низкоорбитальной системы передачи данных «Марафон IoT» в диапазоне радиочастот ISM (868/915 МГц).

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. Форум CSTB.Telecom & Media2019, 30.01.2019, секция №4 «Мультисервисные спутниковые сети и УБАТ. Спутниковые технологии как базовая платформа для развития инфокоммуникационных систем», Московская обл., г. Красногорск;

2. VI международная конференция «Актуальные вопросы спутниковой связи», 11-12.07. 2019, г. Дубна;

3. XIV Международный форум «Профессиональная мобильная радиосвязь, спутниковая связь и навигация»: Холидей Инн Лесная, Москва. 29. 09 2020 г.;

4. VII Международная конференция «Инжиниринг & Телекоммуникации Еп&Т 2020»: Московская обл., МФТИ, 25.11. 2020г.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в трёх научных рецензируемых журналах [11, 49, 82], входящих в перечень ВАК при Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации. Подготовка к публикации [11, 49], полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Разработанные методики и модели оценки емкоти сети [82], являющиеся одним из результататов диссертации, разработаны диссертантом лично.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 109 страницы, включая 24 рисунка и 19 таблиц. Библиография включает 82 наименования.

Глава 1

Обзор существующих и перспективных решений спутникового IoT

1.1 Объем и динамика развития спутникового рынка IoT

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) в настоящее время распространяется во всем мире (от домашних до промышленных приложений) для интеллектуального подключения устройств и получения полезной информации в попытке удовлетворить растущие запросы потребителей, а также повысить производительность. По мере того как общее количество подключенных датчиков увеличивается, растут и точки данных, тем самым повышается точность прогнозов и тенденций на основе данных.

На общем рынке IoT имеются сегменты, для которых приоритетной является спутниковая технология. Относительный объем этих спутниковых сегментов обычно указывается незначительный и составляет менее 0.1%. Маркетинговые исследования рынка спутникового IoT показывают, что его абсолютный объем к 2025г. достигнет минимум 5 млн. подключений. В денежном выражении это оценивается примерно в $2.5 млрд [10]. На рис. 1.1 представлен прогноз динамики развития спутникового сегмента рынка IoT, который основан на обработке данных аналитической компании Northern Sky Research (NSR) и данных компания Airbus Defense & Space в 2016г [7,8,9]. Но следует отметить, что уже в сентябре 2017г. компания NSR пересмотрела свой прогноз по объему рынка спутникового IoT в строну увеличения: до $2.9 млрд в 2026г. за счет роста подключений в сегменте перевозки грузов, который предполагает 68% от всех подключений спутникового IoT.

■ число подключений ■ млрд. $ 5,80

4,80

2,8 1 л л 2,80

2,40

2016 2020 2024 2028

Рис. 1.1 Прогноз динамики развития спутникового сегмента рынка IoT на основе существующих систем ПСС (по данным компании NSR в 2017г.)

Данные рис. 1.1 основаны на предположении, что в период до 2028г. на рынке не появится новых многоспутниковых систем с целевой функцией IoT, которые обеспечат предоставление услуг для формирования сервисов интернета вещей по ценовым и техническим показателям адекватным (соизмеримым) аналогичным показателям, прогнозируемым в наземных сетях LPWAN (англ. Low Power Wide Area Network) или сотовых сетях. Например, из рис. 1.1 следует, что при условии получения дохода 50% за счет предоставления услуги связи (оставшиеся 50% это продажи оборудования, инсталляции оборудования и системных услуг) значение cреднего дохода на пользователя (англ. Average Revenue Per User, ARPU) составляет примерно 20$ в месяц на одно подключение. Это на порядок больше, чем в наземных сетях. Интересно отметить, что в 2018г. компания NSR изменила свой прогноз в части прогнозируемых подключений с 5.8 млн. до 10 млн. практически без изменения рынка в денежном выражении, соответственно снизился и прогнозируемый ARPU.

В 2020г. компания NSR продолжила прогнозы спутникового IoT с тенденцией наращивания объемов этого рынка [7]. Так в одном из наиболее востребованном сегменте спутникового IoT - перевозка грузов, число

подключений в 2030г. уже обозначено как 8 млн в оптимистическом варианте (рис. 1.2). Поскольку по оценке NSR этот сегмент достигает 21%, то общий объем подключений спутникового IoT составит в 2030г. примерно 36 млн. Это уже больше ранее опубликованных прогнозов в 3.6. раза. Причем в консервативном варианте оценки объем сохранен в 10 млн подключений.

Transport and Cargo IoT In-Service Units By Scenario

■ шжшшШ Ш Ш Ш 11

2019 2020 2021 2022 2023 2024 202S 2026 2027 2028 2029

Рис. 1.2 Прогнозируемое количество спутниковых подключений в сегменте транспортных перевозок (данные NSR в 2020г.)

Очевидно, что высокие тарифы на трафик и высокие ценовые показатели абонентского оборудования, остаются сдерживающим фактором развития рынка спутникового IoT на основе существующих систем подвижной спутниковой службы (ПСС) [13]. Но не менее важно, что эксплуатационные параметры несоизмеримо хуже, например, в части возможности автономной работы абонентских устройств от обычной бытовой батарейки по сравнению с аналогами в наземных сетях. Анализ потенциала рынка спутникового IoT при ценовых показателях, адекватных наземным сетям, приведено в аналитических исследованиях компаний Китая. На рис. 1.3 представлены значения потенциального количества спутниковых подключений IoT на мировом рынке,

если ценовые и технические параметры будут адекватных показателям в наземных сетях.

юм 1м : 1М 1М 1М 2М зм 2М ■ 2М 2М 1М 1М

15М 35М 20М _ ^^Л 500К 7М 39М 5М 35М 45М 40М

7М 4М 20К 100К 500К 50К 7М 2М ? ЗМ

2М 20М 50 К 50 К 1М ЗМ 1М

1 1М

123456123456

Рис. 1.3 Распределение потенциальных спутниковых подключений IoT при ценовых и технических показателях, соизмеримых с показателями в наземных сетях

Общее число спутниковых потенциальных (требуемых) подключений оценивается примерно в 330 млн., что составляет примерно 4.9% от общего прогнозируемого числа подключений 1оТ в сотовых сетях и сетях LPWAN. При этом потенциал рынка спутникового в части объема услуг может составить не менее $8 млрд, а с учетом дополнительных доходов от продажи абонентского оборудования, его инсталляции и иных услуг потенциальный объем этого рынка достигает $10 -12 млрд в год.

Примечание: Отметим, что этот объем сопоставим с рынком фиксированной спутниковой службы (ФСС) в части услуг по аренде емкости геостационарных спутников связи, и заметно превышает рынок услуг спутникового дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), услуг спутникового широкополосного доступа или рынок ПСС.

Очевидно, что конечному потребителю абсолютно не важно на основе каких физических принципов и технологий реализованы каналы передачи

информации, если цены и эксплуатационные параметры абонентского оборудования адекватны для решения поставленной задачи, а стоимость трафика спутникового IoT соизмерима с аналогичными значениями в наземных сетях.

1.2 Основные игроки на современном спутниковом рынке IoT

Основной объем спутникового рынка IoT по состоянию на 2021г. связывают с использованием ресурсов систем (IridiumNext, Globalstar и др.), которые относятся к подвижной спутниковой службе. На долю систем фиксированной спутниковой службы приходится максимум 10-12% (в основном VSAT Ku/Ka-диапазона). Это соотношение примерно сохранится и в перспективе, если не будут реализованы новые целевые спутниковые проекты IoT. При реализации целевых проектов спутникового IoT можно ожидать, что использование систем ФСС снизится до стандартного значения в 1-2% (объем рынка спутниковой связи относительно телекоммуникационного рынка).

По состоянию на 2021г. имеется несколько систем ПСС, которые предоставляют услуги IoT (табл.1.1). Все эти системы создавались десятилетия назад с иной функциональной задачей, которая обозначалась как персональная спутниковая связь и электронная почта. Поэтому сервисы IoT, обусловленные циклической передачей информации короткими пакетами и принципиальной несимметричностью трафика (обратной по отношению к стандартным системам широкополосного доступа к сети Internet), не являются целевыми для действующих систем, ориентированных на симметричные каналы. В результате и стоимость услуги относительно высокая и дорогое абонентское оборудование. По сравнению с наземными сотовыми сетями и, тем более, с сетями LPWAN, стоимость трафика и абонентских устройств в системах ПСС минимум на порядок больше.

Специально следует отметить системы Orbcomm и «Гонец Д1М» изначально разрабатывались (в конце 90-х годов) и создавались для передачи

коротких сообщений. В качестве основной системной идеи была принята технология, которую можно сравнить с технологией пейджера. Сегодня этот устаревший подход в реализации сервисов IoT постепенно отмирает, как это произошло с аналогичной услугой в наземных сетях. В перспективе требуется услуга, которая адекватна требованиям, приближенным к условиям реального времени.

Анализ данных табл.1.1 показывает, что все используемые сегодня системы ПСС, предоставляющие услуги IoT, не могут обеспечить этот сервис в режиме приближенном к реальному времени и, тем более, в реальном времени. Задержки составляют единицы и десятки секунд в лучшем случае. Кроме того, услуга относительно дорогая (для низкоорбитальных ПСС систем $2-$5 за кБ трафика), а стоимость абонентского оборудования IoT не менее нескольких сотен долларов. Кроме того, во многих случаях является принципиальным, что все предлагаемые сегодня абонентские спутниковые устройства IoT не могут работать автономно многие месяцы и, тем более, годы от обычной батарейки, как это предлагается в наземных сетях LPWAN. Изменить эту ситуацию в действующих системах ПСС невозможно (для этого требуется принципиально изменить протоколы формирования каналов на физическом, канальном и транспортном уровнях, что невозможно).

В табл. 1.2 и 1.3 представлены данные по состоянию на январь 2019г., которые показывают, что за два года (см. табл. 1.1) принципиальных улучшений ценовых и технических параметров сервисов IoT в системах ПСС не наблюдается. Но несмотря на это доходность этого сегмента возрастает повышенными темпами. Например, в 2018г. доходность сегмента IoT в общем доходе системы Iridium (рис. 1.4) достигла примерно 30%, увеличившись в 3 раза по сравнению с 2009г., но значение ARPU на одно подключение в месяц снизилось с $20 примерно до $12 при увеличении числа подключений в 6 раз, т.е. до 600 000 к 2018г. В 2019г. их число достигло уже примерно 800 000 подключений. Общий

доход от предоставления услуги IoT составил $96.4 млн, при ARPU =$11.1. При этом начал активно развиваться совместный сервис приложений на основе облачной технологии, предоставляемой Amazon Web Services. Компания Iridium рассматривает этот процесс как источник увеличения доходности в сегменте IoT.

Ряд спутниковых международных операторов (например, Iridium, Inmarsat, Eutelsat, RSCC) и компаний спутниковой индустрии (например, Boeing) в 20172018гг. начали поддержку проектов спутникового IoT, основанных на создании многоспутниковых низкоорбитальных группировок, ориентированных на применение, в основном, нано спутников, что является тупиковой ветвью развития, если ориентироваться на достижение конкурентоспособности с наземными сетями (отмечалось на конференциях [1, 2]).

700 600 500

т 300 200 100

Чис :ло по цключ ений % от зсех пс льзов; ателей

Ч исло IoT подключений

J-

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

2007 200Й 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Рис. 1.4 Динамика развития сегмента IoT сети Iridium, IridiumNext

Табл. 1.1 Системы ПСС, предоставляющие услуги IoT (май 2017г.)

Спутник, Компания Сервис Орбиты КА Минимальная стоимость абонентского Стоимость подключения, $ Минимальный тариф M2M в месяц Задержка, с Зона обслуживания Развития системы

терминала, $

Фикс. Подв.

Inmarsat BGAN ГСО 1235 8000 95 24$ за 2МБ 0.9-1.8 70с.ш-70ю.ш. Ставка на

(0.012$ за КБ) применения

спутников типа HTS в сети

Xpress

Thyraya M2M ГСО Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. 0.8-2.0 Региональная Планируется

(Россия 40%) запустить дополнительные спутники

Echostar IoT ГСО Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. Европа Начало штатной

XXI (многолучевая зона) эксплуатации 2017г. Старое

название

Terrestar-2

Iridium SBD НГСО 400 400 0 20$ за 12КБ 5.0 - 20.0 Глобальная Завершено

(1.7$ за КБ) создания новой

группировки IridiumNext в

2018г.

Globalstar Simplex, НГСО 150 200 20 12$ за 2.25 КБ Н.д. 70с.ш.-70ю.ш. Группировка

Spot (5.3$ за КБ) обновлена в

2013г.

Orbcomm AIS типа НГСО 300 300 Н.д. 1$ за КБ 15.0 Ограниченная, Начало штатной

почты с ожиданием сеанса связи эксплуатации новой

группировки OG2 из 17

спутников

Aprize M2M НГСО Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. Ограниченная, Имеется 10

Satellite (SpaceQuest) AIS с ожиданием сеанса связи спутников из 24 требуемых,

(exactEarth) переход на использование Iridium Next

Гонец-Д1М Электронная НГСО Н.д. 1900 8,5 0,3$ за КБ Минуты, Потенциально Развертывание

почта* часы глобальная, c с ожиданием сеанса связи новой полной группировки планируется к

2025г.

*На нескольких спутниках по данным 2017г. имеется 4-6 телефонных каналов, работающих до 15 минут

Табл. 1.2 АСП в системах спутниковой связи ПСС (январь 2019г.)

Системы Inmarsat Thuraya Iridium Globalstar

Абонентские устройства SAT-401 T2M-DUAL GSM EDGE StarONe C

Габариты, мм Ф112 х 37 133 x 103 x 40 130 x 80 x 30 82 x 68 x 26

Масса модема, г 220 395 205 108

Полная масса Н.д. 1350 Н.д. Н.д.

Потребление, Вт: Спящий режим Прием Передача 1.5мВт 1.5 6.0 Н.д. Н.д. Н.д. Н.д. 1 16 Н.д. Н.д. Н.д.

Питание, В 3.2-32 10 - 34 9 - 32 8 -22

ЭИИМ, дБВт 0-9 2 Н.д.

Задержка, сек 60 Н.д. 20 Н.д.

Пакеты, байт: Передача Прием До 21 До 100 До 140 Н.д. До 340 До 270 Н.д. Н.д.

Интерфейс RS232 RS232, 3G RS232 USB

Навигация GPS GPS нет GPS

Цена без инсталляции, $ 950 845 480 207

Минимальный тариф в месяц $16* 1500 байт $ 13 3333 байт $20 12000 байт $14.5 250 пакетов

Стоимость абонентского устройства : $200-$1000 без учета инсталляции

Энергопотребление при передаче: 6-16 Вт Задержка передачи информации : десятки секунд

Табл. 1.3 АСП в системах спутниковой передачи данных ПСС (январь 2019г.)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Дык Ань, 2022 год

Список литературы

1. Usman Raza, Parag Kulkarni, and Mahesh Sooriyabandara. Low Power Wide Area Networks: An Overview // IEEE Communications Surveys & Tutorials ( Volume: 19 , Issue: 2 , Secondquarter 2017 ).

2. Д. Л. Кумаритова, Р. В. Киричек. ОБЗОР И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ LPWAN СЕТЕЙ // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. № 4. С. 33-48.

3. Alex Davies. Satellite IoT Forecast 2019-2025. https://ict.moscow/static/executive-summary-iot-satellite-forecast-2019-2024-compressed.pdf.

4. Анпилогов В.Р.. Обзор докладов и обсуждений на круглом столе V международной конференции "Инжиниринг&Телекоммуникации - En&T 2018" // Cпециальный выпуск "Спутниковая связь и вещание -2019". Издательство Гротек. Стр.32-38.

5. Эйдус А.Г.. Анализ действующих негеостационарных спутниковых систем на рынке M2M/IoT и оценка коммерческой перспективности планируемых многоспутниковых систем // Cпециальный выпуск «Спутниковая связь и вещание -2018». Издательство Гротек. Стр.20-27.

6. Анпилогов В.Р.. Уровни сигналов и помех при совместной работе сетей LPWAN и низкоорбитальной спутниковой системы M2M/IoT // Cпециальный выпуск "Спутниковая связь и вещание -2018". Издательство Гротек. стр.72-78.

7. M2M and IoT Via Satellite, 11th Edition. Produced by Northern Sky Research. October 14, 2020. https://www.giiresearch.com/report/ns964471 -m2m-iot-via-satellite-11th-edition.html.

8. Satellite-Based Earth Observation (EO), 12th Edition. Produced by Northern Sky Research. September 28, 2020.

https://www.giiresearch.com/report/ns962866-satellite-based-earth-observation-eo-12th-edition.html.

9. Satellite Industry Financial Analysis, 10th Edition. Produced by Northern Sky Research. December 15, 2020.

https://www.giiresearch.com/report/ns975905-satellite-industry-financial-analysis-10th-edition.html.

10. SATELLITE TECHNOLOGIES FOR IOT APPLICATIONS. Produced by iotuk. March, 2017. https://iotuk.org.uk/wp-content/uploads/2017/04/Satellite-Applications.pdf .

11. Анпилогов В.Р., Нгуен Дык Ань. Технологии LPWAN и возможность их адаптации для спутниковых сетей // Первая миля. 2020. № 6 (91). С. 44-53.

12. Анпилогов В.Р. Глобальные спутниковые системы M2M/IoT: новые проекты и новый рынок. V Международная конференция "Инжиниринг & Телекоммуникации - En&T 2018", 15 ноября 2018 года. http ://2019.ent. info/old/roundtableru.shtml.

13. M2M and IoT via Satellite, 10th Edition. September 2019. NSR.

14. Liu J., Li Y., Wang X., Chen Sh. A hybrid global-local load balancing routing scheme for the Internet of Things through satellite networks // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2017. V. 13(3). Р. 1-16.

15. Агаджанов М. Российские операторы связи приступили к тестированию сим-карт NBIoT для Интернета вещей. 25.10.2018. https://habr.com/ru/post/427643/.

16. Maria Rita Palattella, Nicola Accettura. Enabling Internet of Everything Everywhere: LPWAN with satellite backhaul. 2018 Global Information Infrastructure and Networking Symposium (GIIS), October 2018, Thessaloniki, Greece. Р. 1-5.

17. Mekki K., Bajic E., Chaxel F., Meyer F. A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment, ICT Express 5. 2019. Р. 1-7.

18. Обзор технологии LoRa, https: //itechinfo. ru/node/46.

19. LoRa Alliance, https://lora-alliance.org/.

20. Petjjrvi J., Mikhaylov K., Pettissalo M., Janhunen J., and Iinatti J. Performance of a lowpower wide-area network based on LoRa technology: Doppler robustness, scalability, and coverage, International Journal of Distributed Sensor Networks. 2017. V. 13. № 3.

21. Colavolpe G., Foggi T., Ricciulli M.A., Zanettini Y.J., Alameda M. Reception of LoRa Signals From LEO Satellites, IEEE Transactions on aerospace and electronic systems. V. 55. December 2019. Р. 3587-3602.

22. Doroshkin A., Zadorozhny A., Kus O., Prokopyev V., Prokopyev Y. Laboratory testing of LoRa modulation for CubeSat radio communications VI International forum for young scientists Space Engineering 2018. Р. 1-5.

23. Jung Suk Joo. A study on the interleaving scheme of LoRa PHY layer // International Research Journal of Computer Science (IRJ CS). Issue 01. V. 7. January 2020. Р. 6-10.

24. Adelantado Ferran, Vilajosana Xavier, Tuset-Peiro Pere, Martinez Borja, Melia Segui Joan, and Watteyne Thomas. 2017. Understanding the limits of LoRaWAN. IEEE Commun. Mag. 55, 9 (2017). Р. 34-40.

25. Doroshkin А.А., Zadorozhny A.M., Kus O.N., Prokopyev V.Y., Prokopyev Y.M. Experimental Study of LoRa Modulation Immunity to Doppler Effect in CubeSat Radio Communications, IEEE Access, June 24, 2019.

26. Elshabrawy T., Robert J. Analysis of BER and Coverage Performance of LoRa Modulation under Same Spreading Factor Interference Conference: 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). September 2018.

27. Dias C.F., de Lima E.R., Fraidenraich G. Bit Error Rate Closed-Form Expressions for LoRa Systems under Nakagami and Rice Fading Channels. Sensors 2019. 19, 4412. https://www.mdpi.com/iournal/sensors .

28. Zuniga J.C., Ponsard B. SIGFOX System Description, LPWAN Working Group, SIGFOX Expires: September 14. 2017.

29. SIGFOX. https://www.sigfox.com/en.

30. Gomez C., Veras J.C., Vidal R.l., Casals L., Paradells J. A Sigfox Energy Consumption Model, Sensors 2019. 19, 681. https://www.mdpi.com/iournal/sensors .

31. Rodriguez I., Lauridsen M., Arvidsson K., Kvarnstrand J., Andersson M., Mogensen P. Testing of Low-Power Wide-Area Technologies in Controlled Propagation Environments, Loughborough Antenna and Propagation Conference 2017.

32. Abu Hemjal: SigFox based Internet of Things: Technology, Measurements and Development, Master of Science thesis Tampere University Master's Degree Programme in Electrical Engineering, May 2019.

33. Lavric A., Petrariu A.I., Popa V., Long Range SigFox Communication Protocol Scalability Analysis Under Large-Scale, HighDensity Conditions, IEEE Access. V. 7. 2019. Р. 35816-35825.

34. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала (NB-Fi), Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. ПНСТ 354-2019.

35. Протокол передачи данных для высокоемких сетей на основе сверхузкополосной модуляции радиосигнала. https://iot. skoltech.ru/2019/07/29/tsk nti-pri-skoltehe-vylozhil-votkrytyj-dostup-novyj-standart-openunb-dlyainterneta veshhej/OpenUNB.

36. Обсуждение стандарта openUNB, https:// habr.com/ru/post/464103/.

37. СРТ: Технология узкополосной связи LPWAN XNB, https://www.tadviser.ru/index.php/.

38. DASH7 Alliance Wireless Sensor and Actuator Network Protocol, https://dash7-alliance.org/.

39. Towards IP over LPWANs technologies: LoRaWAN, DASH7, NB-IoT, EEE, 2018. Sixth International Conference on Digital Information, Networking, and Wireless Communications (DINWC 2018). Р. 43-47.

40. Considerations for low-power communication in industrial IoT Applications. DASH7 Alliance. October 2019. V. 1.0.

41. Mioty Alliance, https://mioty-alliance.com/.

42. Mioty Alliance, https://behrtech.com/mioty/.

43. Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS. https://www.iis.fraunhofer.de/en/ff/lv/net/telemetrie.html.

44. Short Range Devices; Low Throughput Networks (LTN); Protocols for radio interface A, ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06).

45. Зверев Б., Сартаков А. SNB - новая LPWAN технология Интернета вещей с высокой пропускной способностью, Control Engineering Россия IIoT, июнь 2019. https://controlengrussia.com/internet-veshhej/snb/.

46. Зверев Б., Сартаков А. SNB - новая LPWAN технология Интернета вещей с непревзойденной пропускной способностью // Беспроводные технологии. 2018. № 4. https:// wireless-e.ru/.

47. Weightless-P System Specification, V. 1.03 7 November 2017, http://www.weightless.org/about/weightless-specification.

48. Van den Abeele F., Haxhibeqiri J., Moerman I., Hoebeke J. Scalability analysis of large-scale LoRaWAN networks in ns-3 // Journal of latex class files, V. 14, № 8, August 2015. Р. 1-12.

49. Анпилогов В.Р., Нгуен Д.А. Анализ совместимости спутниковых сетей IoT с устройствами SRD и LPWAN в диапазонах частот 868/915 МГц // Электросвязь. 2020. № 1. С. 37-43.

50. Циркулярное письмо ITU-R CR Circular 429. Minutes of the 77th meeting of the Radio Regulations Board (19-23 March 2018). - P. 13. -https://www.itu.int/dms pub/itu-r/md/00/cr/cir/R00-CR-CIR-0429! 1PDF-R.pdf.

51. Циркулярное письмо ITU-R CCRR Circular 60. -https://www.itu.int/dms pub/itu-r/md/00/ccrr/cir/R00-CCRR-CIR-0060!!PDF-R.pdf.

52. Resolution 756 (WRC-12). Studies on possible reduction of the coordination arc and technical criteria used in application of No. 9.41 in respect of coordination under No. 9.7. - https://www.itu.int/dms pub/itu-r/oth/0c/0a/R0C0A00000A0024PDFE.pdf.

53. Recommendation ITU-R S.741-2. Carrierto-interference calculations between networks in the fixed-satellite service. - https: //www.itu.int/rec/R-REC-S.741-2199409-I/en.

54. ETSI TR 102 649-1 V1.1.1 (2007-04). Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Technical characteristics of RFID in the UHF Band; System Reference Document for Radio Frequency Identification (RFID) equipment; Part 1: RFID equipment operating in the range from 865 MHz to 868 MHz.

55. ETSI TR 102 649-2 V1.1.1 (2008-09). Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Technical characteristics of Short Range Devices (SRD) and RFID in the UHF Band; System Reference Document for Radio Frequency Identification (RFID) and SRD equipment; Part 2: Additional spectrum requirements for UHF RFID, nonspecific SRDs and specific SRDs.

56. ETSI TR 103 435 V1.1.1 (2017-02). System Reference document (SRdoc); Short Range Devices (SRD); Technical characteristics for Ultra Narrow Band (UNB) SRDs operating in the UHF spectrum below 1 GHz.

57. ETSI TR 102 436. Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD) intended for operation in the bands 865 MHz to 868 MHz and 915 MHz to 921 MHz; Guidelines for the installation and commissioning of Radio Frequency Identification (RFID) equipment at UHF.

58. ETSI EN 302 208 V3.2.0 (2018-02). Radio Frequency Identification Equipment operating in the band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W and in the band 915 MHz to 921 MHz with power levels up to 4 W; Harmonised Standard for access to radio spectrum.

59. ETSI EN 300 220-1 V3.1.1 (2017-02). Short Range Devices (SRD) operating in the frequency range 25 MHz to 1000 MHz; Part 1: Technical characteristics and methods of measurement.

60. ETSI EN 300 220-2 V3.1.1 (2016-11). Short Range Devices (SRD) operating in the frequency range 25 MHz to 1000 MHz; Part 2: Harmonised Standard for access to radio spectrum for non specific radio equipment.

61. CEPT/ERC/REC 70-03. Relating to the Use of Short Range Devices (SRD). - https://www.efis.dk/sitecontent.jsp?sitecontent=srd regulations.

62. CEPT/ERC/REC 74-01. Unwanted emissions in the spurious domain. -https: //www.ecodocdb.dk/document/1001.

63. CEPT/ECC Report 189. Future Spectrum Demand for Short Range Devices in the UHV Frequency Bands. https://www.erodocdb.dk/download/f584774bc3c4/ECCREP189.PDF.

64. CEPT Report 59. In response to the EC Permanent Mandate on the «Annual update of the technical annex of the Commission Decision on the technical harmonisation of radio spectrum for use by short range devices». -https://www.ecodocdb.dk/download/08fc64c1-36ab/CEPTRep059.pdf.

65. ECC Report 200. Co-existence studies for proposed SRD and RFID applications in the frequency band 870-876 MHz and 915-921 MHz. -https://www.ecodocdb.dk/download/26ce1 d81 -2a81/ECCREP200.PDF.

66. ECC Report 261. Short Range Devices in the frequency range 862-870 MHz. - https://www.ecodocdb.dk/document/985.

67. ECC Report 246. Wideband and Higher DC Short Range Devices in 870-875.8 MHz and 915.2-920.8 MHz (companion to ECC Report 200). -https://www.ecodocdb.dk/document/971.

68. ECC Report 207. Adjacent band co - existence of SRDs in the band 863-870 MHz with LTE usage below 862 MHz. -https: //www.ecodocdb.dk/document/314.

69. APT/AWF/REC-03. APT Recomendation on Ultra High Frequency (UHF) Radio Frequency Identification Devices (RFID). -https://www.apt.int/AWG-RECS- REPS.

70. APT/AWG/REP-07. APT Report on APT survey Report on Operation Of Short Range Devices (SRDs). - https://www.apt.int/AWG-RECS-REPS.

71. APT/AWG/REP-35 (Rev. 1). APT Report on Frequency bands for harmonized use of short-range devices (SRDs). - https://www.apt.int/AWG-RECS-REPS.

72. Recommendation ITU-R SM.1896-1 (09/2018). Frequency ranges for harmonization of short range devices. - https://www.itu.int/rec/R-REC-SM.1896-1-201809-I/en.

73. ITU-R SM.2153. Technical and operating parameters and spectrum use for SRDs. - https: //www.itu. int/pub/R-REP- SM.2153/ru.

74. ITU-R SM.2423. Технические и эксплуатационные аспекты территориально распределенных сетей малой потребляемой мощности для межмашинной связи и интернета вещей в частотных диапазонах, согласованных для работы устройств малого радиуса действия. - https: //www. itu. int/pub/R-REP-SM.2423-2018.

75. Решение ГКРЧ РФ от 07.05.2007 № 07- 20-03-001. О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия. -http://docs.cntd.ru/document/902048009.

76. Рекомендация МСЭ-R F.1336-5 (01/2019). Эталонные диаграммы направленности всенаправленных, секторных и других антенн для фиксированной и подвижной служб в целях применения в исследованиях совместного использования частот в диапазоне от 400 МГц до приблизительно 70 ГГц. - https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/f/R-REC-F.1336-5-201901-IHPDF-R.pdf.

77. Thomas Schwengler. Radio Propagation Modeling -http://morse.colorado.edu/~tlen5510/text/classwebch3.html.

78. Технологии связи. Технология LoRa WAN/Емкость сети LoRa -https://itechinfo.ru/content/емкость-сети-lora.

79. Рекомендация МСЭ-R P.2040 - 1 (07/2015). Влияние строительных материалов и структур на распространение радиоволн на частотах выше приблизительно 100 МГц - https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.2040-1-201507-IHPDF-R.pdf.

80. Bankov Dmitry, Khorov Evgeny, Lyakhov Andrey. On the Limits of LoRaWAN Channel Access // Engineering and Telecommunication (EnT), 2016 International Conference on / IEEE. 2016. Pp. 10-14.

81. N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), 7 O.Hersent (Actility). LoRaWAN™ Specification // LoRa™ Alliance. 2015 January.

82. Нгуен Дык Ань. Оценка энергетики абонентских радиолиний и информационной емкости спутниковой низкоорбитальной системы интернета вещей // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Том 15. №11. С. 32-39.

®

ВИСЯТ-ТЕП

Акционерное общество «ВИСАТ-ТЕЛ»

123182, г. Москва, ул. Щукинская, д. 6, корп. 3 Почт: 123182, г. Москва, а/я 60 Тел./факс: <495)231-33-68. 781-22-48 Ь-таН: ¡»Го а у|$аие1

Акт

об использовании результатов диссертационной работы Нгуен Дык Ань "Исследование технологий в наземных сетях LPWAN и их адаптация для использования в спутниковых низкоорбитальных системах с целевой функцией интернета вещей", представленной на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Результаты диссертационной работы использованы в процессе разработки научно-технических материалов Концепции создания многоспутниковой низкоорбитальной системы передачи данных (МСПД) "Марафон 1оТ" при ее обосновании для включения в состав приоритетных систем в проекте программы "Сфера" и при подготовке материалов аванпроекта (МСПД) "Марафон 1оТ" в 2020-

Особо следует выделить обоснование применения технологии ЬоЯа, как наиболее приемлемой их все известных технологий наземных сетей ЬР\¥АЫ для адаптации к низкоорбитальной спутниковой системе интернета вещей с целью создания глобальной бесшовной сети 1оТ.

Советник генерального директора АО "ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н.

2021г.

Эйдус А.Г.