Технологии передачи данных, используемые при построении АИИС

Автоматизированные информационно-измерительные системы (АИИС) обеспечивают дистанционный сбор, обработку и анализ показаний приборов учета всех энергоресурсов. Их внедрение позволяет навести порядок в коммерческом учете, повысить качество коммунальных услуг и энергоэффективность объектов.

В настоящее время сфера интеллектуального учета энергоресурсов активно развивается, но единой технической политики с установленными стандартами интерфейсов связи в этой области пока нет. Основные технологии сбора и передачи данных, которые применяются при построении АИИС, можно условно разделить на три группы:

• системы передачи данных посредством проводного подключения к интернету — Ethernet;
• системы передачи данных в сетях связи мобильных операторов: GSM (CSD), GPRS, 3G, 4G;
• системы передачи данных по радиоканалу в сети «Интернет вещей»: LoraWAN, NB IoT.

Технология Ethernet

Наиболее широко распространенная в мире проводная технология передачи данных, которую используют для построения локальных вычислительных сетей (ЛВС). Реализуется посредством присоединения к сети Интернет. Обеспечивает надежную связь, но имеет ряд ограничений, связанных с необходимостью прокладки кабелей и дополнительной оплатой услуг провайдера.

Развитие технологии передачи данных

Датой изобретения стандарта Ethernet принято считать 1973 год, когда американский инженер Роберт Меткалф, работающий в научно-исследовательском центре Xerox PARC, создал докладную записку для руководства, где описал потенциал технологии.

Слово «Ethernet» образовано слиянием двух слов: «ether» — эфир и «net» — сеть, то есть это «эфирная сеть». Название вполне объясняет принцип работы: все, что передает один узел, одновременно принимают все остальные. Чтобы данные, а точнее, кадр данных, попал к конкретному адресату, используют коммутатор или маршрутизатор.

Активное внедрение стандарта началось с 1980-го года. Сначала данные предавали посредством коаксиального кабеля, позже стали использовать витую пару и оптоволокно. Благодаря надежности, простоте и невысокой цене технология практически полностью вытеснила уже существующие протоколы ЛВС, такие как ARCNET и Token ring.

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных по технологии Ethernet составляет от 10 до 100 Гбит/с.

Основные плюсы и минусы

Плюсы:

• простое подключение;
• высокая скорость передачи данных;
• хорошая пропускная способность;
• масштабируемость;
• возможность применять различные кабели;
• отличная помехозащищенность, особенно при использовании кабелей последних стандартов, таких как SSTP;
• способность адаптироваться к меняющимся сетевым требованиям.

Минусы:

• необходимость прокладки кабеля к каждому модему;
• нужен договор с провайдером и статичный IP-адрес — платная услуга;
• для увеличения пропускной способности требуется замена кабеля.

Технология GSM (CSD)

Протокол передачи данных со счетчиков посредством сотовой сети мобильных операторов. CSD работает по голосовому каналу в сети 2G, построенной на стандарте GSM с временным разделением каналов. Информация передается по голосовому каналу телефонной линии. По сути, это та же линия связи, которая применяется для разговоров по мобильному телефону, но при совершении звонка передается не голос, а цифровые данные.

В настоящее время эта технология считается морально устаревшей и редко используется из-за высокой цены. Тем не менее, некоторые производители еще предлагают модемы с поддержкой CSD, и они находят применение ввиду широкой зоны покрытия сети 2G.

Развитие технологии передачи данных

Разработка стандарта GSM началась в 1982 году, работу совместно вели 26 европейских телефонных компаний. Целью было создание цифровой системы сотовой связи с качественной передачей голоса. В 1989 году права на развитие GSM получил институт телекоммуникационных стандартов ETSI. Коммерческое применение GSM началось в 1991 году, и технология довольно быстро распространилась по всему миру.

Скорость передачи данных

Максимальная скорость составляет 9,6 кбит/с, для каждого соединения выделяется специальный канал CSD.

Основные плюсы и минусы

Плюсы:

• широкая зона покрытия;
• работа в труднодоступных местах;
• высокое качество голосовой связи;
• роуминг.

Минусы:

• требуется установка как минимум двух модемов для организации передачи данных;
• невысокая скорость передачи данных;
• временные задержки до 40 секунд: допустимо для коммерческого учета, но неприемлемо для технологического;
• высокая стоимость соединения;
• ограничения по числу доступных CSD-каналов.
• низкая безопасность в разрезе доступа к данным на объекте: зная номер SIM карты, установленной в модеме, можно легко получить доступ к данным ПУ. Для предотвращения несанкционированного доступа нужны ограничительные меры.

Технологии GPRS/3G/4G

Технологии передачи данных в сетях связи мобильных операторов, каждое следующие поколение отличается более высокой скоростью связи.

Развитие технологий передачи данных

GPRS — это надстройка над стандартом GSM, которая позволяет осуществлять пакетную передачу данных почти в 20 раз быстрее чем CSD. Технологию также называют 2,5G, ее активное внедрение началось в начале 2000-х. Далее развитие концепции пакетной передачи данных привело к появлению стандартов 3G и 4G.

Главная особенность стандарта 3G — использование не временного, а кодового распределения каналов. Кроме того, увеличена скорость передачи данных, внедрена технология «мягкого хэндовера» — постепенного перехвата абонента более близкой станцией в процессе движения. Параллельно с внедрением 3G началась разработка 4G. Появилось несколько промежуточных технологий, но официально стандартами связи четвертого поколения признаны LTE-А (Скандинавия) и WiMAX 2 (США).

Скорость передачи данных

• GPRS — 171,2 кбит/c;
• 3G — 14,4 Мбит/с;
• 4G — 70-300 Мбит/с.

Основные плюсы и минусы

Главные плюсы технологий 3G и 4G — более высокая скорость, чем у GPRS. Но когда речь идет о каналах передачи данных с приборов учета, где объем информации небольшой, важнее не скорость, а зона покрытия и устойчивость сигнала, а в этих вопросах лидирует GPRS. Еще один весомый плюс технологии GPRS — возможность постоянно поддерживать связь с прибором учета.

При опросе приборов учета зона покрытия имеет первостепенное значение, так как устройства нередко располагаются в труднодоступных местах, таких как подвалы и технические помещения.

К минусам использования сетей GPRS, 3G, 4G можно отнести необходимость оплаты услуг оператора мобильной связи.

Технология LoRaWAN

Стандарт передачи малых объемов данных на большие расстояния в сети LPWAN, разработанной для «Интернета вещей» (IoT). Предполагает использование широкополосной модуляции LoRa и позволяет передавать информацию со скоростью до 50 кбит/с на расстояние до 15 км в городе и до 40 км за городом при установке базовой станции.

Развитие технологии передачи данных

Необходимость в разработке нового энергоэффективного сетевого протокола возникла с развитием межмашинных коммуникаций и «Интернета вещей». Технологию LoRa презентовала некоммерческая организация LoRa Alliance, в которую вошли крупнейшие компании, работающие в сфере IoT. Суть работы такова: базовая станция прослушивает эфир в определенном диапазоне частот и, когда ловит запрос от одного из подключенных устройств, отвечает ему на частоте обращения. Скорость связи небольшая, так как речь идет о передаче малых объемов данных.

Благодаря новой LPWAN-технологии появилась возможность развертывания межмашинных коммуникаций с минимальным электропотреблением. Обычная батарейка АА в умном счетчике, который дистанционно передает показания в сети LoRaWAN, служит несколько лет, тогда как в сети 4G она не проживет и несколько суток.

Скорость передачи данных

Этот LPWAN-протокол рассчитан на работу со скоростью от 0,3 до 50 кбит/с.

Основные плюсы и минусы

Плюсы:

• низкое энергопотребление;
• многоуровневая система безопасности передачи данных, которая обеспечивает хорошую защиту от несанкционированного доступа;
• создание собственной сети без оплаты услуг связи и получения лицензии на использование радиочастот;
• удобно использовать в городских многоэтажках.

Минусы:

• необходимость установки базовой станции с антенной и вычислительным блоком;
• не подходит для отдаленных объектов.

Технология NB-IoT

Стандарт связи, который работает по технологии LPWAN в сетях мобильных операторов GSM и LTE (4G). В сравнении с LoRaWAN имеет большую зону покрытия, особенно в городской среде.

Развитие технологии передачи данных

Стандарт разработал консорциум 3GPP, специализирующийся на мобильной телефонии. В 2015 году британский оператор Vodafone запустил тестовые сети NB-IoT в Европе. Они отлично себя зарекомендовали, и спустя год стандарт сертифицировали. С этих пор началось его активное распространение в мире.

Скорость передачи данных

В сети NB-IoT информацию можно передавать со скоростью до 250 кбит/с.

Основные плюсы и минусы

Плюсы:

• широкая зона покрытия;
• высокая скорость передачи данных;
• возможность использовать имеющуюся инфраструктуру мобильной связи (не нужно ставить свою базовую станцию);
• хорошая связь за счет чувствительной модуляции сигнала.

Минусы:

• нужно заключать договор с мобильным оператором и оплачивать услуги связи;
• устройства NB IoT потребляют в 1,5-2 раза больше энергии, чем аналоги, работающие по стандарту LoRaWan.

Ни одна из описанных технологий не является единственным кандидатом на роль универсальной модели для построения АИИС. При выборе нужно принимать во внимание технические характеристики протоколов связи и имеющиеся ограничения: скорость передачи данных, размеры зоны покрытия, энергопотребление устройств, а также сложность и стоимость реализации решения.

Как правило, хорошие АИИС поддерживают устройства передачи данных (модемы), работающие по разным технологиям.

Система Элдис работает с модемами, которые используют разные каналы передачи данных, и поддерживает подавляющее большинство распространенных на территории России счетчиков, вычислителей и регуляторов. По запросу пользователей технические специалисты АО Элдис всегда готовы добавить в АИИС поддержку нового оборудования, если производитель устройства предоставляет протокол обмена для работы со своим оборудованием. Кроме того, клиенты могут приобрести модемы и другие устройства, необходимые для построения АИИС, собственной разработки и производства АО Элдис.