NB-IoT – интернет вещей в сим-карте
Работающие в России операторы сотовой связи начали тестирование сим-карт для стандарта связи NB-IoT (Narrowband Internet of Things). В будущем с ними смогут работать устройства интернета вещей – в нашей стране, как и во всем мире, количество подключений такого рода постоянно растет.
Сим-карты NB-IoT уже выпущены компанией МТС, она предлагает их в рамках пилотного проекта в 16 городах. Оператор связи разработал три варианта сим-карт для интернета вещей:
Содержание
Большая четверка операторов
До конца 2018 года планируется обеспечение сплошного покрытия во всех миллионниках и нескольких других городах. Кроме этого, будут представлены сервисы, позволяющие работать с умными устройствами и специальный тариф для NB-IoT.
Технология NB-IoT осваивается и остальными операторами из «большой четверки»:
Что же называется интернетом вещей? Это такая среда, в которой всевозможные устройства «общаются» между собой без участия человека. Датчики передают сигналы системам удаленного контроля, коммунальные счетчики отправляют показания на сервера ресурсоснабжающих или управляющих организаций, средства мониторинга автомобильного транспорта уведомляют о местонахождении и скорости движения. Взаимодействовать между собой могут даже бытовые электроприборы.
Что такое NB-IoT
NB-IoT – это стандарт двусторонней сотовой связи, для внедрения которого в России недавно открыли частоты от 700 до 1 800 МГц. Скорость передачи у него небольшая, но здесь она и не требуется. Имеющихся 200 кбит/с вполне достаточно для работы устройств, которые периодически передают небольшой объем однотипных данных. В то же время стандарт с указанным выше набором частот может использоваться для зон с большим покрытием.
У низких объемов обмена данными есть свое преимущество – разработчики обещают, что элементы питания в таких устройствах будут служить до 10 лет без подзарядки.
Внедрение технологии NB-IoT обойдется операторам связи относительно недорого. Для запуска сети достаточно установить на уже имеющейся базовой станции специальное ПО. При этом к одной соте такой базовой станции можно подключить до 100 000 устройств NB-IoT. Это в десятки раз превосходит возможности существующих стандартов мобильной связи.
Перспективы стандарта в России
Запуск связи в стандарте NB-IoT был разрешен российским операторам в конце 2017 года. Этот стандарт позволяет реализовывать решения, востребованные в десятках областей. В том числе, NB-IoT нужен в таких сферах, как логистика, транспорт, энергетика, ЖКХ, медицина, ритейл, системы безопасности, «умный город» и «умный дом».
Нужно рассказать и о существовании конкурирующих стандартов – это LoRaWAN и Sigfox. Они используют нелицензируемые частотные диапазоны и тоже начинают внедряться российскими компаниями. Развитием сети LoRaWAN занимается компания «ЭР-Телеком Холдинг», которая в сентябре 2018 года рассказала о начале работы в 52 городах страны сети промышленного интернета вещей.
На конец октября 2018 года в нашей стране к сетям мобильной связи подключено более 13 миллионов сим-карт интернета вещей. Количество устройств с таким функционалом будет только увеличиваться, поэтому им обязательно потребуется отдельная сеть для обслуживания. NB-IoT позволяет построить ее на базе существующих сотовых сетей, в результате чего намного снижаются затраты на построение инфраструктуры.
Плюс внедрения стандарта-конкурента LoRa в том, что он фактически разрушает монополию сотовых операторов в сфере обеспечения связи между автоматическими устройствами. NB-IoT, в свою очередь, использует лицензируемый диапазон частот, а это является гарантией надежности, безопасности и непрерывности передачи данных.
eSIM как прорыв
Упоминавшиеся выше сим-чипы – это задел сотовых операторов на будущее. Устройства, подключающиеся к интернету вещей, предполагают наличие встроенного электронного чипа eSIM. Он программируется под работу с определенным оператором связи.
В нашей стране пользоваться технологией eSIM пока запрещено по закону. Операторы в этих условиях вынуждены проводить аутентификацию с использованием обычных сим-карт, вставляющихся в устройство. Отрасль ждет изменения законодательства, которое позволит отказаться от физических сим-карт. Минкомсвязь обещает подготовить соответствующие поправки, однако пока их нет.
Операторы занимаются тестированием сим-чипов для того, чтобы технически подготовиться к их внедрению, когда государство разрешит коммерческое использование этой технологии.
Сеть NB-IoT
Подробности
(Narrow Band IoT) — стандарт связи, который используют умные устройства. С помощью этого стандарта осуществляется управление и соединение устройств, а также получение данных — остаётся только найти применение в своей области.
Умные устройства повысят качество жизни. Представьте, что вам не нужно следить за расходом воды и электричества, потому что данные со счётчиков автоматически отправляются в ЖКХ. А различные сенсоры и детекторы анализируют качество и загрязнение воздуха — показывают состав, температуру и влажность почвы вашего растения, меняют освещение в доме по заданному сценарию для создания особой атмосферы.
Все эти устройства могут быть объединены в систему умного дома, некоторые из них вы можете купить в интернет-магазине МТС. Они облегчат вашу жизнь и освободят от рутины — вы сможете больше времени и внимания уделять важному.
Сеть запущена в коммерческое использование в 2019 году. Совместно с Huawei планируется внедрять IoT решения для промышленности, систем умного города, ЖКХ, сельского хозяйства и других областей.
В Москве планируется реализовать решения в сфере умного города и транспорта — как на основе так и на основе 5G.
В марте 2019 года проведено тестирование международного роуминга в сети в котором проверялась возможность непрерывного обслуживания устройств в гостевой сети. Такая возможность в первую очередь востребована у компаний логистической отрасли, которые используют датчики для отслеживания грузов — технология делает такие датчики автономными, а это позволяет существенно сократить расходы на их обслуживание.
В декабре 2018 года компании МТС и Ericsson представили первое в России комплексное пилотное решение умного города в сфере ЖКХ на сети Разработанные системы видеонаблюдения, дистанционного сбора показаний счётчиков, мониторинга парковок, экологической обстановки и вывоза бытовых отходов позволяют повысить качество жилой среды и снизить затраты.
NB-IoT: как он работает? Часть 2
В прошлый раз мы говорили об особенностях нового стандарта NB-IoT с точки зрения архитектуры сети радиодоступа. Сегодня порассуждаем, что изменилось в ядре сети (Core Network) при NB-IoT. Итак, поехали.
В ядре сети произошли значительные изменения. Начнем с того, что появился новый элемент, а также ряд механизмов, которые определены стандартом как “CIoT EPS Optimization” или оптимизации опорной сети для сотового интернета вещей.
Как известно, в мобильных сетях существует два основных канала коммуникаций, которые называются Control Plane (CP) и User Plane (UP). Control Plane предназначен для обмена служебными сообщениями между различными элементами сети и служит для обеспечения мобильности (Mobility management) устройств (UE) и установления/поддержания сессии передачи данных (Session Management). User Plane — это, собственно, канал передачи пользовательского трафика. В классическом LTE распределение CP и UP по интерфейсам выглядит следующим образом:
Механизмы оптимизации CP и UP для NB-IoT реализовываются на узлах MME, SGW и PGW, которые условно объединяются в единый элемент под названием C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Также стандарт предполагает появление нового элемента сети — SCEF (Service Capability Exposure Function). Интерфейс между MME и SCEF называется T6a и реализован на базе протокола DIAMETER. Несмотря на то, что DIAMETER это сигнальный протокол, в NB-IoT он адаптирован для передачи малых объемов non-IP данных.
Исходя из названия, SCEF — это узел экспонирования сервисных возможностей. Другими словами, SCEF скрывает сложность сети оператора, а также снимает с разработчиков приложений необходимость идентификации и аутентификации мобильных устройств (UE), предоставляя возможность серверам приложений (Application Server, далее AS) получать данные и управлять устройствами через единый API интерфейс.
Идентификатором UE становится не телефонный номер (MSISDN) или IP адрес, как это было в классической сети 2G/3G/LTE, а так называемый «external ID», который определен стандартом в привычном для разработчиков приложений формате « @ ». Это отдельная большая тема, заслуживающая отдельного материала, поэтому подробно об этом сейчас говорить не будем.
Теперь разберемся c наиболее значимыми нововведениями. «CIoT EPS Optimization» — это оптимизация механизмов передачи трафика и управления абонентскими сессиями. Вот основные из них:
Это механизм, разработанный для оптимизации передачи малых объемов данных.
В классическом LTE абонентское устройство при регистрации в сети устанавливает PDN connection (далее PDN) через eNodeB к MME-SGW-PGW. Соединение UE-eNodeB-MME — это так называемый “Signaling Radio Bearer” (SRB). При необходимости передать/получить данные UE устанавливает еще одно соединение с eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), для передачи пользовательского трафика к SGW и далее на PGW (интерфейсы S1-U и S5 соответственно). По окончании обмена и при отсутствии трафика в течение некоторого времени (обычно 5-20 секунд) эти соединения разрываются и устройство переходит в режим ожидания или “Idle Mode”. При необходимости обмена новой порцией данных SRB и DRB переустанавливаются.
В NB-IoT передача пользовательского трафика может осуществляться через сигнальный канал (SRB), в сообщениях протокола NAS (http://www.3gpp.org/more/96-nas). Установление DRB больше не требуется. Это значительно снижает сигнальную нагрузку, экономит радиоресурсы сети и, самое важное — продлевает срок жизни батареи устройства.
На участке eNodeB — MME пользовательские данные начинают передаваться по интерфейсу S1-MME, чего не было в классической технологии LTE, и используется для этого протокол NAS, в котором появляется “User data container”.
Для осуществления передачи “User Plane“ от MME к SGW появляется новый интерфейс S11-U, который предназначен для передачи малых объемов пользовательских дынных. В основе протокола S11-U лежит GTP-U v1, который используется для передачи User Plane и на других интерфейсах сети 3GPP-архитектуры.
NIDD (non-IP data delivery):
В рамках дальнейшей оптимизации механизмов передачи малых объемов данных, в дополнение к уже существующим типам PDN, таким как IPv4, IPv6 и IPv4v6, появился еще один тип — non-IP. В этом случае UE не присваивается IP адрес, и данные передаются без использования протокола IP. На то есть несколько причин:
Все это вписывается в парадигму NB-IoT — максимальное упрощение и удешевление устройств.
Механизмы энергосбережения PSM и eDRX:
Одним из ключевых преимуществ LPWAN сетей является энергоэффективность. Заявляется срок до 10 лет автономной работы устройства на одной батарее. Разберемся, каким образом достигаются такие значения.
Когда устройство потребляет меньше всего энергии? Правильно, когда оно выключено. И если полностью обесточить девайс нельзя, давайте обесточим радио модуль, на то время, пока в нем нет необходимости. Только предварительно надо согласовать это с сетью.
PSM (Power saving mode):
Режим энергосбережения PSM позволяет устройству надолго выключать радио модуль, оставаясь при этом зарегистрированным в сети, и не переустанавливать PDN каждый раз при необходимости передать данные.
Чтобы сеть знала, что устройство по-прежнему доступно, оно периодически инициирует процедуру актуализации — Tracking Area Update (TAU). Частота этой процедуры задается сетью при помощи таймера T3412, значение которого передается устройству во время процедуры Attach или очередного TAU. В классическом LTE дефолтное значение этого таймера 54 минуты, а максимальное — 186 минут. Однако, для обеспечения высокой энергоэффективности, необходимость выхода в радиоэфир каждые 186 минут — это слишком дорогое удовольствие. Для решения этой проблемы и был разработан механизм PSM.
Устройство активирует режим PSM передавая в сообщениях «Attach Request» или «Tracking Area Request» значения двух таймеров T3324 и T3412-Extended. Первый определяет время, которое устройство будет доступно после перехода в «Idle Mode». Второй — это время, через которое должен быть произведен TAU, только теперь его значение может достигать 35712000 секунд или 413 дней. В зависимости от настроек, MME может принять значения таймеров, полученные от устройства, или изменить их, передав новые значения в сообщениях «Attach Accept» или «Tracking Area Update Accept». Теперь устройство может не включать радио модуль 413 дней и оставаться при этом зарегистрированным в сети. В результате получаем колоссальную экономию ресурсов сети и энергоэффективность устройств!
Однако в этом режиме устройство недоступно только для входящих коммуникаций. При необходимости передать что-либо в сторону сервера приложений устройство может в любой момент выйти из PSM и отправить данные, оставшись после этого активным в течение таймера T3324 для приема информационных сообщений от AS (если таковые будут).
eDRX (extended discontinuous reception):
eDRX, расширенный режим прерывистого приема. Чтобы передать данные на устройство, которое находится в «Idle mode», сеть выполняет процедуру оповещения — «Paging». При получении пейджинга устройство инициирует установление SRB для дальнейшей коммуникации с сетью. Но чтобы не пропустить адресованное ему сообщение Paging, устройство должно постоянно мониторить радиоэфир, что также достаточно энергозатратно.
eDRX — это режим, при котором устройство принимает сообщения от сети не постоянно, а периодически. Во время процедур Attach или TAU устройство согласовывает с сетью временные промежутки, в которые оно будет «слушать» эфир. Соответственно, в эти же промежутки будет производиться процедура Paging. В режиме eDRX работа устройства разбивается на циклы (eDRX cycle). В начале каждого цикла идет так называемое «окно пейджинга» (Paging Time Window, далее PTW) — это время, которое устройство слушает радиоканал. По окончании PTW устройство отключает радио модуль до конца цикла.
HLCOM (high latency communication):
При необходимости передать данные в Uplink устройство может выйти из любого из этих двух режимов энергосбережения, не дожидаясь окончания PSM или eDRX цикла. Но вот передать данные на устройство возможно, только когда оно активно.
Функционал HLCOM или коммуникация с высокими задержками — это буферизация Downlink пакетов на SGW на время, пока устройство находится в режиме энергосбережения и недоступно для коммуникации. Буферизированные пакеты будут доставлены, как только устройство выйдет из PSM, сделав TAU или передав Uplink трафик, или, когда наступит PTW.
Это, безусловно, требует осознания со стороны разработчиков IoT-продуктов, поскольку общение с устройством получается не в реальном времени и требует определенного подхода к конструированию бизнес логики работы приложений.
В заключении скажем: внедрение нового всегда захватывает, а сейчас мы имеем дело со стандартом, до конца не обкатанным даже у мировых «зубров», вроде Vodafone и Telefonica – поэтому это захватывает вдвойне. Наше изложение материала не претендует на абсолютную полноту, но надеемся обеспечивает достаточное понимание технологии. Будем признательны за обратную связь.
Автор: Эксперт отдела конвергентных решений и мультимедийных сервисов Алексей Лапшин aslapsh
Технология NB-IoT: интернет вещей в умном городе
(Narrow Band Internet of Things) — это стандарт сотовой связи для устройств телеметрии, основанный на LTE и предусматривающий передачу небольших объемов данных. Стандарт разработан консорциумом 3GPP в рамках работ над сетями нового поколения. Первую рабочую версию спецификации представили в июне 2016 года.
Сетевая архитектура
относится к стандарту LPWA (Low Power Wide Area), предназначенному для M2M () приложений, которые требуют низкоскоростной передачи данных и работы в автоматическом режиме в течение длительного периода времени, в том числе в отдаленных или труднодоступных местах.
Технология многое унаследовала от LTE, начиная с физической структуры радиосигнала и заканчивая архитектурой самой сети. Она создавалась с прицелом на применение в условиях более низкого уровня сигнала и более высокого уровня шумов с учетом экономии ресурса батареи. Особенность в том, что она способна передавать небольшие сообщения от различных датчиков и приборов, передача тяжелого контента вроде видео или аудио в этом случае не применяется.
Чтобы понимать преимущества и недостатки данной технологии в сравнении с тем же LTE, необходимо углубиться в технические аспекты архитектуры радиодоступа.
В LTE применяется принцип разделения каналов OFDM, что означает мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов.
Сама несущая в LTE разделена на ресурсные блоки (Resource Block — RB), которые в свою очередь разделены на 12 поднесущих. Получаем общую ширину занимаемой полосы: 12×15кГц = 180кГц.
Дополнительно каждый ресурсный блок имеет 7 таймслотов по 0,5 мс, итого — 84 ресурсных элемента (Resource Element — RE).
Также уже стандартизировано разделение ресурсного блока на 48 ресурсных элементов по 3.75кГц в направлении Uplink, это расширяет таймслот до 2 мс.
Для достижения большей пропускной способности применяются дополнительные технологии (QAM256, QAM64, MIMO2×2, MIMO4×4 и др.), ведь LTE — это скоростной стандарт.
В связи с ограниченной мощностью абонентских устройств (как и LTE) до 23дБм (200 мВт) передача сигнала в узкой полосе 15кГц позволяет значительно увеличить спектральную плотность сигнала. Соответственно, соотношение сигнал/шум будет наиболее эффективным в по сравнению с GSM/GPRS.
Дополнительно возможно формирование ресурсного юнита (Resource Unit — RU) из различных вариаций использования ресурсных элементов (RE). Из RU в свою очередь формируются так называемые транспортные блоки (Transport Block — TB), назначаемые пользователю.
В одном TB может быть от одного до десяти RU. При изменении качества сигнала NB может содержать в себе разное полезной информации.
Возможности NB-IoT
Для технологии определили ограниченные характеристики для того, чтобы можно было использовать её на базе уже существующих сотовых сетей.
Соответственно, применение таких ограничений и было призвано сократить накладные расходы на потребление энергии, размеры и, конечно, цену устройства.
Решение происходит только после приема всех повторенных сообщений.
Стандартом для сети определены три уровня (coverage level 0, 1 и 2). Количество повторов может задаваться индивидуально в широких пределах.
Стандартом предусмотрено три способа выделения частотного ресурса для :
Stand Alone — самый эффективный, но в то же время и самый затратный способ выделения ресурса. Выделяется канал шириной 200кГц (10+10кГц защитные диапазоны), плюс необходимо дополнительно выделить ресурс для исключения взаимных интерференций сигнала. В связи с этим общий частотный диапазон может расшириться от 300 до 600кГц, что довольно затратно, но в этом и есть преимущество данного метода.
In Band. Выбирается ресурс несущей внутри существующего LTE диапазона. Имеет воздействие на основной LTE диапазон повышенной мощности передачи на 6дБ. Хорошо подходит для экономии частотного ресурса.
Негативным моментом при этом становится ухудшение параметров внеполосных излучений LTE.
Скорость NB-IoT
многое унаследовала от LTE, а LTE считается скоростной технологией, поэтому нескромно будет поинтересоваться о скорости передаваемых данных.
IoT устройства позиционируются как компактные, энергоэффективные и автономные, соответственно, передача сообщений будет происходить редко и малыми объемами. Объем передаваемых данных в этих сообщениях также существенно мал. Исходя из этих данных, само понятие скорости передачи для сходит на «нет». Но мы можем кратко описать расчетные скорости при хороших условиях приема.
Скорость — это расчетное значение. устройство не может занять весь доступный частотный ресурс. Остальная часть распределяется на другие устройства, и она будет сильно зависеть от настроек мобильного оператора (coverage level, NPDCCH, NPDSCH, NPRACH и NPUSCH и др.). По итогу для Downlink скорость будет на уровне 25.2 кбит/с, а для Uplink на уровне 22.2 кбит/с в и 58.8 кбит/с для (Rel.13 3GPP)
В Rel.14 3GPP, согласно увеличенным размерам TB, скорость в Downlink и Uplink может превысить 100 кбит/с.
Стандарты NB-IoT
Первым документом, в котором стандарт получил отражение, стал Rel.13. Rel. 14 — это дальнейшее развитие технологии. Работы по проекту Rel.14 были завершены в июне 2017 года. Ряд производителей уже выпускают модемные модули и устройства на базе данного стандарта.
Давайте обозначим, что изменилось в Rel.14 по сравнению с Rel.13:
Новые свойства и функции:
Современное развитие сети
приверженности индустрии мобильной связи широкому кругу технологий на основе стандартов малой мощности (LPWA), основанных на стандартах 3GPP, проявляется резкий рост числа сетей, поддерживающих и () в мире.
Также проявляется значительный рост числа устройств, совместимых с NB1, и с недавнего времени выпуск чипсетов и модулей, совместимых с Rel. 14 (NB2).
Согласно информации Global Mobile Suppliers Association (GSA) и проведенному ими анализу состояния рынка связи, итоги к концу 3 квартала 2019 года следующие:
При этом распределение рынка устройств следующее:
С 2018 года в 3GPP уже идет работа над Rel.15! Планируется добавление частот B4, B14, B71, B72, B73, B74, B85.
Продукты на основе
Компания TELEOFIS преуспела в части проведения испытаний и выпуска коммерческого продукта на основе GSM/GPRS и технологий. В 2017 году при поддержке сотового оператора мы протестировали разработанное коммерческое устройство на базе уже существующей модели GSM/GPRS и представили рынку. Специально для созданного продукта установили отдельную Базовую Станцию (БС) возле нашего офиса. Это позволило наладить полноценный производственный процесс коммерческих изделий в самые сжатые сроки!
В данный момент TELEOFIS производит специализированное оборудование: Устройства сбора и передачи данных (УСПД)с импульсных приборов учета — RTU602, а также промышленные 3G роутеры RTU968 и 4G роутеры RTU1068, использующее данную технологию как дополнительный канал связи.
Сферы применения устройств на базе технологии передачи
Применение нового типа устройств или перевод текущих на новые стандарты связи позитивно сказываются на росте отраслей. Реализуются пилотные проекты, уже запланированы массовые внедрения устройств на базе технологии в регионах и крупных городах России.
Например, в сфере энергетики и коммунального хозяйства/ЖКХ применяется для организации удаленного сбора показаний, контроля и даже управления различными системами. К примеру, сбор и передача показаний квартирных счетчиков или мониторинг давления, реагирование и оповещение при внештатных ситуациях.
В сфере производства применяется для организации средств связи в системах обеспечения безопасности в помещениях (различные кнопки, датчики, системы оповещений), системах контроля климата в производственных помещениях, системах выявления протечек жидкостей и газов.
Технология беспроводной сотовой связи выглядит наиболее универсальной, мобильной и относительно дешевой для использования в различных отраслях. Широкий спектр сфер применения охватывает огромный рынок для разработчиков и поставщиков устройств, а уже развернутые сети позволяют быстро интегрировать устройства в новую или уже существующую системы, без необходимости построения собственной инфраструктуры, что существенно экономит затраты.
Адаптированная сеть и специальные модемные модули работают с высокой степенью энергоэффективности для автономных устройств и тем самым обеспечивают себе лидирующие позиции по сравнению с аналогичными GSM/GPRS устройствами.
Исходя из всех вышеперечисленных особенностей, технология имеет существенный вес среди других LPWA технологий и поддерживается крупнейшими игроками на рынке беспроводной связи.