Как устроен стандарт NB-IoT для автономных IoT-устройств
NB-IoT, или Narrow Band Internet of Things, — сравнительно новый стандарт связи, который появился в 2016 году. Он нацелен на взаимодействие широкого круга автономных устройств: датчиков, счетчиков и других умных устройств, которые применяются в промышленности, «умных городах», ЖКХ, сельском хозяйстве и так далее, — между собой и с умными системами управления. Вместе с МТС, которая в 2018 году запустила сеть NB-IoT в коммерческое использование и обеспечила самое широкое федеральное покрытие в России, рассказываем, в чем заключаются преимущества этой технологии.
От поколения к поколению совершенствуется как покрытие сотовой связи, так и ее качество. Cмартфоны, ноутбуки и стационарные компьютеры сегодня подключаются к сетям 4G — высокоскоростным стандартам связи, которые позволяют воспроизводить потоковое видео в высоком качестве, обмениваться сообщениями разных форматов с объемными вложениями и общаться по видеосвязи с собеседником из любой точки мира. Проще говоря, они помогают удовлетворить ежедневные потребности пользователей.
Но развитие стандартов связи направлено не только на пользовательские гаджеты — современные протоколы обмена цифровыми данными также позволяют подключаться к сотовым сетям большому количеству умных устройств. Это так называемые сети интернета вещей. Для них важны совершенно другие характеристики, к примеру энергоэффективность или наличие устойчивого сигнала даже в труднодоступных местах. Один из таких стандартов — NB-IoT, который был создан объединением 3GPP в рамках работы над сетями нового поколения.
Развертывают сети интернета вещей стандарта NB-IoT сами телеком-операторы, используя базовые станции LTE и последующих технологий и тем самым обеспечивая широкое федеральное покрытие. К примеру, NB-IoT от компании МТС присутствует в более чем 80 регионах страны. Такое покрытие позволяет внедрить умные устройства на базе технологий интернета вещей даже в самых отдаленных населенных пунктах — и масштабировать решения на остальные регионы (что важно, к примеру, для производств).
Несмотря на то что NB-IoT развертывается на базе стандарта LTE, под этот стандарт выделяется отдельный ресурс сети. Это значит, что даже в периоды высоких нагрузок приоритет в обслуживании не будет отдан обычным пользователям.
К одному сектору базовой станции, обеспечивающей покрытие NB-IoT, можно подключить до 50 тысяч устройств, к трем секторам — уже 150 тысяч и так далее. Это важно, если учитывать, что в будущем количество IoT-устройств составит до сотен миллионов в пределах одной страны.
NB-IoT ориентирован на устройства, которые изредка передают данные и почти не расходуют батарею. По принципам и логике работы они отличаются от устройств, использующих 2G, 3G и 4G, поэтому в NB-IoT не работают решения межмашинного взаимодействия (M2M) из предыдущих поколений. Тем не менее для NB-IoT могут использоваться практически те же частоты. В России под этот стандарт выделены три диапазона:
Самое важное в NB-IoT — это возможность работы при низких уровнях сигнала (например, если базовая станция находится далеко или сигнал едва проходит сквозь препятствия) и высоком уровне шумов, когда поймать его мешают помехи на соседних частотах. Поэтому при разработке устройств для работы в сетях NB-IoT особое внимание уделяется оптимизации информационного потока и экономному энергопотреблению.
Заточенные под этот стандарт устройства должны работать на одном комплекте батарей до десяти лет. Это позволяет размещать их в труднодоступных местах, не беспокоясь о стабильности подключения и подзарядке. Например, на технологии NB-IoT работают общедомовые счетчики водоснабжения. Преимущества стандарта позволяют размещать их в подвалах, где электропитания нет, а уровень сигнала сети слабый.
При этом стандарт создан не для высоких скоростей передачи данных: этого не подразумевает специфика работы IoT-устройств, которым не нужно постоянно быть на связи друг с другом и платформой управления. Пиковая скорость загрузки данных составляет всего 21,3 кбит/с, а отправки — 62,5 кбит/с. Если использовать радиомодули нового поколения, скорость можно увеличить до 159 кбит/с, но преимущество будет заметно только при хороших радиоусловиях.
Скорость обмена данными уменьшается по мере роста помехоустойчивости сигнала, поэтому целесообразнее всего обмениваться данными небольшого размера — от 50 до 250 байт, которые можно передать за максимально короткое время. Однако от стандарта и не требуется передача аудио- и видеофайлов или файлов большого размера. В том числе поэтому в NB-IoT используется полудуплексный режим, то есть передача и прием данных разнесены по времени.
Еще одной важной характеристикой устройств на базе NB-IoT является частый отказ от IP. Для передачи данных используется протокол NIDD — Non-IP Data Delivery: устройству не присваивается IP-адрес, и ему не нужно знать IP-адрес сервера. Иначе говоря, базовая станция передает данные в сеть без адресата. Это позволяет самим устройствам выполнять меньше действий для передачи данных.
Кроме того, такой вид связи еще и безопаснее. Общение с устройством из интернета возможно только через особый элемент сети оператора (SCEF) — узел, обеспечивающий обмен данными с устройством посредством HTTP API и системы подписок. Поэтому вероятность взлома отдельного устройства становится гораздо меньше в сравнении с другими способами связи.
Характеристики сетей NB-IoT обуславливают специфику работы устройств, основанной на этой технологии. Они должны быть энергоэффективными, работать без дополнительной подзарядки несколько лет, передавать данные небольшого объема с определенной, заранее известной периодичностью и ловить сигнал, находясь даже в труднодоступных местах. Благодаря этому NB-IoT-устройства применяются в самых разных отраслях — например, для цифровизации ЖКХ, логистики или промышленности.
Самое широкое распространение технология получила в ЖКХ — на данный момент это лидер по внедрению IoT-устройств (более 30 процентов от всех NB-IoT-решений приходится именно на эту сферу). К примеру, NB-IoT применяется для автоматического сбора показаний счетчиков воды, газа и электричества в квартирах.
Умные датчики, работающие на базе NB-IoT, применяются для снижения уровня травматизма и смертности рабочих на производстве. Носимые устройства отслеживают местоположение сотрудников промышленного предприятия и оповещают ответственных лиц о перемещении работника в опасную зону. Также умные датчики на базе технологии NB-IoT позволяют контролировать ношение средств индивидуальной защиты.
В логистике датчики NB-IoT используют для отслеживания грузов, например, на больших складах, а также для контроля эксплуатации транспорта. Устройства подключаются к CAN-шинам, что позволяет сократить количество случаев нецелевого использования служебного транспорта и предиктивно проанализировать состояние техники.
Также NB-IoT используется, например, в сервисах проката самокатов. SIM-карты с поддержкой стандарта встраиваются в них уже на этапе производства. Таким образом можно не только защитить самокат от угона, но и получать актуальную информацию о его техническом состоянии.
В МТС развитием технологий интернета вещей NB-IoT занимается собственная научно-техническая лаборатория. В ее задачи входит не только поддержка и развитие стандарта в сетях МТС, но и помощь клиентам, которые разрабатывают устройства NB-IoT.
Понимая сложность разработки решений на базе этой технологии относительно других, в МТС создали набор для разработчика NB-IoT Development Kit и специальную методичку, описывающую специфику работы стандарта и решений, создаваемых на его базе. Набор позволяет собрать в домашних условиях прототип IoT-устройства и понять принцип работы технологий интернета вещей. К примеру, такие Dev Kits сегодня активно используются в высших учебных заведениях для подготовки будущих специалистов в области IoT.
Также на базе научно-технической лаборатории был запущен сервис «МТС Сертификация». С его помощью компании-разработчики могут убедиться в работоспособности устройства и его соответствии стандарту — и быстрее выпустить продукт на рынок. Все необходимые тесты МТС проводит в собственной лаборатории:
Экранированные камеры позволяют проводить лабораторные тесты в условиях радиовакуума, а когда требуется испытать связь на прочность, специалисты включают генератор помех.
Если вы захотите сами разрабатывать продукты NB-IoT, важно помнить правила безопасной работы:
С особенностями стандарта и разработки NB-IoT-устройств, на которые можно опираться при создании решений на базе технологий интернета вещей, можно ознакомиться в методичке от специалистов лаборатории. А для полной уверенности в собственном решении можно отдать предсерийный прототип в центр сертификации, протестировать его и получить рекомендации по дальнейшему улучшению устройства. Это позволит избежать ошибок при проектировании NB-IoT-девайсов.
Реклама: ПАО МТС, ИНН 7740000076