NB-IoT: возможности распределенных облаков, или Создание облачных элементов на краю сети 4G

Connect WIT, 20 октября 2017

В журнале Сonnect WIT опубликована статья «NB-IoT: возможности распределенных облаков, или Создание облачных элементов на краю сети 4G».

Сегодня активно развиваются системы различного назначения с возможностью удаленного доступа к ним в целях мониторинга, контроля и управления — Интернет вещей (IoT).

Один из перспективных стандартов связи, который обеспечивает бурное развитие IoT — NB-IoT. Автор статьи рассказывает о его особенностях и преимуществах. В качестве примеров отечественной реализации приводятся разработки «АстроСофт» — программный комплекс на основе SDR, способный обеспечить беспроводную связь между конечными устройствами IoT и интернет-брокером, и операционная система реального времени МАКС.

---

В настоящее время активно развиваются системы различного назначения с возможностью удаленного доступа к ним в целях мониторинга, контроля и управления – Интернет вещей IoT (Internet of Things). В Intel подсчитали, что десятилетие назад было только 2 млрд устройств, связанных с беспроводным миром, а к 2020-му, по оценке IDC, количество подключенных устройств достигнет 200 млрд. Для работы облака Интернета вещей требуется множество компонентов: линии связи, сетевые шлюзы, маршрутизаторы. Одним из перспективных стандартов связи, которые обеспечивают бурное развитие IoT, является NB-IoT. Рассмотрим его особенности и преимущества.

NB-IoT (NarrowBand Internet of Things) – стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с малыми объемами обмена данными – создан консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project) в рамках работ над стандартами сотовых сетей нового поколения. Первая рабочая версия спецификации была представлена в июне 2016 г. [1]. Передача данных IoT осуществляется по технологии, известной как энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия (Low-Power and Wide-Area – LPWA) с использованием существующей инфраструктуры оператора. Помимо NB-IoT активно развиваются и другие сети LPWAN: LoRa Alliance, Sigfox, Ingenu. Однако многие специалисты признают, что NB-IoT – наиболее подходящее решение LPWA для предприятий различных отраслей, позволяющее подключать к сети оператора счетчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одна из особенностей технологии – подключение к базовой станции до 100 тыс. устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. Подключение около 50 тыс. устройств к базовой станции и плотность в 1,5 тыс. домохозяйств на квадратный километр дают возможность внутри каждого из них подключить по 40 устройств. Использование низкочастотного диапазона обеспечит покрытием и труднодоступные места: цокольные помещения, подвалы и т. д. Еще одно достоинство нового стандарта – низкое энергопотребление, что увеличивает продолжительность работы устройств без подзарядки аккумулятора, по предварительным оценкам, до десяти лет.

Андрей КАРПЕНКОВ, к. т. н., заведующий кафедрой «Автоматика и управление», ФГБОУ ВО «КГТА им. Дегтярева»

Согласно Программе «Цифровая экономика» будет разработана концепция развития сетей узкополосной связи стандарта LPWAN для сбора телеметрической информации в городах с территорий более 100 км² [2]. Также будут определены потребности в услугах, подходы к созданию и использованию сети LPWAN.

В III квартале 2018 г. будет проведено планирование сетей узкополосной связи по технологии LPWAN, определен порядок их создания и развертывания. К III кварталу 2019 г. сети связи LPWAN будут внедрены в первых пяти городах с численностью населения более 1 млн человек, причем на сетях будет применяться отечественное оборудование. До конца 2022 г. сети LPWAN, использующие отечественное оборудование, будут внедрены во всех городах России с территорией более 100 км², а к концу 2024 г. обеспечено повсеместное внедрение сетей LPWAN в малых городах и поселках городского типа, а также вдоль федеральных автомобильных и железнодорожных магистралей.

Существуют три технологических варианта развертывания NB-IoT (рис. 1):

• «внутри полосы» – внутри существующего LTE-спектра, используемого для предоставления мобильных широкополосных (MBB) услуг;
• «защищенная полоса» – сеть развертывается за счет использования спектра по краям существующих LTE в неиспользованной части спектра между частотными диапазонами;
• «автономное развертывание» – используется отдельно выделенный спектр или совокупность различных выделенных базовых станций специально для LTE и MBB.

Рис. 1. Варианты развертывания NB-IoT: а – внутри полосы; б – защищенная полоса; в – автономное развертывание

Следует отметить, что оптимизация бюджета линии для NB-IoT по сравнению со стандартом GSM (до 164 дБ, NB-IoT на 20 дБ лучше GSM) обеспечивается в диапазоне частот ниже 1 ГГц, поэтому маловероятно, что стандарт будет использоваться в диапазонах частот выше 1 ГГц. Для прогнозируемой нагрузки в городе потребности в спектре для развертывания сети составляют от 0 (при работе в канале LTE) до 2–3 МГц (в случае работы на отдельных частотах до пяти операторов).

Основные технологические преимущества NB-IoT:

• ширина радиоканала выбирается равной ширине радиоблока технологии LTE – 180 кГц для абонентского оборудования в линии как вниз, так и вверх;
• применение OFDMA-доступа в линии вниз с разносом поднесущих 15 кГц (для нормального циклического префикса CP) либо с разносом 3,75 кГц (для режима МВВ);
• использование в линии вверх двух режимов: FDMA-доступа с GMSK-модуляцией и SCFDMA-доступа с одночастотной несущей (включая однотоновую передачу как специальный вид SC-FDMA);
• применение одной опорной несущей для синхронизации при различных режимах работы, включая решение для совмещения с традиционными LTE-сигналами;
• использование для технологии NB-IoT существующих процедур и протоколов стандарта LTE: MAC, RLC, PDCP и RRC, а также процедур оптимизации, поддерживающих выбранный физический уровень;
• применение улучшенного S1-интерфейса к базовой сети CN и связанных радиопротоколов, определяющих системные аспекты, такие как снижение трафика сигнализации при передаче небольших объемов данных от устройств NB-IoT;
• использование оценок канала, которые основываются на потребляемой мощности, задержке и пропускной способности, – их предполагается задействовать в Gb-интерфейсе к базовой сети.

Как и LTE, сеть NB-IoT использует два основных состояния протокола управления радиоресурсами RRC: RRC_Idle (ожидание) и RRC_Connected (соединение). В режиме ожидания RRC_Idle устройства экономят энергию, а также радиоресурсы, которые будут использованы для передачи отчетов об измерениях и опорных (референсных) сигналов в линии вверх, а в режиме соединения RRC_Connected абонентские устройства получают или передают данные напрямую. Помимо этого стандарт NB-IoT регламентирует работу устройств в расширенном режиме прерывистого приема (eDRX) и в режиме экономии энергии (PSM). Режим прерывистого приема (DRX) представляет собой процесс обмена данными через сети и устройства, когда устройства могут находиться в спящем режиме или в режимах RRC_Idle и RRC_Connected. Максимальный цикл прерывистого приема DRX равен 10,24 с.

Рис. 2. Архитектура построения радиосистем: а – традиционная; б – SDR

Развертывание NB-IoT в полосах частот 700, 800 и 900 МГц – оптимальный вариант, поскольку они уже имеют большую установленную базу. Для мобильных операторов, работающих с GSM 900 МГц или LTE 800 МГц, необходимы относительно небольшие вложения, чтобы быстро развернуть NB-IoT. Как правило, все сводится лишь к обновлению программного обеспечения.

На ближайшем заседании Государственной комиссии по радио частотам (ГКРЧ) будет рассмотрен вопрос о выделении АО «ГЛОНАСС» частот для строительства сети LPWAN в диапазоне 800 МГц [3].

Одна из наиболее перспективных технологий для построения систем IoT, работающих в сетях NB-IoT, – Software Defined Radio (SDR). Архитектура построения радиомодемов приведена на рис. 2. Здесь хорошо видно, что SDR позволяет унифицировать аппаратную составляющую и, следовательно, уменьшить стоимость единицы продукта IoT за счет эффекта масштаба. Еще одно преимущество систем IoT, построенных по технологии SDR, – увеличенный жизненный цикл изделия благодаря переносу большей части системы в программную область (рис. 3).

Рис. 3. Архитектура системы IoT, построенной с использованием технологии SDR

В качестве примера отечественной реализации данной технологии можно привести разработку компании «АстроСофт» – программный комплекс на основе SDR, способный обеспечить беспроводную связь между конечными устройствами IoT и интернет-брокером. Применение технологии SDR позволяет создавать беспроводные ячеистые сети (mesh networks) для увеличения дальности и надежности связи, уменьшения энергопотребления, выполнять интеграцию с другими сетями связи и повышать скорость передачи данных. Разработка отличается высокой помехозащищенностью. Одна из проблем современных систем IoT – безопасность. По оценке компании Hewlett-Packard, свыше 70% устройств Интернета вещей имеют уязвимости, при этом у 60% из них небезопасный веб-интерфейс. Большей части доступны такие данные о своих владельцах, как адрес, e-mail и даже банковский счет. Нередко это связано с тем, что производители, стремясь снизить издержки, существенно экономят на обеспечении безопасности. В свою очередь, фирмы-поставщики дешевых IoT-систем игнорируют включение в свои продукты средств защиты, поскольку, по их оценкам, для большинства пользователей низкая стоимость гораздо важнее. Еще одна проблема, усугубляющая предыдущую, заключается в том, что разработчики не обладают опытом в области встроенных систем или компетентны в данной сфере, но не имеют опыта разработки устройств ультрамалой мощности или облачных коммуникаций. Одно из решений проблем – использование специализированной операционной системы реального времени (ОСРВ) для Интернета вещей. IoT-системы, построенные с ее применением, будут обладать большими преимуществами и гибкостью по сравнению с IoT-системами, построенными с использованием жесткой логики.

При использовании ОСРВ применение встроенных графических интерфейсов будет снижаться по мере подключения устройств к смартфонам и сетевому оборудованию в качестве средства взаимодействия с пользователем и USB-подключение перестанет быть безальтернативным. Поддержка различных видов связи и продвинутое управление энергопотреблением – существенные преимущества такого подхода.

Рис. 4. Прогноз доходов сотовых операторов от подключения NB IoT-устройств в Германии на пять лет, млн долл.

Для разработки конечных устройств IoT может быть использована отечественная операционная система реального времени МАКС. Ее особенность – мультиагентность, которая обеспечивает взаимодействие нескольких устройств Интернета вещей, необходимое для построения комплексных систем IoT. Ввод и вывод устройств из сети происходят безболезненно и автоматически. Сеть сама определяет, какое устройство в ней появилось и как его задействовать. Пользователю остается лишь приобрести и включить необходимые для его задач устройства. Используемая в данной ОСРВ концепция распределенной общей памяти позволяет упростить программирование: разработчик обеспечивает выполнение несложных действий с памятью (запись, чтение), а операционная система берет на себя обеспечение консистентности этих данных на всех узлах системы, организуя обмен данными и самостоятельно справляясь с возможными сбоями в узлах или каналах связи. По словам руководителя департамента ИТ и облачных сервисов J'son & Partners Сonsulting Александра Герасимова, в России пока нет IoT, а есть распределенные системы телеметрии, которые развиваются уже много лет темпами 20–25% в год по количеству подключенных устройств, которых сейчас насчитывается около 16 млн.

По мнению представителей Huawei, наибольший потенциал для NB-IoT-сервисов может быть реализован в первую очередь в таких отраслях, как сельское хозяйство, здравоохранение, системы обеспечения безопасности, транспорт, логистика, промышленное производство, «умные» города, «умные» дома, розничная торговля.

Расчеты Huawei показывают, что только в Германии за ближайшую пятилетку NB-IoT принесет 1,67 млрд долл. (рис. 4). Прогнозы Huawei основаны на анализе различных вариантов использования NB-IoT-приложений, которые могут быть развернуты в разных отраслях. Модель в настоящее время предусматривает более 50 вариантов применения, включая интеллектуальные датчики (на электричество, газ, воду), управление объектами, системы охранной и пожарной сигнализации для дома и коммерческой недвижимости, персональные датчики «электронного здоровья», системы отслеживания людей, животных или предметов, элементы инфраструктуры «умного» города (например, уличные лампы или мусорные контейнеры, подключенные промышленные инструменты и т. п.).

В заключение следует еще раз подчеркнуть, что NB-IoT открывает новое поле деятельности для операторов, инвестировать в него нужно уже сегодня, чтобы вовремя занять долю на этом перспективном рынке.

Литература

1. Standardization of NBIOT completed // The 3rd Generation Partnership Project. 2016. URL: http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1785-nb_iot_complete (дата обращения: 09.09.2017).
2. Распоряжение Правительства РФ от 28.07.2017 № 1632-р «Об утверждении программы «Цифровая экономика» // Правительство России. 2017. URL: http://government.ru/docs/28653/ (дата обращения: 09.09.2017).
3. Кантышев П., Седов К., Серьгина Е. Частоты для своих вещей // Ведомости. № 4384. 14.08. 2017.

Автор: Андрей Карпенков

	Электронная версия статьи
	Печатная версия статьи в журнале