Технология узкополосного интернета вещей (NB-IoT) в сети мобильной связи. Стандарт NB-IoT Low-Power and Wide-Area, LPWA Энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия

Комплексное решение для «интернета вещей» в ЖКХ, было встречено скепсисом: мол, сколько компаний тут уже отметилось, а показания счётчиков до сих пор приходится списывать вручную! Однако в данном случае к происходящему стоит присмотреться - и тем пристальней, чем ближе вам жилищно-коммунальная тема. Не стану утверждать, что именно это решение станет лидером рынка в обозримом будущем и даже что именно оно будет работать в вашем доме/домах. Но что понимать его и его аналоги пора - без сомнения, ибо это поможет сэкономить деньги и поднять качество управления жилым фондом.

Собственно новость короткая: «Мегафон» совместно с Huawei и «Большой тройкой» уже в этом году планирует предложить управляющим компаниям и вообще предприятиям ЖК-сектора продукт, реализующий дистанционный сбор информации с «умных» счётчиков (легко адаптируемый и для других «умных» устройств в быту). Как это сделано? Похоже на решения, которые уже внедрены - например, российской марки « »: к счётчику подключается радиомодуль, регулярно передающий показания на сервер, расположенный в нескольких километрах от дома.

Отличие в том, что «Мегафон» с партнёрами избрали для передачи данных стандарт NB-IoT. О том, какие выгоды обещает именно этот стандарт, будет рассказано ниже, а пока давайте остановимся подробней на самой проблеме дистанционного сбора показаний бытовых счётчиков.

Забудьте на минуту об «умных» устройствах, «интернете вещей» и прочих хитрых терминах. Достаньте свой смартфон, задумайтесь, как он работает. Почти наверняка вы пользуетесь услугой мобильного интернета. Скорость такого соединения сопоставима с интернетом проводным: при желании можно загружать не только веб-страницы, но и слушать музыку, смотреть видео, даже видео передавать! Однако все эти прелести достались нам не просто так, за них приходится платить. И я имею в виду прежде всего не деньги, а точнее, не только их.

Высокая скорость передачи данных сильно ограничивает количество абонентов, которые может обслужить одна «сота» оператора связи. Все мы сталкивались с этим ограничением, например, в выходной день в торговом центре: связь будто бы есть, а не дозвониться! Потом, на такую передачу тратится много энергии - вот почему аккумулятора смартфона хватает от силы на пару дней. Ещё электроника, осуществляющая такую передачу, дорогая. Наконец, дальность связи невелика и чем плотней застройка, тем она меньше. В сумме всё это выливается в необходимость для оператора использовать дорогостоящее оборудование для организации «сот» и, соответственно, в дорогие тарифы для абонентов.

А теперь представьте себе бытовой счётчик - воды, скажем, или электричества, газа, тепла. Как много информации он порождает за сутки? Да ничтожное количество! Сотни байт, если снимать показания, например, ежечасно: для сравнения, одна страница с этой статьёй «весит» в тысячи раз больше! И как прикажете передать эти несколько сотен байт на сервер, если вдруг мы решим избавить жильца от необходимости списывать показания и сдавать их вручную? Через интернет, конечно, и почти наверняка через беспроводной.

Дешевле всего кажется прицепить к каждому счётчику обычный телефон. Но здесь-то и всплывают их недостатки: они дороги, недальнобойны, одна «сота» может обслужить лишь небольшое их количество. Для счётчиков явно нужен какой-то другой стандарт передачи данных, который обладал бы обратными свойствами: пусть скорость передачи невелика, зато в эксплуатации дёшев!

Именно таким стандартом и является NB-IoT, избранный «Мегафоном» с партнёрами. Стоит за ним промышленный консорциум 3GPP - то есть те самые компании, что подарили нам GSM, GPRS и EDGE, LTE. Просто для сведения: аббревиатура NB-IoT хоть и выглядит жутко, расшифровывается легко. NB - это narrow band, то есть «узкая полоса»: значит, передатчик, работающий по такой технологии, занимает сравнительно мало места в эфире и может, не мешая, работать в одном диапазоне с сотовыми телефонами. IoT - это internet of things, то есть «интернет вещей»: стандарт предназначен для подключения к интернету не людей, а «умных» устройств.

Любое устройство, оснащённое модулем NB-IoT, ведёт себя подобно сотовому телефону: оно так же связывается с «сотой» оператора и передаёт туда какие-то данные. Отличие от телефона в том, что объёмы данных и скорость небольшие (сотни или тысячи байт в секунду), а это даёт возможность посадить на одну «соту» десятки тысяч таких устройств, обеспечить большую «пробивную способность» (плотность застройки влияет не так сильно), и достичь нескольких лет работы без замены батарейки. Другой немаловажный фактор: себестоимость такого радиомодуля в районе 300 рублей, то есть красть его в принципе невыгодно - больше провозитесь.

На самом деле, конечно, NB-IoT - не единственный вариант в классе низкоэнергетических сетей (LPWAN , так называют сети, предназначенные для обмена данными с «умными» устройствами). Стандартов и разработок, претендующих на стандарт, тут насчитывается больше дюжины - от совсем ещё сырых теоретических до уже внедряемых (типа LoRaWAN, за которой стоит IBM, или отечественного «СТРИЖа»). Но важно понимать, что в большинстве случаев эти технологии предполагают установку вспомогательного оборудования для сбора данных с одного или нескольких домов: специальной радиостанции, обслуживающей дома в радиусе от сотен метров до десятков километров. Это само по себе удорожает решение.

NB-IoT в таком оборудовании не нуждается: помните, он работает как сотовый телефон, напрямую общаясь с «сотами» оператора связи. Для клиентов такой вариант и проще, и дешевле. А учитывая авторитет компаний, продвигающих NB-IoT в России, ему тем более стоит уделить особое внимание. Поэтому когда такие продукты появятся в продаже - присмотритесь к ним!

Какие выгоды может принести массовая установка на дом счётчиков, сдающих показания через NB-IoT? Для управляющих компаний и ТСЖ, ворующих деньги через манипуляции с показаниями счётчиков, никаких. Но для такие счётчики - чрезвычайно выгодная штука. Дело в том, что оснастить ими жилой фонд можно практически даром - в том смысле, что стоимость радиомодуля практически незаметна на фоне цены самого счётчика, а больше никакого оборудования не требуется! Ведь данные со счётчиков уходят сразу к оператору связи, а оттуда на сервер УК/ТСЖ, где и обрабатываются.

Таким образом учёт в доме с минимумом затрат становится практически идеальным. «Умные» счётчики, сдающие показания самостоятельно, мешают «химичить» с показаниями, выявляют незамеченные утечки и утечки хронические, радикально сокращают общедомовые нужды. Всё это выгодно прежде всего самим жильцам, но и управляющей компании тоже: точнее учёт - меньше проблем, лучше имидж управленцев. Вот почему в чистом итоге NB-IoT кажется фаворитом «интернета вещей» в сфере ЖКХ. Осталось дождаться его официального старта в России, что должно случиться в ближайшие месяцы.

P.S. Использованы графические работы GSMA , Huawei .

Если вам понравилась статья - порекомендуйте ее своим друзьям, знакомым или коллегам, имеющим отношение к муниципальной или государственной службе. Нам кажется, что им это будет и полезно, и приятно.
При перепечатке материалов обязательна ссылка на первоисточник.

«МегаФон» в партнерстве с компаниями Huawei и «Большая Тройка» провел 9 марта в своем офисе в Москве публичное тестирование работы «умных» счетчиков для ЖКХ, показания которых передаются с использованием технологии NB-IoT. Наталья Талдыкина, директор по развитию корпоративного бизнеса «МегаФона», назвала данное событие «историческим днем для Интернета вещей в России». В самое ближайшее время оператор планирует запустить тестовую зону NB-IoT в одном из российских регионов.

Тестирование проводилось непосредственно на рабочей сети «МегаФона». В состав тестовой установки входили два водомерных датчика (холодной и горячей воды), которые были подключены к внешнему модему NB-IoT, а также счетчик электроэнергии со встроенным чипом NB-IoT. При этом, как было подчеркнуто, благодаря малым размерам модем NB-IoT и питающий его аккумулятор можно легко встроить практически в любой выпускаемый сегодня счетчик без изменения его форм-фактора.

«МегаФон» планирует поставлять решение под ключ, включая как сами счетчики, так и систему сбора и анализа показаний. Создано это решение совместно с компанией «Большая Тройка», российским разработчиком информационных систем в сфере ЖКХ. Артем Седов, генеральный директор ГК «Большая Тройка», отметил: «Текущая реформа ЖКХ ставит задачу повышения эффективности использования энергоресурсов и обеспечения прозрачности при начислении платежей. Подключение приборов учета с дистанционным снятием показаний должно решить эти вопросы для граждан и управляющих компаний и предоставить доступный и удобный инструмент по управлению и контролю за потреблением коммунальных услуг».

Продемонстрированное решение работает на базе технологии NB-IoT, и уже в нынешнем году «МегаФон» совместно с Huawei планирует ввести в коммерческую эксплуатацию сеть с поддержкой данной технологии. По словам Марата Нуриева, директора по продажам и маркетингу IoT-решений Huawei в России, NB-IoT - самая перспективная технология для беспроводного доступа в области Интернета вещей. Энергоэффективность NB-IoT позволяет подключенным устройствам работать до 10 лет без замены аккумулятора, используемый частотный диапазон гарантирует бесперебойную передачу данных даже в помещениях с затрудненным приемом сигнала мобильной связи, а низкая цена радиомодуля обеспечивает конкурентную стоимость внедрения. Эксперты прогнозируют, что с началом массового производства микросхем NB-IoT (а это должно произойти в конце 2017 года или в 2018 году) их добавление практически не будет влиять на стоимость приборов учета.

Технология NB-IoT была разработана в расчете на операторов сотовой связи и стандартизована организацией 3GPP в качестве одного из вариантов для подключения устройств Интернета вещей. Но даже среди стандартов 3GPP это не единственная технология для IoT. Для этой же цели предназначена технология EC-GSM-IoT (или просто EC-GSM). Кстати, компания «МТС», конкурент «МегаФона», в июне 2016 года на полях ХХ Петербургского международного экономического форума объявила о подписании соглашения с Ericsson, в рамках которого планируется, в частности, протестировать технологию EC-GSM по обеспечению работы М2М-устройств на сети МТС.

Между тем существует большое число беспроводных технологий для IoT, которые разработаны и развиваются компаниями, не связанными с рынком сотовой связи. В отличие от NB-IoT и EC-GSM, эти технологии работают на нелицензируемых частотах. Наиболее известные среди них - это LoRa, а в России еще и «Стриж», развиваемая одноименной компанией. «Журнал сетевых решений/LAN» проводил детальное сравнение основных беспроводных технологий для IoT, которые предназначены для построения территориально распределенных сетей с низким энергопотреблением - Low Power Wide Area Network (LPWAN) ().

И NB-IoT, и LoRa имеют свои плюсы и минусы. И это понимают и в компании «МегаФон», где также тестируют и решения LoRa. По словам Натальи Талдыкиной, операторы сотовой связи сейчас находятся на перепутье в части выбора технологии для IoT. Она не исключила возможности использования «МегаФоном» и технологии LoRa. «В любом случае все будет определяться эффективностью и стоимостью», - заключила директор по развитию корпоративного бизнеса «МегаФона».

Решения для телеметрии и телемеханики применяются уже больше столетия, но с появлением модного термина «Интернет вещей» поток инвестиций в данную область существенно увеличился. Одно из новых направлений - территориально распределенные сети LPWAN, обеспечивающие беспроводное подключение устройств с очень щадящим режимом энергопотребления: автономная работа от аккумуляторов до 10 лет. Внедрение LPWAN открывает множество перспектив для всех игроков рынка беспроводных сетей передачи данных, поэтому неудивительно, что эта тема стала одной из основных на прошедшей в сентябре конференции «БЕСЕДА», традиционно организуемой компанией CompTek.

Существует множество прогнозов относительно роста числа подключенных «вещей», причем указываемые в них цифры могут отличаться на порядок. Так, скажем, эксперты Gartner полагают, что к 2020 году будет насчитываться «всего» около 21 млрд подключенных устройств, а в Intel исходят из того, что их будет в десять раз больше - 200 млрд.

Ввиду таких расхождений, в качестве «отправной точки» лучше всего взять достаточно сдержанный прогноз Ericsson Mobility Report. Согласно этому документу, общее число подключенных устройств в период с 2015 по 2021 год вырастет примерно в два раза: с 15 до 28 млрд штук, - причем в нем учитываются и традиционные средства для связи «человек - человек» (мобильные и фиксированные телефоны), а также для работы в Сети (ПК, ноутбуки, планшеты). По данным J’son & Partners Consulting, «общее число подключенных устройств в распределенных системах телеметрии России» за рассматриваемый период также увеличится примерно в два раза: с 16,1 до 32,6 млн штук. Хотя аналитики Ericsson и J’son & Partners использовали разные критерии для оценки, даже по грубой прикидке видно, что российский рынок IoT составляет существенно менее 1% от общемирового.

Интересно отметить, что, согласно Ericsson Mobility Report, в 2015 году общее число традиционных коммуникационных устройств (10,1 млрд штук) более чем в два раза превосходило число подключенных «вещей» IoT (4,6 млрд штук). В 2021 году расклад сил изменится уже в пользу IoT: 15,7 против 11,8 млрд устройств. При этом число традиционных средств связи будет увеличиваться лишь на несколько процентов в год, тогда как число подключенных вещей - более чем на 20% (см. рис. 1).

В исследовании Ericsson Mobility Report отдельно учитываются устройства IoT, подключенные через сети сотовой связи (cellular IoT) и с помощью других технологий беспроводной связи (non-cellular IoT). Последних в 2015 году было примерно в 10 раз больше. Подобное соотношение сохранится и в 2021 году.

Как считают многие эксперты, беспроводное подключение «вещей», распределенных по большой территории, будет в основном осуществляться посредством сетей с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area Network, LPWAN). Еще каких-то пять лет назад такого термина не существовало вовсе, а сейчас это наиболее перспективное решение для IoT (см. рис. 2). В отличие от классических систем сотовой связи, LPWAN специально разрабатывались в расчете на Интернет вещей и обеспечивают столь важные для этого применения характеристики:

• низкую стоимость оборудования самой сети, а также микросхем для конечного устройства,
• малое энергопотребление, а значит, длительное время автономной работы от аккумуляторов (до 10 лет и более).

Для построения сетей LPWAN уже разработано множество технологий, в том числе в России, однако в глобальном масштабе тремя основными считаются LoRa, Sigfox и NB-IoT. Поскольку Sigfox пока никак не представлена в России, в этом материале сосредоточимся на рассмотрении двух оставшихся.

LORA: КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Технология LoRa была представлена в начале 2015 года компанией Semtech и исследовательским центром IBM Research. Она опирается на метод модуляции LoRa, запатентованный компанией Semtech, а также открытый сетевой протокол Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN). Модуляция LoRa основана на технологии расширения спектра (Spread Spectrum Modulation) и вариации линейной частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS). Такое решение обеспечивает высокую устойчивость связи на больших расстояниях. Модуляция LoRa определяет физический уровень сети радиодоступа, которая может иметь различную топологию: ячеистую (mesh), звезда, «точка - точка» и др.

Развитием технологии LoRaWAN (см. рис. 3) занимается некоммерческая организация LoRa Alliance, в которую входят такие компании, как IBM, Semtech, Cisco, Actility и др. В ноябре 2015 года LoRa Alliance представила программу сертификации для обеспечения гарантированной совместимости оборудования LoRa разных производителей.

Зона охвата базовой станции (шлюза) в сети LoRaWAN составляет до 20 км, скорость передачи данных - от 290 бит/с до 50 Кбит/с (см. табл. 1). Заявленная продолжительность автономной работы конечного устройства (при использовании аккумулятора емкостью 2000 мА×ч) - 105 месяцев, то есть почти девять лет.

ЭВОЛЮЦИЯ РЕШЕНИЙ 3GPP ДЛЯ IOT

Технологию NB-IoT следует рассматривать в контексте движения отрасли сотовой связи к Интернету вещей. Ее основной орган по стандартизации 3GPP начал прорабатывать эту тему еще несколько лет назад - в выпущенном в 2012 году Release 11 появился ряд функций для машинных коммуникаций (Machine Type Communications, MTC). В Release 12 (2015 год) для MTC определено так называемое устройство Категории 0 (Category 0) с одной антенной и другими упрощениями.

В результате для LTE оказалось специфицировано девять категорий пользовательских устройств с различными возможностями и поддерживаемыми скоростями передачи данных. До появления Категории 0 устройствами с наиболее ограниченной функциональностью были устройства Категории 1, для которых не была предусмотрена возможность использования нескольких пространственных потоков (отсутствие поддержки MIMO), а максимальная скорость передачи составляла «всего» 10 Мбит/c в нисходящем канале. Для сравнения: для устройств Категории 5, поддерживающих MIMO 4x4, максимальная скорость в 30 раз больше - 300 Мбит/с (см. табл. 2). При определении Категории 0 ее возможности были существенно урезаны даже в сравнении с Категорией 1: максимальная скорость 1 Мбит/c, полудуплексный режим передачи.

В спецификациях Release 13, опубликованных в 2016 году, предприняты дальнейшие шаги по поддержке приложений IoT, в том числе меры по снижению стоимости устройств, расширению покрытия и увеличению времени автономной работы. В частности, определена Категория M1 (для ее обозначения также используются аббревиатуры eMTC и LTE-M). Для снижения энергопотребления наряду с технологией Power Saving Mode (PSM), которая была определена и для категорий 0 и 1, предусматриваются механизмы Extended Discontinuous Reception (Extended DRX, eDRX). Указанные технологии позволяют снизить частоту обмена обязательными служебными сообщениями, оптимизировать интервалы приема и получения информации, а также поддерживать длительные периоды «молчания» (когда устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию).

В этом контексте следует также упомянуть, что в Release 13 в части дальнейшего развития технологии GSM был определен режим EC-GSM-IoT (или просто EC-GSM). В нем также используются механизмы PSM и eDRX. Помимо этого, предусматривается возможность многократного повторения передаваемой информации для улучшения покрытия (+20 дБ) по сравнению с традиционными системами GSM. В EC-GSM упрощена система сигнализации (исключена та часть, которая обеспечивает совместную работу с сетями WCDMA/LTE), усовершенствованы механизмы аутентификации и обеспечения безопасности соединений и пр. При использовании несущей шириной 200 кГц (в полосе GSM 900 и 1800 МГц) технология EC-GSM-IoT обеспечивает максимальную скорость 240 Кбит/с и позволяет обслуживать до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции.

Примерно схожие характеристики (до 50 тыс. устройств на сектор базовой станции, скорость до 250 Кбит/с) имеет и определенная в Release 13 технология Narrowband IoT (NB-IoT). Но если LTE-M и EC-GSM-IoT предусматривают максимальную совместимость с инфраструктурой, уже имеющейся у операторов сотовой связи, и могут быть развернуты путем обновления ПО на существующих сетях LTE и GSM соответственно, то NB-IoT - это относительно новое направление развития решений для IoT в рамках 3GPP, хотя оно и предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE. В данном случае предлагается новый тип радиодоступа, характеристики которого существенно отличаются от характеристик имеющихся систем. Как полагают ряд экспертов, переработка протоколов канального уровня в NB-IoT позволит значительно (до 90%) снизить стоимость соответствующих устройств NB-IoT по сравнению с устройствами LTE Категории M1 (см. рис. 4). Многие известные производители, включая Ericsson, Huawei, Nokia, Intel и Qualcomm, уже заявили о поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах.

LORA В СРАВНЕНИИ С NB-IOT

Системы LoRa используют нелицензируемый частотный диапазон и асинхронный протокол, который является оптимальным для снижения стоимости оконечных устройств и повышения времени автономной работы. Но они не способны обеспечить столь же высокое качество обслуживания (QoS), как синхронные протоколы сотовой связи, которые выделяют гарантированные временные слоты для передачи информации. Поэтому для тех приложений, которым требуется гарантия QoS (в том числе малая задержка), лучше подходят технологии поддержки IoT, разрабатываемые сообществом операторов сотовой связи. Они же предпочтительнее для приложений, которым нужен интенсивный обмен сообщениями и/или большой объем передаваемых данных. Там же, где на первом месте стоят низкая стоимость, длительное время автономии и необходимость поддержки большого числа устройств, разбросанных по значительной территории, LoRa оптимальна.

При анализе времени автономной работы устройства необходимо учитывать два важных фактора: собственное энергопотребление устройства и специфику работы коммуникационных протоколов. Асинхронная природа протокола, применяемого в сетях LoRaWAN, означает, что большую часть времени устройство может находиться в «спящем» режиме - до тех пор, пока оно не потребуется приложению. В сотовом мире применяются синхронные протоколы, а значит, устройство должно периодически обмениваться служебными сообщениями с сетью, даже если оно не требуется пользователю. Скажем, типичный сотовый телефон каждые 1,5 секунды должен синхронизироваться с сетью. При использовании механизмов NB-IoT синхронизация производится реже, но все равно регулярно, на что расходуется энергия аккумулятора.

Применяемые в сотовой связи алгоритмы модуляции (OFDM или FDMA) нацелены на максимально эффективное использование частотных ресурсов, но не на эффективное расходование ресурсов аккумулятора. Эти алгоритмы требуют использования линейного передатчика (усилителя), который потребляет значительно более высокий пиковый ток, чем передатчики с нелинейной модуляцией, применяемые в системах LoRa. Более высокий пиковый ток, очевидно, ведет к более быстрому расходованию ресурсов аккумулятора.

Поскольку протокол LoRaWAN значительно проще используемых в NB-IoT, значит, его проще и дешевле реализовать, в том числе на базе недорогих, широко распространенных контроллеров. Более сложная схема модуляции и протокол NB-IoT требуют более дорогих микросхем. Модули LoRaWAN уже широко доступны и на западных рынках стоят порядка 7–10 долларов, причем, как полагают эксперты, по мере расширения масштабов внедрения, развития экосистемы и повышения массовости производства цена таких модулей может снизиться до 4–5 долларов. Стоимость выпускаемых сегодня модулей LTE оценивается в 20 долларов.

При сравнении LoRa и NB-IoT также важна такая характеристика, как зона обслуживания (покрытия) сети. Преимуществом NB-IoT является то, что существующая инфраструктура сотовой связи может быть модернизирована для поддержки этой технологии - хотя это может оказаться возможным только для определенных моделей базовых станций и стоить недешево. Однако вариант с модернизацией имеет право на существование только в городах с хорошим покрытием сетями 4G/LTE. Далеко не во всех пригородах, а уж тем более сельских районах имеется развитая инфраструктура LTE.

Одним из преимуществ LoRa является то, что соответствующие решения могут быть развернуты не только в сетях общего пользования, но и в частных или корпоративных сетях. За границей довольно много крупных компаний планируют реализовать гибридную модель: наряду с использованием ресурсов сети LPWAN общего пользования дополнительно построить свою (корпоративную) сеть для обслуживания отдельных зон.

При развертывании сети LoRaWAN могут использоваться как вышки сотовой связи, так и другие места установки: например, промышленные шлюзы можно размещать на производственных площадках, а небольшие пикошлюзы - прямо на домах. Стоимость шлюза для размещения на вышке оценивается в 1000 долларов, промышленного шлюза - примерно в 500, шлюз для пикосоты может стоить всего около 100 долларов. Затраты на модернизацию базовой станции 4G LTE для поддержки NB-IoT, по оценкам экспертов, могут составить более 10 тыс. долларов.

Спецификация NB-IoT опубликована в июне 2016 года, однако выпуск первых микросхем для конечных устройств с поддержкой этой технологии запланирован только на 2017 год. Затем потребуется время на тестирование, организацию массового производства продуктов NB-IoT, запуск сетей в коммерческую эксплуатацию. Иначе говоря, пройдет еще пара-тройка лет до тех пор, пока NB-IoT станет реальностью. Решения LoRa уже доступны. Они опробованы, а соответствующие сети находятся в коммерческой эксплуатации в ряде стран, в том числе в национальном масштабе.

СИТУАЦИЯ В РОССИИ

Российские операторы сотовой связи, как и операторы других стран, очевидно, делают ставку на разработки для IoT организации 3GPP. Так, в июле 2016 года компания «МегаФон» объявила о планах развертывания технологии NB-IoT совместно с компанией Huawei. В рамках выставки «Иннопром-2016» партнеры продемонстрировали один из примеров применения нового стандарта NB IoT - «умную» парковку. На конец года планируется пилотный запуск такой парковки в Москве.

По мнению специалистов «МегаФона», NB-IoT - это наиболее подходящее решение LPWAN для предприятий различных отраслей, c помощью которого можно подключать к сети оператора счетчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одним из достоинств технологии является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тыс. устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. При этом использование низкочастотного диапазона позволяет обеспечить покрытие таких труднодоступных мест, как цокольные помещения, подвалы и т. д. По оценке «МегаФона», счетчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи установленным в подвальном помещении.

Другой ведущий оператор, МТС, в июне 2016 года на полях ХХ Петербургского международного экономического форума объявил о подписании соглашения с Ericsson, в рамках которого компании, в частности, планируют протестировать технологию EC-GSM-IoT, обеспечивающую работу М2М-устройств на уже существующих сетях МТС. Как отмечают специалисты МТС, новый радиоинтерфейс позволит многократно увеличить количество работающих в сети устройств M2M, а за счет роста чувствительности радиомодулей удастся в семь раз расширить радиус действия базовой станции и снизить энергопотребление устройств. Кроме того, утверждается, что внедрение EC-GSM-IoT не потребует масштабной замены оборудования связи - в большинстве случаев можно обойтись обновлением ПО на узлах радиосети.

Сети LoRa в России развивают несколько компаний: Lace, «Сеть 868», «Лартех Телеком». Так, например, сеть IoT Lace функционирует с начала 2015 года в Москве и Санкт-Петербурге. В сентябре 2015 года компания объявила о расширении зоны своего покрытия на города Воронеж, Екатеринбург, Иннополис, Казань, Красноярск, Калининград, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Ставрополь, Тверь, Челябинск, Ярославль. Планы у компании амбициозные: «полное покрытие всей территории России».

Как нам сообщили в базирующейся в Краснодаре компании «Лартех Телеком», в этом городе уже развернуто около 20 базовых станций LoRa, что с учетом большой зоны охвата означает покрытие значительной части территории. Кроме того, станции LoRa этой компании развернуты в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове, Самаре, Барнауле и других городах.

В феврале 2016 года компании Lace, AURORA Mobile Technologies (поставщик компонентов и готового оборудования для беспроводных коммуникаций и навигации, проектировщик и производитель таких систем) и «Тоэс» (проектировщик и оператор систем АСУТП тепло- и водоснабжения) провели в Твери тестирование системы мониторинга сетей и объектов тепло- и водоснабжения на базе LoRaWAN в условиях плотной застройки. По итогам успешного эксперимента принято решение интегрировать модемы LoRa c используемыми термопреобразователями и датчиками давления в единое устройство.

Кроме того, в России развиваются сети LPWAN, построенные на базе отечественных разработок. В сентябрьском номере «Журнал сетевых решений/LAN» уже рассказывал о проекте «Стриж» (см. статью автора « »). Оригинальную технологию построения сети LPWAN представила на конференции «БЕСЕДА» компания «Телекан». Она предлагает строить IoT-инфраструктуру «умного» города на основе решения «умного» освещения, что позволит существенно сократить расходы на такую инфраструктуру. Разработанные «Телеканом» микробазовые станции встраиваются непосредственно в светильники городского освещения (см. рис. 5), причем это может осуществляться в процессе плановой замены устаревающих светильников и перехода на более современные и экономичные источники света.

«Телекан» разработал собственную технологию беспроводной связи Lumiot, в перспективе планируется также поддержка LoRa. Одна базовая станция Lumiot обеспечивает работу до 2000 устройств в радиусе до 4 км. Управление устройствами, сбор и визуализация данных из разных источников осуществляются в облаке, для подключения к которому базовых станций применяется GSM. На данном этапе решение «Телекана» тестируется в городах России и СНГ.

Как полагает Виталий Солонин, руководитель департамента беспроводных технологий J’son & Partners Consulting, 2017 год пройдет под знаком конкурентной борьбы между операторами сотовой связи за проекты IoT для крупных госкомпаний и корпоративных заказчиков. Кроме того, за этих заказчиков будут бороться как крупные игроки ИТ-рынка (Cisco, HP, SAP, Microsoft и т. д.), так и стартапы рынка LPWAN. Последние пока работают в основном на рынке ЖКХ и в проектах «умного города».

Александр Барсков , ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN»

С развитием Интернета вещей (Internet of Things, IoT) количество подключений к сетям мобильной связи операторов увеличится в разы. По прогнозам Ericsson, к 2021 г. общее количество подключенных к интернету устройств в мире составит 28 млрд. Из них 1,5 млрд составят потребительская электроника и умные автомобили, взаимодействующие друг с другом посредством сетей мобильной связи. В ближайшие годы количество межмашинных подключений (Machine-to-Machine, M2M) будет расти на 25% в год, большая часть поставляемых на рынок M2M-устройств будет поддерживать стандарт LTE . По мере роста рынка IoT становится очевидным, что для многих вариантов использования таких решений существующие технологии мобильной связи недостаточны в связи с недостаточным покрытием, высокой стоимостью оконечных терминалов и малым сроком службы их элементов питания.

Инновационной технологией Интернета вещей является решение узкополосного IoT (Narrow-Band IoT или NB-IoT). Это беспроводная узкополосная разновидность глобальных сетей с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area, LPWA), которая в первую очередь предназначена для приложений межмашинного взаимодействия (М2М). Стандарт NB-IoT откроет компаниям, специализирующимся на предоставлении телекоммуникационных услуг, широкий спектр новых возможностей. В частности, существенно увеличит доходность операторов от одного абонента (Average revenue per user, ARPU). Технология NB-IoT займет свою низкоскоростную нишу в классе решений, где приоритетное значение имеет бесперебойная передача данных и низкое энергопотребление.

Технические преимущества NB-IoT

Стандарт NB-IoT был специфицирован консорциумом 3GPP в 2016 году в Release 13 (LTE Advanced Pro) и в настоящее время проходит тестирование. Специалисты полагают, что технология NB-IoT получит популярность среди операторов, т.к. ее обслуживание и эксплуатация обойдется им дешевле, чем передовых на сегодняшних день сетей LTE и GSM. Это обусловлено ее характеристиками. Стандарт NB-IoT представляет собой двустороннюю связь, действующую в частотном канале шириной 200 кГц. Для того, чтобы запустить сеть в эксплуатацию, оператору всего лишь необходимо установить на базовой станции специальное программное обеспечение. Это актуально, если развертывать IoT-сеть уже на существующих частотах.

3GPP продумывает модель функционирования сети. Консорциум предлагает три варианта развертывания NB-IoT сети. Первый – это NB-IoT Guard Band, т.е. для Narrowband IoT будет выделен отдельный частотный спектр. Второй – это In Band, т.е. технология будет размещена в защитном частотном интервале сетей LTE. Третий – получил название Stand Alone. Согласно его концепции, NB-IoT и LTE работают в одном частотном диапазоне. Таким образом, сеть NB-IoT можно развернуть в частотных диапазонах, в котором в настоящее время функционирует стандарт GSM, после их рефарминга в LTE, или в «защитных» интервалах между сетями GSM и LTE. Скорость передачи данных в NB-IoT достигает 200 кбит/с, что является достаточным для устройств, периодически передающих однотипные данные небольшого объема.

В упрощенном виде варианты развертывания NB-IoT сети можно представить в виде следующей иллюстрации:

В свою очередь разработчики обещают, что срок службы элемента питания оборудования NB-IoT без подзарядки будет достигать 10 лет!

Ожидается, что цена терминала NB-IoT составит $5.

Следующей важнейших особенностей технологии NB-IoT является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тысяч устройств NB-IoT, что в десятки раз превышает возможности действующих стандартов мобильной связи. Это позволяет получить дополнительную коммерческую выгоду на основе применения анализа IoT-данных методами больших данных (Big Data). В рамках сотрудничества со смежными отраслями операторы, в дополнение к продаже услуг связи, получают возможность продавать аналитические данные третьим лицам.

Такие преимущества стандарта NB-IoT позволяют значительно увеличить зону покрытия, обеспечив связь труднодоступных местах и регионах.

Проблемы и перспективы развития NB-IoT

Многие отрасли деятельности проявляют интерес к продуктам IoT, которые повышают эффективность бизнес-процессов. В первую очередь это ЖКХ, транспортная сфера, здравоохранение, автомобильная промышленность и др.

Интернет вещей предусматривает более пятидесяти вариантов использования, 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, «умного» дома и подключенные промышленные инструменты и т. п.).

Аналитики полагают, что именно В2В-сегмент станет движущей силой развития Интернета вещей и именно он будет проявлять наибольший интерес к данным продуктам на первом этапе их коммерциализации. Это также объясняется тем, что зашить в комплектацию «умного» устройства структурированную бизнес-процедуру проще, чем потребности частного пользователя. Ожидается, что объем рынка узкополосного (Narrowband) IoT к 2022 году достигнет порядка 200 млн. долл.

Специалисты называют различные цифры о количестве подключенных в ближайшие 4-6 лет IoT-устройств. Сложность прогнозирования объясняется тем, у Интернета вещей большой потенциал в промышленной сфере, которая является достаточно энергоемкой и требует большого числа подключенных устройств.

Ожидается, что первые тесты стандарта NB-IoT начнутся на границе 2016-2017 гг. Говорить о коммерческом развертывании подобных сетей пока рано. Это связано не только с недостатком электронных компонентов и проблемами распределения выделенных частот, но и с регуляторными механизмами. Представители Huawei отмечают, что на сегодняшний день у России нет причин оставаться позади развития технологии. Федеральные операторы достаточно прочно внедрили сети LTE, что очень важно для прогрессирования Narrowband IoT. Среди мировых разработчиков стандарта NB-IoT, помимо Huawei, можно назвать Qualcomm, Intel Corporation, Nokia Networks, Verizon, Samsung Group, AT&T и другие.

Учитывая, что стандарт NB-IoT только сформирован, их концепция еще оттачивается. Ряд разработчиков планируют расширить функционал сети в последующих релизах голосовым сервисом, т.к. скорость работы сети позволяет это сделать. Также, скорее всего, NB-IoT станет одной из составляющих спецификации сетей (Narrowband 5G).

Тестирования сетей NB-IoT

Летом текущего года компания u-blox объявила о выпуске первого в своем роде модуля для сетей NB-IoT. Он поддерживает сервисы, для работы которых необходимо надежное соединение и продолжительная передача небольших данных. Разработчики заявляют, что элемент питания прослужит без подзарядки от 10 до 20 лет. Размер устройства составляет 1,6х2,6 см, а предельная скорость входящего потока – 227 Кбит/с. U-blox сообщила об успешных испытаниях оборудования, подтвердивших большую эффективность NB-IoT по сравнению с GPRS .

Данная компания уже «засветилась» сенсациями в развитии стандарта Narrowband IoT в прошлом году. В партнерстве с Huawei и Vodafone было организовано первое в истории тестирование пре-стандарта NB-IoT. Эксперимент проводился на сети Vodafone с помощью крепления на базовую станцию специального модуля, который подал сигнал на водный счетчик. Партнеры намерены расширить сферу применения технологии. Например, в планах Huawei развернуть данный стандарт для организации мобильной связи. Однако для этого необходимо подтвердить низкую чувствительность сети NB-IoT к внешним помехам.

С целью популяризации и развертывания стандарта NB-IoT, Huawei в начале этого года подписало соглашение о намерениях с компанией TIM. Партнеры создают открытую лабораторию для организации работ над узкополосным IoT и проведения испытаний в полевых условиях.

Очевидно, что спрос на данную технологию будет расти, т.к. ее характеристики соответствуют рыночным тенденциям и потребительским потребностям. Она предоставляет широкое покрытие (в том числе в подвальных помещениях), энергосбережение, возможность подключения большого количества устройств и низкую стоимость их обслуживания.

Более подробную информацию о технологических решениях Интернета вещей в сетях мобильной связи (в частности, NB-IoT), эволюции сетей M2M к IoT в спецификациях 3GPP, а также о других технических особенностях работы сетей мобильной связи читайте в книге "Мобильная связь на пути к 6G ".

По прогнозам ассоциации GSMA, к 2020 году количество подключений Интернета вещей по сетям мобильной связи и LPWA превысит 3 миллиарда. Счётчики ресурсов, наручные часы и браслеты, ошейники для домашних питомцев, датчики на парковках - каждому из устройств понадобится доступ к сети. Для того чтобы это стало возможным, «МегаФон» и Huawei активно сотрудничают в продвижении на российском рынке нового стандарта связи - NB-IoT (Narrow Band IoT). Данная технология связи для Интернета вещей значительно снижает потребление энергии конечными устройствами, обеспечивает значительно лучшее покрытие и проникновение связи, увеличивает максимальное количество подключенных к сети устройств.

Также компания «МегаФон» стала участником сообщества GSMA NB-IoT Forum, целью которого является сотрудничество в области развития технологии NB-IoT по всему миру. В составе организации - крупнейшие операторы (China Mobile, Deutsche Telekom, Vodafone и др.), а также ведущие производители технологичных решений (Huawei, Intel, Qualcomm).

Новый стандарт NB-IoT был разработан консорциумом 3GPP с учётом требований, предъявляемых операторами: услуги IoT должны передаваться по технологии передачи, известной как «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия» (Low-Power and Wide-Area, LPWA) и использовать существующую инфраструктуру оператора. С точки зрения универсальности, NB-IoT - это наиболее подходящее решение LPWA для предприятий различных отраслей, c помощью которого можно подключать к сети оператора счётчики коммунальных услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других устройств. Одной из особенностей технологии является возможность подключать к одной соте базовой станции до 100 тысяч устройств, что в десятки раз превышает возможности существующих стандартов мобильной связи. Использование низкочастотного диапазона позволит обеспечить покрытием такие труднодоступные места, как цокольные помещения, подвалы и т.д. Кроме того, при работе в новом стандарте устройства экономнее расходуют аккумулятор, что позволяет им работать без подзарядки гораздо дольше. Например, счётчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи установленным в подвальном помещении.

Выход на рынок первых устройств с поддержкой технологий NB-IoT ожидается в конце 2016 - начале 2017 года. Технология NB-IoT работает в сетях LTE и будет актуальна при дальнейшем переходе на стандарты пятого поколения 5G.

«МегаФон является одним из ключевых игроков российского рынка Интернета вещей, используя текущие технологии, наша компания реализовала множество успешных проектов в сфере M2M/IoT. И сегодня мы в партнёрстве с компанией Huawei рады сообщить о переходе на качественно новый уровень, открытый стандарт NB-IoT, позволяющий с высокой энергоэффективностью подключить к сети «МегаФон» огромное число устройств самых различных производителей. Уверены, что новая технология сделает жизнь как наших корпоративных заказчиков, так и обычных абонентов «МегаФона» мобильнее, проще и ярче», - отметил Александр Башмаков , директор по инфраструктуре компании «МегаФон».

«Huawei в сотрудничестве с крупнейшими мировыми операторами уже внесла большой вклад в создание технологии NB-IoT во всем мире. Мы рады, что «МегаФон» делает ставку на самые передовые технологии, такие как NB-IoT, выводя российский рынок ИКТ на мировой уровень. Это позволит «МегаФону» предложить своим клиентам в сфере В2В эффективные услуги, от чего выиграют также конечные потребители», - добавил Дмитрий Алферов , вице-президент по сервису и техническому обслуживанию компании Huawei в России.

До окончательного принятия стандартов NB-IoT компания Huawei вместе с партнёрами проводила работы по подготовке к стандартизации и тестированию приложений, чтобы лучше понять потребности клиентов, ускорить модернизацию и оптимизировать технические решения. Только в первой половине 2016 года компания Huawei завершила множество совместных проектов. Например, вместе с Etisalat компания Huawei тестировала услуги и приложения для умной парковки; вместе австралийскими операторами (VHA и Optus) и компанией South East Water запустила в тестирование системы интеллектуального управления водоснабжением, а также заключила соглашение по стратегическому партнёрству с китайскими China Telecom и Shenzhen Water Group для реализации аналогичной системы.

В рамках выставки «Иннопром» «МегаФон» и Huawei продемонстрировали один из примеров применения нового стандарта NB IoT - «умную парковку». Использование решения «умной парковки» даст возможность компаниям - владельцам коммерческих парковок - эффективнее контролировать парковочное пространство, оптимизировать расходы на мониторинг занятости мест, а также позволит предоставить конечным пользователям удобный интерфейс через мобильное приложение для резервирования, оплаты и навигации до парковочного места.]]>