МЕТОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА LTE ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются методы и технологии применения мобильной связи стандарта LTE (Long Term Evolution) для передачи измерительных данных в распределенных сенсорных сетях. Проанализированы особенности протокола LTE-M и NB-IoT, оптимизированных для устройств Интернета вещей. Представлены архитектурные решения интеграции сенсорных узлов с сетями LTE, методы обеспечения энергоэффективности и надежности передачи данных. Особое внимание уделено вопросам обработки измерительных сигналов, минимизации задержек и обеспечения качества обслуживания при передаче критичных данных. Рассмотрены практические аспекты развертывания LTE-based сенсорных сетей в промышленности, умных городах и системах мониторинга окружающей среды. Проведен сравнительный анализ производительности различных режимов работы LTE применительно к задачам телеметрии и удаленного мониторинга.

ABSTRACT

This article examines methods and technologies for using LTE (Long Term Evolution) mobile communications for transmitting measurement data in distributed sensor networks. The article analyzes the features of the LTE-M and NB-IoT protocols optimized for IoT devices. Architectural solutions for integrating sensor nodes with LTE networks, as well as methods for ensuring energy efficiency and data transmission reliability, are presented. Particular attention is paid to processing measurement signals, minimizing delays, and ensuring quality of service when transmitting critical data. This article examines the practical aspects of deploying LTE-based sensor networks in industry, smart cities, and environmental monitoring systems. A comparative analysis of the performance of various LTE operating modes for telemetry and remote monitoring tasks is provided.

Ключевые слова: LTE, сенсорные сети, LTE-M, NB-IoT, Интернет вещей, телеметрия

Keywords: LTE, sensor networks, LTE-M, NB-IoT, Internet of Things, telemetry

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологий Интернета вещей (IoT) и увеличение количества подключенных устройств стимулирует поиск эффективных решений для передачи данных от распределенных сенсоров. Традиционные беспроводные технологии, такие как ZigBee, LoRaWAN и Wi-Fi, имеют ограничения по дальности, энергопотреблению или пропускной способности [1]. Стандарт LTE и его эволюционные версии, оптимизированные для IoT-приложений, предлагают сбалансированное решение для организации масштабируемых сенсорных сетей.

LTE-M (LTE for Machines) и NB-IoT (Narrowband IoT) представляют собой специализированные варианты технологии LTE, разработанные консорциумом 3GPP для поддержки массового развертывания IoT-устройств [2]. Эти технологии обеспечивают глубокое проникновение сигнала, низкое энергопотребление и возможность работы от батарей в течение нескольких лет, что критично важно для автономных сенсорных узлов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Архитектура LTE-based сенсорных сетей

Архитектура сенсорной сети на базе LTE включает несколько функциональных уровней: уровень сенсорных узлов, сетевой уровень LTE, транспортный уровень и уровень приложений [3]. Сенсорные узлы оснащаются модулями LTE-M или NB-IoT, которые обеспечивают прямое подключение к базовым станциям оператора мобильной связи без необходимости использования промежуточных шлюзов.

Ключевыми компонентами системы являются (рис. 1):

• Сенсорные модули с интегрированными LTE-модемами, выполняющие измерения физических параметров (температура, давление, вибрация, уровень загрязнения и др.);
• Базовые станции eNodeB, обеспечивающие радиодоступ и первичную обработку сигналов;
• Базовая сеть EPC (Evolved Packet Core), управляющая маршрутизацией, аутентификацией и качеством обслуживания;
• IoT-платформа, осуществляющая сбор, хранение, анализ данных и предоставление интерфейсов для приложений.

Рисунок 1. Архитектура сенсорной сети на базе технологии LTE

2. Методы передачи измерительных сигналов

Передача измерительных данных в LTE-based сенсорных сетях реализуется с использованием различных режимов и протоколов, выбор которых зависит от требований приложения [4].

Режим PSM (Power Saving Mode) позволяет сенсорным устройствам находиться в состоянии глубокого сна большую часть времени, периодически активируясь для передачи накопленных данных. Это обеспечивает минимальное энергопотребление при работе с нечастыми измерениями.

Режим eDRX (extended Discontinuous Reception) предусматривает расширенные интервалы между сеансами прослушивания сети, что также способствует экономии энергии при сохранении возможности получения нисходящих сообщений [5].

Протокол CoAP (Constrained Application Protocol) широко применяется для передачи данных от ресурсно-ограниченных устройств, обеспечивая эффективную работу поверх UDP с минимальными накладными расходами.

Протокол MQTT используется для организации публикации/подписки на темы, что удобно при работе с множественными источниками данных и обеспечивает гибкую маршрутизацию информации.

Таблица 1.

 Сравнительная характеристика режимов передачи данных

3. Обработка и передача измерительных сигналов

Эффективная передача измерительных сигналов в LTE-сетях требует предварительной обработки данных на уровне сенсорных узлов. Применяются методы сжатия данных, агрегации измерений и адаптивной дискретизации [6]. Для критичных приложений используются механизмы приоритизации трафика на основе QoS (Quality of Service), позволяющие обеспечить гарантированную доставку важных сообщений.

При передаче аналоговых измерительных сигналов применяется аналого-цифровое преобразование с последующим кодированием. Выбор разрядности АЦП и частоты дискретизации определяется требованиями к точности измерений и допустимым объемом передаваемых данных.

График времени автономной работы в зависимости от частоты передачи данных изображен на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость времени жизни батареи от частоты передачи данных для различных режимов LTE

4. Практические применения

LTE-based сенсорные сети находят широкое применение в различных областях:

Умные города: мониторинг качества воздуха, уровня шума, состояния дорожного покрытия, управление освещением и парковочными местами [7].

Промышленность: удаленный мониторинг оборудования, предиктивное обслуживание, контроль производственных процессов, системы безопасности.

Сельское хозяйство: мониторинг почвенной влажности, метеорологических параметров, автоматизация полива и управление климатом в теплицах.

Энергетика: удаленный сбор показаний счетчиков (smart metering), мониторинг распределительных сетей, управление нагрузкой.

Преимущества использования LTE для этих приложений включают широкое покрытие существующих сетей операторов, высокую надежность, поддержку мобильности устройств и централизованное управление безопасностью.

Заключение

Применение технологии LTE и ее специализированных вариантов LTE-M и NB-IoT для передачи измерительных сигналов в сенсорных сетях открывает широкие возможности для создания масштабируемых и энергоэффективных систем мониторинга. Ключевыми преимуществами являются использование существующей инфраструктуры операторов мобильной связи, глубокое покрытие, низкое энергопотребление и возможность работы в режиме реального времени.

Выбор между LTE-M и NB-IoT определяется спецификой приложения: для задач, требующих более высокой скорости передачи данных и меньших задержек, предпочтителен LTE-M; для массового развертывания статичных сенсоров с минимальными требованиями к скорости оптимален NB-IoT. Дальнейшее развитие технологий 5G и NR-IoT расширит возможности сенсорных сетей за счет еще более низких задержек, увеличенной плотности подключений и улучшенных характеристик энергопотребления.

Список литературы:

1. Андреев К.А. Интернет вещей: технологии беспроводной связи для IoT-систем / К.А. Андреев, О.Н. Шерстобитова // Инфокоммуникационные технологии. – 2019. – Т. 17, № 2. – С. 156-168.
2. Рашич А.В. Сети связи пятого поколения: технологии LTE-Advanced Pro и 5G NR / А.В. Рашич, В.К. Ишутин, Н.А. Соколов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2020. – 388 с.
3. Тихвинский В.О. LTE-Advanced и технологии 5G в мобильной связи / В.О. Тихвинский, С.В. Терентьев, В.Ю. Высочин. – М.: Медиа Паблишер, 2018. – 350 с.
4. Гельгор А.Л. Технологии LTE мобильной передачи данных / А.Л. Гельгор, Е.А. Попов. – СПб: Издательство Политехнического университета, 2017. – 204 с.
5. Волков А.Н. Механизмы энергосбережения в сетях NB-IoT и LTE-M / А.Н. Волков, М.О. Колбанев // Информационные технологии и телекоммуникации. – 2020. – Т. 8, № 1. – С. 89-99.
6. Кучерявый А.Е. Интернет вещей / А.Е. Кучерявый, А.А. Салим, Е.А. Кучерявый // Электросвязь. – 2019. – № 1. – С. 45-56.
7. Росляков А.В. Интернет вещей: учебное пособие / А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. – Самара: ПГУТИ, 2018. – 200 с.
8. Alikulov, А. K., Bektemirov, B. S., Norkhudjaev, F. R., & Mirzarakhimova, Z. B. (2023). Determination of Density of the Samples Made of Copper Based Materials. Best Journal of Innovation in Science, Research and Development, 2(9), 106-111.
9. Alimbabaeva, Z. L., Bektemirov, B. S., Kamilova, G. M., & Chulliyev, Z. F. (2022). Physical and technological basis for formation of coatings by electric contact sintering.
10.  Alikulov, A., Bektemirov, B., Norkhudjayev, F., & Tlovoldiyev, S. (2023). Research electrical conductivity of copper-chromium based powder alloy. Universum: технические науки, (10-6 (115)), 60-63.