Технология NB-IoT для создания Умного дома

В эпоху взрывного развития «интернета вещей» для функционирования connected экосистем создаются различные технологии, стандарты и протоколы. Один из них — NB-IoT, или Narrow Band Internet of things, разрабатываемый Консорциумом 3GPP. Первая готовая ко внедрению версия спецификации представлена публике в 2016 году и продолжает интенсивно развиваться.

Что такое NB-IoT

Рассматриваемая технология относится к семейству стандартов связи LPWAN (Low-Power WAN) и основана на LTE. NB IoT предназначается для стационарного оборудования с малыми объемами передачи данных, низким энергопотреблением. Согласно утверждениям разработчиков стандарта, время работы одного NB-IoT устройства от батареек составит до 10 лет. Скорость трансляции данных между элементами сети — до 250 Кбит/с, дальность — до 3 км и выше.

Наглядное сравнение беспроводных технологий с точки зрения энергоэффективности и дальности действия:

Технология внедряется операторами сотовой связи и вендорами оборудования мобильных сетей. Название Narrow-Band («узкополосный») указывает, что NB-IoT использует менее широкий частотный канал, чем LTE: новый протокол работает на канале шириной всего 200 килогерц. Допускается как его использование на существующем оборудовании LTE, так и без привязки к действующим сотовым сетям.

Протокол проектировался для обеспечения функционирования «интернета вещей» и учитывает потребности этой развивающейся сферы:

• высокая чувствительность приемника/передатчика к модуляции сигнала, благодаря чему в сети могут работать десятки и сотни тысяч устройств;
• передатчик может быть маломощным и (в последних реализациях) не требует сим-карты, что обеспечивает исчисляющийся годами срок работы от батарейки.

В январе 2018 г. ГКРЧ разрешила российским операторам «большой четверки» использование ряда частот для NB-IoT (подробнее об этом будет рассказано далее). Операторы могут сэкономить на инфраструктуре, используя имеющиеся GSM-сети, хотя для такого вещания может потребоваться модернизация оборудования базовых станций.

Для чего это нужно

Само название говорит, что технология относится к «интернету вещей». Она позволяет объединить в сеть различные стационарные устройства, с которых нужно периодически считывать информацию и/или отправлять на них команды. К таковым относятся, например, счетчики воды, показания которых будут считываться в автоматическом режиме и отправляться в биллинг управляющей компании, также новые электросчетчики с дистанционным сбором данных, всевозможные датчики, системы мониторинга и прочее, вплоть до часов и собачьих ошейников.

Основная ниша применения — межмашинное взаимодействие (М2М) между низкоскоростными устройствами с небольшими объемами транслируемой информации, для которых критично малое энергопотребление и стабильная передача. К M2M-технологиям предъявляются следующие основные требования;

• дешевизна и простота клиентских терминалов;
• долгая автономная работа (от батареек или аккумуляторов);
• большое число абонентов на одну соту сети;
• высокая безопасность передаваемой информации;
• расширенная зона покрытия;
• передача небольших пакетов, не боящихся некритичных задержек.

NB-IoT соответствует всем этим параметрам. Ориентировочная цена терминала составляет всего 5 USD (в среднем около 650 рублей за комплект из чипа и обвязки), а количество обслуживаемых сотой устройств может достигать 100 тысяч и выше.

Заявленная «дальнобойность» одного базового узла NB-IoT сети — до 15 км в условиях сельской местности. Эффективная дальность устойчивого приема меньше, в городе ее оценивают в 2–5 км. Хотя в 2018 г. в Австралии путем усовершенствования ПО базовой станции добились чтения телеметрии с NB-IoT датчика на расстоянии в 100 км.

Формы реализации сети

Существует три варианта развертывания NB-IoT сети:

• автономный (режим standalone). Используется отдельный от LTE частотный спектр;
• на защитной полосе частот LTE (режим Guard-Band);
• внутриполосный (так называемый In-Band), когда сигнал NB-IoT находится в одном с LTE диапазоне.

Таким образом, сеть NB IoT может быть создана и отдельной сущностью, и каналом внутри существующей сотовой структуры.

Преимущества и недостатки

Достоинства стандарта:

• низкая стоимость модуля;
• длительная работа снабженного им устройства от батарей (заявлено до 10 лет);
• улучшающая прием оптимизация модуляции сигнала;
• предусмотрен отказ от физической SIM-карты. В 2016 году был принят стандарт eSIM, интегрирующий весь функционал модуля идентификации в микросхему приемопередатчика;
• большая емкость сети (до 1500 модулей на кв. км) и радиус действия;
• низкая частота, за счет которой достигается хорошее проникновение несущего сигнала;
• возможность работать на существующей LTE-инфраструктуре благодаря 200-КГц спектру;
• защищенность передаваемой информации;
• активное развитие технологии.

Недостатки решения вытекают из его достоинств:

• многие NB-IoT устройства большую часть времени работают в режиме энергосбережения и недоступны для сервера. Это может приводить к задержкам передачи данных;
• нет поддержки мобильности (хотя в новых версиях спецификации эта проблема решается);
• малая скорость передачи, не подходящая для трансфера больших объемов данных. Для мультимедиа технология не годится.

Кроме того, выпущенные до 2015 года базовые станции протокол не поддерживают и нуждаются в модернизации.

NB-IoT в России

В РФ для протокола выделены следующие полосы частот:

В марте 2017 компания «Мегафон» в тестовом режиме развернула сеть NB-IoT. В сентябре 2018 оператор «Билайн» запустил первый облачный проект учета электроэнергии на базе протокола и счетчиков с его поддержкой. К июню 2019 компания активировала в Москве свыше 2500 базовых станций «интернета вещей» в диапазоне 1800 МГц.

В декабре 2019 компания МТС IoT запустила собственную сеть и предлагает корпоративным клиентам тариф «IoT-сеть». В его рамках дается возможность сбора сведений с контрольно-измерительных устройств. Предложение действует по всей России.

Выводы

Можно сказать, что NB-IoT — перспективная технология, объединяющая лучшее из миров сотовой связи и «интернета вещей». Несмотря на относительную молодость, она активно развивается, а различные компании уже сейчас предлагают решения в IoT-сфере с ее применением. Способствует внедрению и развитию и официальное получение лицензированного набора частот — которое также демонстрирует определенное видение перспектив стандарта и технологии со стороны регулятора.

С учетом того, что рынок «умных» connected-устройств продолжает расти — на конец 2019 только в РФ аналитики оценивали число IoT-гаджетов в районе 19.5 млн сим-карт — спрос на дешевое и функциональное решение будет только увеличиваться, а технология идти в ногу и совершенствоваться, охватывая новые сферы.

Видео по теме