Обзор NB-IoT-технологии в России. Новые перспективы и возможности для АИИС КУЭ(АСКУЭ) и «Интернета вещей (IoT)»
 
Стандарт NB-IoT был принят консорциумом 3GPP в 2016 году в Release 13 (LTE Advanced Pro). NB-IoT активно развивается благодаря российским и зарубежным мобильным операторам, поставщикам и вендорам оборудования, а также поставщикам сервисов. Развитие сетей NB-IoT ускоряет мировой тренд на миграцию IoT-оборудования из сетей 2G к 4G и постоянное снижение стоимости NB-IoT оборудования. В данной статье инженеры компании «ЕвроМобайл» разбираются в текущей ситуацией с NB-IoT-сетями в России и представляют модули NB-IoT от Gemalto/Thales.
Как NB-IoT пришел в Россию
В июне 2016 года консорциум 3GPP, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии, принял стандарт мобильной связи NB-IoT. Этот стандарт из семейства LPWAN изначально создавался с прицелом на длительную автономную работу устройств в мобильных сетях и низкие скорости передачи данных. Чем меньше устройство работает на прием/передачу данных, тем дольше оно проработает от одной батарейки. Основой для нового стандарта связи стали существующие мобильные технологии.
В декабре 2017 года на заседании Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) были определены полосы, доступные для использования радиоэлектронными средствами (РЭС) стандарта LTE и последующими его модификациями в режиме NB-IoT. С этого момента пошёл отсчёт истории стандарта NB-IoT в России.
Таблица 1. Частоты для NB-IoT в России, утвержденные ГКРЧ
Частота | Band | Тип дуплекса | Разнос частот | Мощность передатчика | Мощность передатчика |
453–457,4 МГц | B31 U/D | FDD | 300 кГц | 23 | 44 |
791–820 МГц | B5 | > 41 | |||
880–915 МГц | B8 D/U | 43 | |||
1710–1785 МГц | B3 U/D | 43 | |||
1920–1980 МГц | B1 U/D | 41 | |||
2500–2570 МГц | B7 U/D | 41 |
Сейчас с NB-IoT могут работать операторы мобильной связи, владеющие лицензией в указанных диапазонах.
Автономность, ёмкость и другие преимущества NB-IoT
У NB-IoT, по сравнению с другими сотовыми стандартами, несколько весомых преимуществ:
- Большой радиус действия и ёмкость сети. Базовая станция NB-IoT может обслуживать до 50 000 устройств, а это 1500 на каждый км?.
- Используется низкая частота. Это обеспечивает более качественное проникновение сигнала.
- Продолжительное время работы. Время автономной работы устройства от одной батарейки без замены может достигать 10 лет.
- Низкий расход энергии. Устройства NB-IoT передают очень малые объемы данных. К примеру, один счетчик за год может сгенерировать и отправить в заданные интервалы времени (например, 1 раз в месяц) всего 1 МБ данных. Остальное время устройство будет «спать».
- Стандарт занимает 200 кГц спектра. Сеть может быть развернута:
- внутри основной полосы благодаря свободным ресурсным блокам LTE
- вне основной полосы, между соседними несущими LTE или в свободном участке спектра GSM. Операторы таким образом получают возможность использовать как можно больше функций уже имеющихся в LTE - Технология активно развивается. В скором времени ожидается публикация 3GPP второго релиза NB-IoT (Rel.14). Сейчас используется Rel.13. А в разработке находится уже 17 релиз. В связи с этим постепенно появляются и NB-IoT-модули, работающие с новыми спецификациями.
Модули для NB-IoT в России
Компания Gemalto (входит в группу Thales) – лидирующий производитель модулей сотовой связи с 1996 года. Выпустила первый в мире GSM-модем Cinterion, первый в мире модуль с поддержкой LTE Cat. 1. На сегодняшний день более 100 000 000 модулей Cinterion работает в различных устройствах интернета вещей. Основной вектор развития компании лежит в сетях LTE. В основе разработки новых продуктов компания придерживается двух принципов:
- разработка модулей с высокой передачей данных. В портфеле компании есть модули LTE Cat. 6 и Cat. 16 с поддержкой скорости до 300 Мбит/с и до 1 Гбит/с соответственно
- разработка низкоскоростных, но энергоэффективных модулей для интернета вещей с поддержкой LTE Cat. 1, LTE Cat. NB1, LTE Cat. NB2, LTE Cat. M1 и LTE Cat. M2.
Именно эти модули и будут представлены ниже.
Серийный модуль ENS22-E
ENS22 полностью совместим с 2G-3G-LTE-модулями Gemalto, это даёт возможность производителю переходить на другие технологии без принципиального изменения платы с сохранением технологического процесса. Модуль оснащён всеми необходимыми интерфейсами: GPIO, UART, I?C, SPI.
Cinterion ENS22 отличается наличием усовершенствованной системы управления питанием, что значительно повышает его энергоэффективность и делает идеальным для решений с батарейным питанием (продолжительность работы на одной батарее – до 10-15 лет). В режиме PSM (Power Saving Mode, PSM – режим работы устройства сотовой связи, аналогичный отключению питания, при котором устройство остается зарегистрированным в сети) модуль потребляет всего 3 микроАмпера.
Отличительные особенности
- Incremental FOTA - частичное обновление программного обеспечения через специализированный сервер по воздуху). DFOTA вносит только необходимые изменения без необходимости смены встроенного ПО полностью, это сокращает потребляемый трафик, экономит заряд батареи и ускорят сам процесс обновления
- использование новейшего чипсета Hi-Silicon
- специальные расширенные режимы энергосбережения:
- PSM (Power Saving Mode),
- eDRX (Extended DRX) - расширенный режим прерывистого приёма (мониторинг сети на предмет поиска сообщений пейджинга - возможность установки внутри модуля СИМ-чипа с поддержкой удаленной загрузки профиля оператора
- поддержка протоколов LightWeight M2M
- встроенный IP стек.
Таблица 2. Технические характеристики NB-IoT-модуля ENS22-E
Частотный диапазон, МГц | LTE Cat. NB1 (HD-FDD) 3GPP Release 13/14: |
Управление | AT команды (3GPP 27.007 & 27.005) |
Скорость передачи данных | DL/UL до 27 кбит/с/63 кбит/с |
IP-сервисы | UDP, DTLS, CoAP, non-IP, Ping, IPv4, IPv6, TCP |
Интерфейсы | Площадка для LTE-антенны |
Питание, В | 3,1...4,2 |
Диапазон рабочих температур | -40°C...+85°C |
Размеры, мм | 27.6 x 18.8 x 2.7 |
Модуль работает с различными облачными платформами и используется в решениях, где требуется передавать только данные. К таким сценариям использования относятся: ЖКХ (счетчики), системы умного города (уличное освещение, парковки).
EXS62/EXS82
Это модули, выполненные на базе современного чипсета Qualcomm, имеют такой же форм-факт, что и у ENS22 (NB-IoT), BGS2 (2G), ENS5 (3G).
Основной отличительной особенностью этих модулей является поддержка нескольких технологий связи: LTE Cat. M1, Cat. NB1, Cat. NB2, 2G (EXS82). Пока сети NB-IoT в России не развёрнуты на полную силу, переход на 2G является очень актуальной опцией.
Оба модуля также, как и ENS22, поддерживают режимы энергопотребления PSM и eDRX, что позволяет увеличить работу устройств от одной батареи до 10 лет. Помимо этого, модули оснащены встроенной ГНСС-функцией (поддержка GPS/BeiDou/Galileo/ГЛОНАСС), что позволяет сразу реализовывать решения, где требуется навигация и определение местоположения. EXS62/EXS82 поддерживают все современные протоколы шифрования, это обеспечивает безопасную передачу данных и имеют встроенное защищённое хранилище ключей шифрования. Так же, как и ENS22 модули EXS82/62 поддерживают современные протоколы интернета вещей LightWeight M2M и обновление прошивки по частям (iFOTA).
EXS62/EXS82 предназначены для работы в компактных устройствах с батарейным питанием, например, умные счетчики, устройства мониторинга, датчики влажности, температуры, состава воздуха и почвы, датчики парковки, освещения, медицинская электроника, маяки, автомобильные закладки, и т.д.
Таблица 3. Технические характеристики NB-IoT-модулей EXS62/EXS82
Частотный диапазон, МГц | GSM: 850/900/1800/1900 |
Скорость передачи данных | LTE Cat.M1 DL: до 300 кбит/с, UL: до 350 кбит/с |
ГНСС | GPS/BeiDou/Galileo/ГЛОНАСС |
Интерфейсы | SMT-LGA 114 площадок |
Обновление | по интерфейсу/OTA/incremental FOTA |
Питание, В | LTE и GSM: 3.0…4.5 |
Диапазон рабочих температур | -40°C…+85°C |
Размеры, мм | 27,6 x 18,8 x 2,17 |
Вес, г | 3,5 |
Помимо этих модулей, компания Gemalto/Thales анонсировала скорый выход модулей сверхминиатюрного форм-фактора: 16 х 16 мм.
Gemalto является мировым лидером по защите и обеспечению безопасности данных, поэтому стоит подробнее остановиться о тех мерах защиты, которые применяются в модулях Thales/Gemalto:
- встроенные протоколы шифрования TLS и DTLS позволяют работать с облачными платформами
- Jamming Detection – функция определения глушения сигнала
- защита прошивки благодаря:
- зашифрованному файлу образа прошивки
- защищённая загрузка
- защищённое обновление FOTA - поддержка сервисов от Gemalto:
- хранение ключей шифрования
- обновление ключей шифрования непосредственно на модуле - возможность хранения сертификатов для облачной интеграции
- возможность использования сим-чипа в качестве защищённого хранилища данных.
Линейка IoT-модулей Gemalto:
Начиная с 2011 года, компания Gemalto выпускает модули в едином стандартном форма-факторе, тем самым разработчики и производители могут, сохраняя размер платы, переходить с одной технологии на другую. С 2020 года в линейку вводится новый форм-фактор 16х16 мм и уже существует концепт модуля 16х16 с поддержкой «только NB-IoT».
Компания «ЕвроМобайл» как официальный дистрибьютор Gemalto/Thales в России и странах СНГ осуществляет техническую поддержку на всех этапах разработки продукта, подбирает решение под любую задачу, оказывает помощь в схемотехнике, проводит обучающие вебинары по продукции Gemalto. Для тестирования модулей доступны для заказа платы разработчика.
Как NB-IoT внедряется в России
В России используется два сценария развертывания NB-IoT:
- Внутри LTE (есть внутри 900 МГц)
- Guard Band.
Самый распространенный спектр – Guard Band. С края своего спектра операторы выставляют несущую частоту для NB-IoT модулей. Это значит, что для NB-IoT выделяется 200 кГц. Российские операторы активно разворачивают сети NB-IoT. Но не все из них запустили коммерческие сервисы.
Примечательно, что большинству оборудования NB-IoT достаточно 12 мегабайт на год. К примеру, у МТС максимально достижимая скорость передачи в исходящем направлении не более 159 Кбит/с, что более чем достаточно для данного стандарта.
Недавно оператор МТС представил платформу для работы с IoT-оборудованием. SaaS-решение «IoT.Платформа» обеспечивает:
- онлайн-доступ к IoT-устройствам
- автоматический сбор данных с датчиков
- оповещения об аварийных ситуациях.
В платформу интегрировано более 10 тысяч моделей устройств. Емкость платформы рассчитана на одновременное подключение более 1 миллиона устройств с последующим горизонтальным расширением емкости.
Взаимодействие с устройствами происходит по протоколам MQTT и LWM2M. Если ваши устройства поддерживают другие протоколы, они могут быть добавлены сотовым оператором с помощью адаптера протоколов, который разрабатывается индивидуально для каждого типа устройств.
Таблица 5. Предназначение протоколов решения IoT.Платформа*
MQTT v.3.1.1 | LWM2M (CoAP) | |
Транспортный протокол | TCP | UDP |
Шифрование | TLS | DTLS |
Тип подключения | 2G/3G/LTE/ | NB-IoT |
Назначение | Для устройств, работающих от постоянного источника питания | Для устройств, работающих от батарейки |
NB-IoT сулят быстрый прирост
В 2018 году, по оценкам Berg Insight, объем поставок устройств с поддержкой NB-IoT во всем мире достиг 53 млн единиц. Уже в 2019 году этот показатель вырастет до 142 млн единиц. Развитие сетей NB-IoT ускоряет мировой тренд на миграцию IoT-оборудования из сетей 2G к 4G. Также эксперты говорят о другом факторе роста рынка NB-IoT – о постоянном снижении стоимости NB-IoT оборудования.
Уже к 2025 году объем рынка решений NB-IoT достигнет $6 млрд к 2025 году, полагают аналитики Grand View Research. NB-IoT идеально подходит для мониторинга активов, персонала, сервисов умного города, что и обусловит востребованность технологии в этих сегментах.
Недавно Андрей Колесников, директор Ассоциации интернета вещей, на Пиринговом форуме озвучил цифры по рынку IoT в России по итогам 2019 г.: «В целом рынок IoT вырос на 9%, хотя прогноз нашей ассоциации был 14-15%. Мы делали прогнозы, ориентируясь на доступность технологий. А делать их надо на основе экономической ситуации. Невысокий рост обусловлен проблемами не с технологией, а в целом с экономикой. Впереди, как всегда, транспорт и логистика - 12% роста, - достаточно уверенно. Хорошо идут транспорт, логистика, маркировка (ЦРПТ, «Честный знак») и прослеживаемость. Потихоньку идут энергетика, ЖКХ, муниципальные услуги - IoT там внедряется, но не быстро, потому что это тяжелая, вязкая среда для ведения бизнеса. Со скрипом - добывающая промышленность и переработка. Мы надеялись, что промышленный интернет вещей - бери, да делай, - нет, медленно идет все. Цикл продаж, внедрения простого продукта там - от восьми месяцев. Совсем не идет медицина и ритейл. В медицине, с точки зрения законодательного регулирования, сейчас много делается. Это правильно, но с точки зрения доступных приложений, чтобы доктор за нами следил, - пока этого нет. Ритейл выстроил всю логистику, она работает прекрасно, как часы, - доставка, склады. А с точки зрения в магазине - там ничего нет».
Можно с уверенностью сказать, что данная технология будет применяться в АИИС КУЭ(АСКУЭ) и в «Интернете вещей (IoT)».
Автор: Александр Бутусов
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.