Технология NB-IoT: интернет вещей в умном городе

NB-IoT (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 NB-IoT

NB-IoT относится к стандарту LPWA (Low Power Wide Area), предназначенному для M2M (Machine-to-Machine) приложений, которые требуют низкоскоростной передачи данных и работы в автоматическом режиме в течение длительного периода времени, в том числе в отдаленных или труднодоступных местах.

Самое главное — запомнить важную особенность: NB-IoT — это отдельно существующая «ветка» на базе всем известной технологии LTE. Это именно часть иерархии LTE-сетей, но со своими особенностями.

Технология NB-IoT 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 NB-IoT в том, что она способна передавать небольшие сообщения от различных датчиков и приборов, т. е. 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.

Как мы знаем, есть два направления взаимодействия: Downlink — направление от базовой станции и Uplink — направление к базовой станции. Эти каналы разделяются на поднесущие по 15кГц. Для Downlink используется OFDMA, а для Uplink — SC-FDMA.

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 NB-IoT (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 NB-IoT 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 кол-во полезной информации.

Возможности NB-IoT

Для технологии NB-IoT определили ограниченные характеристики для того, чтобы можно было использовать её на базе уже существующих сотовых сетей.

• NB-IoT ограничен общей полосой одного RB шириной в 180кГц.
• Радиочасть устройства, использующего NB-IoT, располагает только одной антенной.
• Передача и прием разнесены по времени (полудуплекс).
• Есть возможность передавать данные по направлению Uplink на одной поднесущей.
• Ограничены типы модуляций, используются BPSK и QPSK.
• Могут применяться переповторы передаваемого сигнала.

Соответственно, применение таких ограничений и было призвано сократить накладные расходы на потребление энергии, размеры и, конечно, цену устройства.

Хочется выделить одну важную особенность технологии NB-IoT, а именно переповторы передаваемого сигнала (Coverage Enhancement). Это не повторная передача пакета при ошибке его приема, это функционал принятия решения об успешности принятого сигнала.

Решение происходит только после приема всех повторенных сообщений.

Стандартом для сети NB-IoT 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 NB-IoT:

• Stand Alone — выделенный частотный канал; 
• In Band — выделение ресурса внутри существующего LTE диапазона;
• Guard Band — выделение ресурса в защитном интервале существующего LTE диапазона.

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 из-за повышенной мощности передачи NB-IoTсигнала на 6дБ. Хорошо подходит для экономии частотного ресурса.

Guard Band. Выбирается ресурс в «защитном интервале». При выделении частотного ресурса LTE всегда выделяют защитный интервал. Например, для полосы в 10 МГц выделяют по 500 кГц свободного спектра, именно эта часть и используется. Позволяет и сэкономить частотный ресурс, и уменьшить влияние на основную LTE сеть. Мощность передачи NB-IoT сигнала также повышена на 6-9дБ.

Негативным моментом при этом становится ухудшение параметров внеполосных излучений LTE.

Скорость NB-IoT

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 NB-IoT сходит на «нет». Но мы можем кратко описать расчетные скорости при хороших условиях приема.

Скорость — это расчетное значение. NB-IoT 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 где-то на уровне 25.2 кбит/с, а для Uplink на уровне 22.2 кбит/с в single-tone и 58.8 кбит/с для multi-tone (Rel.13 3GPP)

В Rel.14 3GPP, согласно увеличенным размерам TB, скорость в Downlink и Uplink может превысить 100 кбит/с.

Стандарты NB-IoT

Все вышеописанное можно отнести к основам становления стандарта NB-IoT, который был разработан консорциумом 3GPP.

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.

Другое название технологии NB-IoT, встречающееся в англоязычной литературе, — LTE Cat NB1. Соответственно, в документе Rel. 14 также сменилось и название — LTE Cat NB2.

Давайте обозначим, что изменилось в Rel.14 по сравнению с Rel.13:

• Добавлен третий класс мощности мобильного устройства (класс мощности 6): 14 дБм. В Rel.13 два класса мощности: 23 дБм (класс мощности 3) и 20 дБм (класс мощности 5).
• Введен новый механизм переключения в режим PSM.
• Приняты новые алгоритмы вычисления координат объектов на основе OTDOA и PRS
• Вводится новый механизм геолокации — Location services LCS, который использует технологию Observed Time Difference Of Arrival (OTDOA), впервые регламентированную в Rel.9 для сетей LTE. Реализация системы позиционирования LCS NB-IoT была продемонстрирована в действии на Mobile World Congress в 2018 году.
• Добавлены модернизированные опорные сигналы позиционирования. Их введение помогает отслеживать движение на больших скоростях в условиях сильных помех.
• Улучшены скоростные параметры обмена данными.

Новые свойства и функции:

• двойной запрос HARQ (гибридный автоматический запрос на повторную передачу данных);
• поддержка механизма позиционирования (UTDOA/OTDOA);
• новый механизм переключения в энергосберегающий режим;
• возможность использования устройств более низкого класса мощности;
• модернизированная несущая;
• многоадресная рассылка;
• поддержка TDD для мелких ячеек;
• новые частотные диапазоны (B11, B25, B31, B70).

Современное развитие сети NB-IoT

Из-за приверженности индустрии мобильной связи широкому кругу технологий на основе стандартов малой мощности (LPWA), основанных на стандартах 3GPP, проявляется резкий рост числа сетей, поддерживающих NB-IoT и LTE-MTC (LTE-M) 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:

• 142 развернутых / запущенных сети NB-IoT или LTE-M, которыми управляют 114 операторов;
• 153 оператора активно инвестируют в технологии NB-IoT по сравнению со 141 оператором в апреле 2019 года, из которых 101 развернул/ коммерчески запустил сети NB-IoT (6 месяцев назад было 90);
• 29 планируют, тестово запускают и/или разворачивают сети NB-IoT;
• 23 оценивают/пробуют технологию NB-IoT.

При этом распределение рынка устройств следующее:

• 230 устройств поддерживают NB1 (включая известные варианты), 103 из них поддерживают только NB1;
• 7 идентифицированных устройств поддерживают NB2 (5 из которых дополнительно поддерживают Cat-M1, 6 из них также поддерживают обратный стандарт NB1).

При этом:

Итоговым выводом компания GSA заявляет, что технологии IoT 3GPP, в частности NB-IoT, станут глобальными доминирующими технологиями LPWA, которые обеспечат огромный рост рынка IoT.

С 2018 года в 3GPP уже идет работа над Rel.15! Планируется добавление частот B4, B14, B71, B72, B73, B74, B85.

Продукты на основе NB-IoT

В нашей стране более активно NB-IoT начал развиваться с 2016 года, хотя в Европе данные сети распространились еще раньше. Только в декабре 2017 года «Государственная комиссия по радиочастотам» приняла решение по выделению частот под NB-IoT.

Компания TELEOFIS преуспела в части проведения испытаний и выпуска коммерческого продукта на основе GSM/GPRS и NB-IoT 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 NB-IoT 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 NB-IoT

Основные сферы и отрасли, в которых уже применяется технология для передачи данных NB-IoT, на сегодняшний день следующие:

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 NB-IoT в регионах и крупных городах России.

Например, в сфере энергетики и коммунального хозяйства/ЖКХ NB-IoT 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 NB-IoT 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 NB-IoT 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 NB-IoT 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 NB-IoT имеет существенный вес среди других LPWA технологий и поддерживается крупнейшими игроками на рынке беспроводной связи.