Стандарт NB-IoT: применение и перспективы

№ 3’2019
PDF версия
Сегодня среди производителей М2М-оборудования мало найдется тех, кто еще не слышал о LPWA-технологии стандарта NB-IoT, однако не все до конца понимают ее преимущества перед «классическим» GSM/GPRS и ее пользу в абсолютном смысле. Представитель производителя модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions Батор Батуев обсудил ряд вопросов в рамках этой темы с экспертом Департамента коммутационной сети и сервисов компании «Мобильные ТелеСистемы» (далее — МТС) Алексеем Лапшиным и попробовал оценить грядущие перемены на М2М-рынке в связи с внедрением NB-IoT. Почему конечному потребителю будет интересна новая технология, по какой причине ее надо внедрять, что нового она приносит и какие сложности возможны на пути к ее полноценному применению — эти и другие аспекты будут освещены в приведенной беседе.
Эволюционная развилка технологий беспроводной связи

Рис. 1. Эволюционная развилка технологий

— Алексей, начну с общего и одновременно важного вопроса о дальнейшей трансформации рынка М2М-устройств. При этом хотелось бы обратить внимание на следующие моменты.

По сей день М2М-устройства эксплуатируют технологии 2G, 3G и 4G, созданные в основном для удовлетворения потребительских нужд. Но с появлением 13-го релиза стандарта 3GPP, кажется, рынок телекоммуникационного оборудования разделили на два кластера устройств (рис. 1):

  • eMBB (Enhanced Mobile Broadband) — широкополосные, высокоскоростные, производительные и дорогие (4G/LTE-A/5G), в основном для потребителей;
  • mMTC (Massive Machine Type Communication) — узкополосные, низкоскоростные и недорогие устройства с ультранизким потреблением (NB-IoT и LTE-M), для IoT.

Кроме того, из исследований [1] известно, что многие операторы в мире уже анонсировали вывод из эксплуатации сетей 2G и 3G к 2025 году. В соответствии с исследованиями к указанному сроку 45% подключений придется на NB-IoT, 39% — на 4G/LTE-A, 10% — на 5G и 6% — на LTE-M.

Таблица. Прогноз количества подключений к сети сотовой связи к 2025 в мире

Количество подключений

2018 год

2025 год

2G

42%

0%

3G

22%

0%

NB-IoT

4%

45%

LTE-M

1%

6%

4G

31%

39%

5G

0%

10%

Батор Батуев, представитель производителя модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions

Батор Батуев,
представитель производителя модулей сотовой связи SIMCom Wireless Solutions

Расскажите о своем видении применимости технологий 2G/3G/4G/LTE-A/NB-IoT/LTE-M в будущем.

— Я тоже разделю ответ на две части. С точки зрения массового потребителя рано говорить об отказе от 2G в обозримом будущем. Сейчас у нас порядка трети абонентов пользуются только сетями 2G. Это несмотря на то, что и МТС, и наши коллеги по рынку уже интенсивно тестируют 5G. Одновременно растет потребность в высокой скорости передачи данных и емкости сетей. Таким образом, в обозримом будущем в нашей стране, скорее всего, по-прежнему будут сосуществовать сети всех сегодняшних стандартов плюс 5G.

Как вы понимаете, стремительный рост трафика вызовут в первую очередь не пользователи, а устройства. Именно «Интернет вещей» — основной драйвер развития новых стандартов связи. Для сегмента LPWAN МТС приоритетным направлением выбрал стандарт NB-IoT. Его преимущества: энергоэффективность — устройства могут работать до 10 лет без подзарядки, высокая емкость сети — на базовую станцию NB-IoT можно подключить в 50 раз больше устройств, чем на обычную базовую станцию 4G, относительная дешевизна датчиков и многое другое. Мы первыми в стране запустили федеральную сеть NB-IoТ: она работает более чем в 60 регионах страны. Мы понимаем, что уже сейчас к сети подсоединено несколько миллионов устройств — и все через разные технологии: 2G, 3G, 4G, WI-FI и NB-IoT. Поэтому мы запустили IoT-платформу, которая позволяет все датчики объединить в единую систему с удобным интерфейсом. И разработали специальные тарифы для разных типов устройств.

МТС будет следовать тенденциям мирового рынка. И конечно, в долгосрочной перспективе сети 2G/3G должны уступить место новым технологиям, поскольку они эффективнее и удобнее. Но пока сложно сказать, когда это произойдет.

 

— Сегодня в массово выпускаемом телекоммуникационном оборудовании М2М в подавляющем числе случаев используются модули сотовой связи поколения 2G, такие как SIM800C (GSM/GPRS-модуль) или SIM868E (GSM/GPRS-модуль + приемник ГЛОНАСС/GPS). Также на базе 3G-модулей находится в эксплуатации немалое количество устройств под государственные проекты, например ЭРА-ГЛОНАСС и «Платон».

Алексей Лапшин, эксперт Департамента коммутационной сети и сервисов компании «Мобильные ТелеСистемы»

Алексей Лапшин,
эксперт Департамента коммутационной сети и сервисов компании «Мобильные ТелеСистемы»

Верно ли, что рано или поздно отечественным разработчикам М2М-оборудования придется отказаться от 2G/3G и перейти либо на 4G/LTE-A/5G, либо на LPWA? При этом как быть текущим пользователям устройств на базе 2G- и 3G-модулей без покрытия сети? Или же допускается бессрочное существование 2G/3G-сетей?

— Конечно, как вы сами отметили в предыдущем вопросе, в будущем сети 2G/3G планируется вывести из эксплуатации. При этом деградация сетей 3G, скорее всего, будет опережать по темпам сети 2G.

 

— Если верить исследованиям международных консалтинговых компаний, со временем число UE (User Equipment — абонентское устройство) в сети будет прирастать с геометрической прогрессией. И это будет происходить за счет не людей, а устройств, систем и гаджетов, которыми люди себя окружат, чтобы улучшить качество жизни. Операторы, должно быть, первыми встретятся лицом к лицу с проблемой масштабируемости, когда ресурсов сети будет, возможно, не хватать.

Скажите, чувствуется ли сегодня, что технология GPRS ведет к истощению имеющихся у операторов ресурсов? Есть ли у NB-IoT преимущество в этом смысле перед GPRS? Или GPRS не имеет границ и тут проблемы не предвидятся?

— GPRS не является самостоятельной технологией, она базируется на GSM (2G), у которой основное предназначение — голосовые сервисы. Поэтому пока есть потребность в GSM, технология GPRS не особенно накладна. Тем не менее увеличение емкости сети сейчас — действительно наша ключевая задача. C 2015 года только в Москве объемы трафика выросли в пять раз. К 2025 году мы ожидаем рост в четыре раза в сетях 4G и в семь раз — в 5G. Мы работаем в нескольких направлениях. Запустили технологию VoLTE — передачу голоса через LTE: это позволяет разгрузить сети 3G. В ряде регионов внедрили LTE Advanced, во время чемпионата мира прошлого года установили в городах ЧМ оборудование Massive MIMO на ключевых площадках, чтобы перераспределять нагрузку и обеспечивать качественный сервис. Сейчас модернизируем сеть до 5G-Ready, увеличивая в том числе емкость сети. Это позволит обеспечить качественный сервис не только нам с вами и огромной армии потребителей со смартфонами и планшетами, но и высоко­нагруженным сервисам мира «Интернета вещей». Для устройств, которым высокие скорости не требуются и важна автономность, мы предлагаем, как я уже сказал, сеть NB-IoT. Она значительно удобнее и ее емкости нам точно с лихвой хватит на ближайшие несколько лет.

 

— Развертывание сетей предполагает огромную работу и взвешенное планирование. Как известно, 3GPP-стандарт предлагает две LPWA-технологии на базе LTE-сетей — NB-IoT и LTE-M. Почему в России была выбрана NB-IoT как основная технология? И планируется ли развертывание сетей LTE-M совместно с NB-IoT? Ведь очевидно, что NB-IoT, может, и удовлетворит потребности производителей счетчиков воды, электричества или газа, где важно низкое потребление и трафик невелик, но, скажем, производителям трекеров не хватает mobility и голосового сервиса. Да и объем трафика у трекеров явно не для NB-сетей. Либо таким производителям в перспективе на пятилетку предлагается смотреть в сторону 4G/LTE-A?

— В настоящий момент МТС не видит потребности в сетях LTE-M, хотя, если на нее появится платежеспособный спрос, мы будем готовы предоставить нашим пользователям и эту технологическую возможность.

 

— В NB-IoT, несомненно, есть заманчивые качества, такие как возможность работы при низких уровнях сигнала и при высоком уровне шумов, экономия батареи. Но для любого производителя оборудования главным вопросом остается доступность покрытия сети NB-IoT. Ведь мало кого интересует покупка, скажем, счетчика, который не сможет передать данные из-за отсутствия покрытия в его городе. Если сравнивать с сетью GSM, какое на сегодня покрытие сети NB-IoT и будет ли когда-нибудь покрытие NB-IoT-сети таким же широким, как сети GSM?

— Конечно, в силу исторических причин, сети GSM имеют гораздо большее покрытие по отношению к LTE, а значит, и NB-IoT. Сейчас покрытие NB-IoT стремительно приближается к покрытию LTE, а в среднесрочной перспективе сравняется с 2G. Наша сеть работает в 62 регионах — это большая часть страны, причем не только в крупных городах, но и на уровне районных центров. Мы ничего не скрываем, и масштабы сети всегда доступны на сайте — в разделе «Наша сеть» можно посмотреть, есть ли покрытие в нужной клиенту локации. В перспективе покрытие NB-IoT будет превышать текущее покрытие 2G.

Кроме того, МТС реализует покрытие под потребность клиента на его территории. Такие запросы встречаются и оперативно отрабатываются.

 

— Известный факт, что у NB-IoT есть прелестная особенность — стоимость развертывания сетей NB-IoT намного дешевле и быстрее, чем было когда-то с 3G. Это связано в том числе и с тем, как выделяются полосы под NB-IoT. Ваш коллега писал об этом в статье [2]. NB-IoT-сети могут работать в тех же частотных диапазонах, что и 2G-, 3G- и 4G-сети, в разных режимах:

  • stand-alone (рис. 2), когда под NB-IoT выделяется свой частотный канал шириной 200 кГц;
    Варианты размещения полосы NB-IoT в режиме stand-alone

    Рис. 2. Варианты размещения полосы NB-IoT в режиме stand-alone

  • in-band (рис. 3), когда полоса NB-IoT встроена в существующую LTE-несущую;
    Размещение полосы NB-IoT в режиме in-band

    Рис. 3. Размещение полосы NB-IoT в режиме in-band

  • quard-band (рис. 4), когда NB-IoT-полоса размещается в так называемом защитном интервале рядом с ресурсными блоками LTE.
    Размещение полосы NB-IoT в режиме guard-band

    Рис. 4. Размещение полосы NB-IoT в режиме guard-band

Скажите, какие частоты выделены под NB-IoT-сети в МТС? Какие из перечисленных режимов МТС приняла на вооружение?

— МТС рассматривает для NB-IoT все доступные частоты. Это B20 (800 МГц), B8 (900 МГц) и B3 (1800 МГц), но в силу специфики текущей сети в настоящее время самым распространенным диапазоном является 1800 (in-band и guard-band). Именно этот диапазон остается основным для LTE, что позволило развернуть покрытие сетью NB-IoT в максимально короткие сроки.

 

— NB-IoT накладывает определенные ограничения на скорость передачи данных, но скорости близки к скоростям GPRS. Скажем, в нашем типовом NB-IoT-модуле SIM7020E скорость на скачивание достигает 26,15 кбит/с, а на выгрузку — 62,5 кбит/с. А есть ли ограничения или пожелания от операторов на объем передаваемых данных?

Я нередко встречаю разработки, где NB-IoT-модуль используется для передачи большого объема проходного трафика, как классический GPRS. Разработчикам NB-IoT интересен как альтернативный канал, при этом характеристики потребления им не важны. На ваш взгляд, насколько оправдано такое применение NB-IoT с точки зрения конечного пользователя?

— Хотя стандарт NB-IoT и позиционируется как технология для передачи небольших объемов данных, технически МТС не запрещает передачу больших объемов информации, особенно учитывая, что с CAT-NB2 пропускная способность сети еще вырастет.

Применение технологий производителями оборудования, конечно, должно быть продуманным. Технология NB-IoT ориентируется именно на энергоэффективность и долгий срок службы без замены батареи, то есть в первую очередь на автономные устройства. Однако сейчас существуют и модули, совмещающие 2G и NB-IoT, что в первую очередь обусловлено более широким покрытием сетей 2G.

Конечно, NB-IoT можно и нужно использовать и для устройств, имеющих внешнее питание, поскольку еще одним из важных плюсов NB-IoT является улучшенное проникновение сети. Это позволяет устанавливать устройства в закрытых помещениях: например, в подвалах, колодцах. Мы на реальных примерах видим, как производители таких устройств, правильно применяя режимы работы NB-IoT, оптимизируют объемы передаваемой информации и достигают большей эффективности решения в целом.

 

— Если представить, что производитель трекеров, маячков или других подвижных устройств хочет заменить GPRS-модуль сотовой связи модулем сотовой связи стандарта NB-IoT, то у него возникнет следующий вопрос. Можно ли сказать, что NB-IoT предназначен исключительно для стационарных устройств? Потеряет ли NB-IoT-модуль сотовой связи регистрацию в сети, если будет перемещаться от соты к соте? Возможен ли обмен данными в таких условиях?

— В Rel.13 возможности мобильности для NB-IoT были ограничены Cell Resection. Устройство не могло переключаться на другие соты во время передачи сообщения, а также в подключенном к БС состоянии.

Но в Rel.14 появилась возможность переключаться между сотами при активном соединении с базовой станцией, и для использования данного преимущества разработчикам рекомендуется применять модули NB-IoT с поддержкой функции RRC Reestablishment For CP data.

Мы тестируем эту возможность и планируем в 2020–2021 годах развернуть ее на всей территории покрытия NB-IoT-сети.

 

— Часто для управления и контроля М2М-устройством используется функция SMS как инструмент связи для обычного пользователя с телефоном. Все просто: не нужен сервер, не нужен посредник — прямая связь. Каковы планы МТС по внедрению сервиса коротких сообщений в NB-IoT-сетях?

— Внедрение той или иной «фичи» обусловливается наличием спроса. Технология предусматривает возможность использования SMS, хотя и со своими особенностями, это нужно понимать и быть к этому готовым. Наша компания намерена осуществлять поддержку SMS в NB-IoT, как только появится интерес заказчиков.

 

— Еще один вопрос. На практике для работы с GSM/GPRS-модулями сотовой связи подходят любые SIM-карты. Для работы в сети NB-IoT требуются какие-то специальные SIM-карты?

— С точки зрения форм-факторов мы предлагаем линейку SIM-карт, аналогичную «симкам» GSM/GPRS: стандартные SIM-карты, микро- и нано-SIM (типоразмеры — 2, 3, 4 FF), а также SIM-чипы (MFF2). Мы решили выпустить отдельную линейку SIM-продуктов для NB-IoT: это позволяет обеспечить безопасность и исключить фрод для наших клиентов, поскольку на них в принципе недоступны голосовые сервисы. Также на этих SIM мы отказались от использования MSISDN. Поскольку на текущий момент покрытие сети NB-IoT уступает покрытию 2G (GPRS), мы обеспечили для этих SIM возможность работы в сети 2G.

 

— С выходом 14-го релиза стандарта 3GPP в 2018 году NB-IoT был дополнен и доработан. Так, стали различать две категории: LTE Cat.NB1 и LTE Cat.NB2. В мире мало где имплементированы сети категории NB2, хотя он представляется весьма интересным в будущем из-за более высокой скорости передачи данных (до 150 кбит/с на выгрузку и до 126 кбит/с на скачивание), мобильности, позиционирования методами OTDOA и E-CID и прочего. Есть ли планы имплементировать Cat.NB2 в сетях МТС?

— Конечно, поддержка Cat.NB2 запланирована на сети МТС. Сроки поддержки зависят от доступности конкретного функционала. Например, «фичи», касающиеся повышенных скоростей Dual HARQ и TBS > 1000 бит, уже доступны в некоторых регионах. По функциям позиционирования OTDOA и E-CID пока нет точных сроков поддержки в масштабах всей сети.

 

— В вашей статье [3] описано, как с приходом NB-IoT меняется ядро сети. В ней вы выделили следующие механизмы передачи трафика и управления абонентскими сессиями: DoNAS, NIDD, механизмы энергосбережения PSM и eDRX, HLCOM.

Хотел бы задать ряд практических вопросов по каждому механизму отдельно. Процитирую: «Режим энергосбережения PSM позволяет устройству надолго выключать радиомодуль, оставаясь при этом зарегистрированным в сети, и не переустанавливать PDN каждый раз при необходимости передать данные».

Что произойдет, если устройство, будучи в режиме PSM, сменит свое положение и попадет в поле действия другой базовой станции или вообще окажется в другом городе? Регистрация будет потеряна и придется производить повторную процедуру Attach?

— При выходе из сна устройство производит tracking area update (TAU), эта процедура сообщает сети текущее местоположение устройства и сохраняет регистрацию до следующего выхода из PSM.

 

— Режим PSM регулируется двумя таймерами: T3324 и T3412-Extended (рис. 5). Наши модули сотовой связи способны в Attach Request устанавливать значения этих параметров, но примет ли их в действие оператор сотовой связи — другой вопрос.

Потребление тока во времени в режиме PSM и зависимость от таймеров T3324 и T3412

Рис. 5. Потребление тока во времени в режиме PSM и зависимость от таймеров T3324 и T3412

Какова у МТС политика работы режима PSM? МТС сама задает таймеры T3324 и T3412-Extended? Может ли пользователь оборудования попросить МТС принять эксклюзивные значения таймеров конкретно для своих устройств?

— Поскольку под каждый use-case оптимальные значения таймеров разные, мы оставили возможность назначать эти параметры разработчикам (заказчикам). Сеть примет пользовательские значения таймеров, но к выбору значений необходимо подходить разумно. Слишком малое его значение может привести к тому, что устройство не получит сообщений, а слишком большое увеличит время активности и, соответственно, энерго­потребление.

Стараясь помочь нашим клиентам, мы уже на начальных этапах ведем работу с производителями устройств и разработчиками приложений для определения оптимальных для них параметров таймеров.

 

— Понятно, что NB-IoT-модуль в режиме PSM недоступен для входящих коммуникаций, до следующего TAU или исходящего трафика.

Что происходит с данными, предназначенными для модуля и отправленными в момент сна? Они хранятся в сети, но как долго, как много данных сеть может хранить и, главное, — платная ли это услуга?

— Сеть будет хранить данные до следующего планового выхода из PSM или исходящего от устройства сообщения. На текущий момент наша сеть может хранить до десяти сообщений размером более килобайта. С этими параметрами услуга буферизации данных бесплатна.

 

— eDRX — это режим, при котором устройство принимает сообщения от сети не постоянно, как в классическом LTE, а периодически. Так экономится заряд батарейного источника питания. В наших модулях этот режим настраивается двумя параметрами (рис. 6): PTW (окно пейджинга) и eDRX Cycle (продолжительность цикла eDRX). Эти параметры передаются в сеть во время процедуры Attach или TAU. Однако, как и в случае с PSM, сеть может принять такие параметры или проигнорировать их и продиктовать свои параметры режима eDRX.

Потребление тока во времени в режиме eDRX и зависимость от PTW и eDRX Cycle

Рис. 6. Потребление тока во времени в режиме eDRX и зависимость от PTW и eDRX Cycle

Какова у МТС политика работы режима eDRX? МТС сама задает параметры PTW и eDRX Cycle? Может ли пользователь оборудования попросить МТС принять эксклюзивные настройки eDRX?

— Все аналогично PSM. Сеть примет пользовательские значения таймеров, но еще раз хочу обратить внимание, что к выбору значений необходимо подходить разумно, особенно для Paging time window (PTW).

 

— В классической схеме М2М-системы оконечные устройства получают IP-адреса и обмениваются данными с сервером через Интернет. В наших модулях предусмотрена возможность реализации соединений как при помощи IPv4/IPv6/IPv4v6, так и при помощи такого типа PDN, как non-IP. В NB-IoT Non-IP Data Delivery (NIDD) добавлен в рамках оптимизации механизмов передачи малых объемов данных. В этом случае модулю сотовой связи не присваивается IP-адрес, и данные передаются без использования протокола IP.

Почему разработчикам оконечных устройств будет интересно использовать NIDD? Какие преимущества у NIDD перед IP? Нужно ли производителю оборудования переработать концепцию клиент-серверного взаимодействия устройств для внедрения NIDD?

— Классический способ с использованием IP хорошо работает для 2G/3G/LTE-девайсов, где к устройству не предъявляют жестких требований в автономности и, как следствие, нет ограничений по времени в эфире и трафику. Для NB-IoT этот способ не подходит ввиду его большой энергозатратности. Это должен понимать и учитывать разработчик конечного устройства. Одним из преимуществ LPWAN-сетей, к которым относится NB-IoT, является энергоэффективность. При качественной поддержке технологических стандартов и «фич» можно обеспечить до десяти лет и более автономную работу устройства на одной батарее.

Именно для этого и разработан механизм оптимизации передачи малых объемов данных: Non-IP Data Delivery (NIDD). Механизм уменьшает общий размер передаваемого сообщения за счет сокращения заголовков. Это, в свою очередь, положительно влияет на характеристики устройства: снижает энергопотребление и увеличивает автономность (срок жизни). В конечном итоге отказ от поддержки IP-stack ведет к упрощению и удешевлению устройства, повышает его конкурентоспособность на рынке IoT-устройств.

Есть еще одно немаловажное преимущество NIDD — большая безопасность в случае доступа извне: коммуникация с устройством из Интернета возможна только через специальный узел и вероятность взлома устройства значительно понижается.

Для внедрения NIDD потребуется несущественное изменение концепции клиент-серверного взаимодействия устройств, поскольку общение с устройством по NIDD уже будет возможно только через новый узел SCEF (Service Capability Exposure Function), который установлен у оператора связи.

SCEF позволит разработчикам приложений (AS) абстрагироваться от сложных, специфических механизмов взаимодействия с устройствами. Функции идентификации/аутентификации устройств, определения правил обмена данными между устройством и AS будут сняты с разработчиков приложений и переложены на плечи оператора, непосредственно на SCEF.

Разработчику предоставляется API-интерфейс к SCEF. Одним HTTP-запросом разработчик сможет отправить данные или управляющую команду на устройство или группу устройств. Таким же простым способом можно мониторить состояние и местоположение устройств.

Более подробно прочитать о SCEF и появившихся вместе с ним уникальных сервисах, помимо NIDD, а также о возможностях, которые уже сейчас предоставляет МТС, можно в статье [4].

Литература
  1. counterpointresearch.com
  2. Фаузиев И. NB-IoT: как он работает? Часть 1.
  3. Лапшин А. NB-IoT: как он работает? Часть 2.
  4. Новиков С., Лапшин А. NB-IoT: как он работает? Часть 3: SCEF — единое окно доступа к услугам оператора. 
  5. NB-IoT Deployment Guide. 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada