Технология NB-IoT в России: Устройства, инфраструктура и внедрение

Так как сети NB-IoT активно развиваются, это ускоряет популярность использования IoT вместо сетей 2G/4G. На это влияет также и постоянное снижение цены устройств для NB-IoT.

Далее вы узнаете, как специалисты предприятия «ЕвроМобайл» тестируют NB-IoT-сети российских сотовых операторов и работают с NB-IoT-модулями от Gemalto/Thales.

Приход NB-IoT в РФ

3GPP-консорциум, который работает в сфере создания спецификаций для мобильных сетей, в 2016 году утвердил использование формата NB-IoT, относящегося к стандарту LPWAN и первоначально разрабатывался с направленностью на небольшую скорость передачи данных и максимально длительную автономность работы оборудования в мобильных сетях.

Чем меньше оборудование будет принимать/отправлять данные, тем дольше оно сможет проработать от одного заряда аккумулятора. Базируется NB-IoT на текущих, современных технологиях мобильной связи.

В 2017 году на очередном заседании ГКРЧ (Госкомиссии по радиочастотам) были выделены полосы стандарта LTE под использование радиоэлектронным оборудованием технологии NB-IoT в РФ.

Российские NB-IoT-частоты, которые выделила ГКРЧ

Частота, МГц	Band	Дуплекс	Частотный разнос, кГц	Мощность передающего устройства абонента, дБ	Мощность передающего блока базовой станции, дБ
453–457,4 463–467,4	B-31 U/D	FDD	300, 200 по согласованию	23	44
791–820 832–862	B-5				от 41
880–915 925–960	B-8 D/U				43
1710–1785 1805–1880	B-3 U/D				43
1920–1980 2110–2170	B-1 U/D				41
2500–2570 2620–2690	B-7 U/D				41

Пока с NB-IoT могут работать мобильные операторы, которые имеют лицензии на вышеописанные частотные диапазоны.

Преимущества NB-IoT-решения

Технология NB-IoT при сравнении с другими стандартами мобильных операторов, отличается рядом таких преимуществ:

• Обеспечивает больший радиус действия сети — к БС (базовой станции) может подключиться до 50 тыс. абонентов, то есть 1,5 тыс. на каждый квадратный километр.
• Используются только низкие частоты, что обеспечивает максимально качественное проникновение сигнала.
• Максимальная автономность — от одного заряда батареи оборудование способно проработать порядка 10-и лет.
• Минимальные энергозатраты — NB-IoT-устройства передают небольшие объемы информации. Например, 1 счетчик за год способен сгенерировать и отправить всего 1 Мб данных.
• NB-IoT занимает 200 кГц спектра — сеть можно развернуть внутри главной полосы или за ее пределами, используя ресурсные LTE-блоки или свободную часть GSM-спектра.
• NB-IoT постоянно совершенствуется — совсем скоро планируется реализация 3GPP 2-го поколения NB-IoT — Rel. 14.

NB-IoT-модули в РФ

Предприятие Gemalto, которое входит в группу Thales — лидер среди производителей модулей для мобильных сетей с 1996 года. Именно на производственных мощностях этой компании был разработан первый модем GSM Cinterion, а также первый модуль, поддерживающий Cat. 1 LTE.

Сегодня порядка 100 миллионов Cinterion-модулей функционирует в самом разнообразном оборудовании интернета вещей. Основное направление развития предприятия — LTE. А при реализации новых идей в Gemalto/Thales придерживаются 2-х принципов:

1. Создают модули, отличающиеся высокой пропускной способностью. К примеру, модели Cat. 16 и Cat. 6 могут передавать информацию со скоростью от 300 Мбит/сек до 1 Гбит/сек.

2. Разрабатывают низкоскоростные модули, которые отличаются высокой автономностью. Сюда входят модели Cat.: 1, NB-1, NB-2, M1, M2.

Модуль Cinterion ENS22-E

Эта модель полностью совместима с устройствами 2G, 3G и LTE от Gemalto/Thales, что позволяет производителям выполнять максимально безболезненный переход без изменения платы и вмешательства в технологические процессы. Также, этот модуль имеет интерфейсы SPI, GPIO, I2C, UART.

Главное отличие ENS22-E — система управления питанием нового поколения, которая имеет высокие показатели энергоэффективности и может максимально результативно использоваться с аккумуляторными батареями (одного заряда хватает на 10 и более лет).

Работая в режиме Power Saving Mode (PSM), при котором оборудование отключается от источника питания, но остается в сети, ENS22-E способен потреблять всего 3 мкА. Среди остальных особенностей устройства:

• поддержка частичного обновления программного обеспечения по воздуху (Incremental FOTA) через сервер, которая позволяет получить необходимые изменения ПО без необходимости его полной замены. Этот режим экономит расход заряда батареи и делает процедуру обновления крайне быстрой;
• поддержка работы с чипсетом нового поколения Hi-Silicon;
• несколько режимов экономии расхода электроэнергии (PSM);
• режим eDRX (прерывистого приема с анализом сети и поиском пейджинговых сообщений);
• возможность использования дополнительного чипа для СИМ-карт, который поддерживает выгрузку профиля оператора онлайн;
• работа с протоколами M2M и LightWeight;
• встроенный стек IP.

Модуль ENS22-E имеет следующие технические характеристики:

Диапазон рабочих частот, МГц	1800, 850, 700, 900
Управление	АТ-команды Cinterion и 3GPP 27,007 и 27,005
Пропускная способность, кбит/сек	до 27 (DL), 63 (UL)
Доступные разъемы	для антенны LTE, 2 UART, 13 GPIO, ADC, U-sim/UICC (1,8/3 В), SPI, I2C
Напряжение питания, В	от 3,1 до 4,2
Рабочие температуры, градусов	от -40 до +85
Габариты, см	2,76 на 1,88 на 0,27

Устройство ENS22-E может использоваться совместно с самыми разнообразными платформами и применяется там, где нужно организовать надежную и стабильную отправку данных. К примеру, в: счетчиках ЖКХ, на парковках, в уличном освещении и подобных системах «Умного города».

Модули EXS62/EXS82

Эти устройства работают на основе микропроцессора Qualcomm последнего поколения и имеют форм-фактор, аналогичный ENS22, BGS2 и ENS5 (для NB-IoT, 2G и 3G соответственно).

Главная особенность устройств EXS62/EXS82 заключается в поддержке сразу нескольких технологий передачи данных через мобильные сети: Cat. M1, NB-1, Nb-2, 2G. При этом, наибольшей популярностью пользуется переход на 2G, так как NB-IoT пока только развертываются на территории России.

Оба этих модуля, как и ENS22, могут функционировать в энергосберегающих

режимах eDRX и PSM, которые обеспечивают бесперерывную работу устройств на протяжении не менее 10-и лет.

Кроме того, модели EXS62/EXS82 поддерживают ГЛОНАСС, GPS, Galileo и BeiDou — технологии, которые позволяют определять местоположение устройства, что крайне актуально для самых разнообразных сфер деятельности.

Оборудование может работать со всеми современными протоколами шифрования данных, что позволяет организовать безопасную отправку информации. Также, модули имеют собственное хранилище ключей шифрования.

Как и модель ENS22, устройства EXS62/EXS82 могут обновлять свое программное обеспечение по частотам iFOTA и поддерживают протоколы LightWeight и M2M интернета вещей.

EXS62/EXS82 рекомендовано использовать в каком-либо компактном оборудовании с питанием от аккумуляторов (например, в умных счетчиках, мониторинговых устройствах, различных датчиках (термометрах, влажности воздуха и т. п.), маяках, авто-закладках и т. п.

Характеристики EXS62/EXS82:

Диапазон рабочих частот, МГц	GSM: 850/900/1800/1900 LTE Cat. M1: 600 (Bd71), 700 (Bd12, Bd13, Bd14, Bd28, Bd85), 800 (Bd18, Bd19, Bd20, Bd26, Bd27), 850 (Bd5), 900 (Bd8), 1700 (Bd66), AWS (Bd4), 1800 (Bd3), 1900 (Bd2, Bd25), 2100 (Bd1) LTE Cat. NB1/NB2: 600 (Bd71), 700 (Bd12, Bd13, Bd17, Bd28, Bd85), 800 (Bd18, Bd19, Bd20, Bd26), 850 (Bd5), 900 (Bd8), 1700 (Bd66), AWS (Bd4), 1800 (Bd3), 1900 (Bd2, Bd25), 2100 (Bd1)
Пропускная способность, кбит/сек	до 27 (DL), 63 (UL) для Cat. NB-1 b до 300 (DL), 350 (UL) для Cat. N1
Доступные разъемы	антенна LTE, 2 СИМ-модуля, 114 площадок SMT-LGA, антенна ГНСС
Напряжение питания, В	для LTE и GSM — от 3 до 4,5; для LTE без GSM — от 2,5 до 4,8
Рабочие температуры, градусы Цельсия	от -40 до +85
Габариты, мм	27,6 на 18,8 на 2,17
Масса, грамм	3,5
ГНСС	ГЛОНАСС, GPS, Galileo и BeiDou

Кроме вышеописанных устройств, предприятие Gemalto/Thales занимается разработкой модуля рекордно небольших размеров — 1,6 на 1,6 см.

Gemalto/Thales — одна из ведущих мировых компаний, занимающая лидирующие позиции в сегменте защиты информации. Поэтому, давайте детальнее рассмотрим те меры обеспечения безопасности, которые используются в оборудовании от Thales/Gemalto:

• протоколы шифрования DTLS и TLS, работающие с облачными платформами;

• система определения глушения сигнала Jamming Detection;

• защита программного обеспечения путем шифрования файла образа, защищенного скачивания и обновления FOTA;

• работа с Gemalto сервисами: хранилищем и обновлением ключей на модуле;

• хранение сертификатов для интеграции с облаком;

• применение модуля СИМ для хранения информации.

IoT-модули от Gemalto/Thales

С 2011 года компания Gemalto/Thales занимается производством устройств с едиными размерами. Это позволяет производителям сопутствующего оборудования переходить с одной технологии на другую, сохраняя размеры своих плат. С 2020 года компания представила релиз модуля размерами 1,6 на 1,6 см., который может использоваться исключительно для IoT.

«ЕвроМобайл», как официальный дистрибьютор компании Gemalto/Thales на территории стран СНГ и РФ, всячески поддерживает разработчика продукта. Так, инженеры «ЕвроМобайл» ищут оптимальные решения под текущие задачи, а также проводят вебинары, в рамках которых рассказывают о продукции Gemalto/Thales.

Чтобы провести самостоятельное тестирование, вы можете заказать специальные платы отладки модулей у официального дистрибьютора Thales — компании «ЕвроМобайл».

Внедрение IoT в России

На территории Российской Федерации IoT развертывается согласно двум сценариям:

1. Внутри LTE (900 МГц).

2. Guard Band.

Второй вариант отличается наибольшей распространенностью. На краях своего спектра мобильные операторы выставляют несущую частоту для модулей IoT, выделяя для нее 200 кГц.

Множество российских компаний уже начали использовать IoT, но не все они запустили коммерческие проекты на основе этой технологии.

Тарифы определенных российских операторов для NB-IoT гаджетов:

Оператор	Трафик, стоимость и время	Подробности
Мегафон	20 руб/15 Мб	запущен в 2019 году
МТС	150 руб/1 Мб на год	полное покрытие
Билайн	5, 10, 20, 50 и 100 Мб	работа в тестовом режиме

Как правило, оборудованию, которое использует NB-IoT, достаточно всего 1 Мб в месяц. Например, если пользоваться услугами МТС, то этот оператор гарантирует пропускную способность канала в 159 кбит/сек, чего вполне достаточно для IoT.

Не так давно в МТС представили SaaS-решение для NB-IoT-оборудования под названием «IoT. Платформа», которое позволяет:

• беспроводной доступ к устройствам NB-IoT;

• автоматическое получение данных с датчиков;

• сигнализирование о каких-либо внештатных ситуациях.

Платформа имеет поддержку порядка 10 000 моделей оборудования. Одновременно к ней может подключиться от 1 млн. устройств с дальнейшим горизонтальным расширением емкости.

Эта платформа работает с устройствами по протоколам LWM2M и MQTT, но, если у вас есть устройство, которое не поддерживает эти протоколы, оператор может добавить адаптер протоколов, который создает индивидуально под каждое определенное устройство.

Протоколы, используемые в «IoT. Платформа»:

	MQTT (3.1.1)	LWM2M (CoAP)
протокол передачи данных	TCP	UDP
шифрование	TLS	DTLS
тип соединения	2,3G, LTE, Ethernet	NB-IoT
функции	для оборудования, которое работает от постоянного источника питания	для гаджетов, питающихся от аккумуляторов

NB-IoT прогнозируют быстрый прирост

Berg Insight сообщила, что в 2018 году объемы устройств, поддерживающих NB-IoT, в мире превысили 52 000 0000 единиц, а уже в 2019 этот показатель составил 142 000 000 устройств.

Сети NB-IoT стремительно развиваются и постепенно мигрируют из сетей 2G к 4G. Кроме того, эксперты отмечают, что такой быстрый рост NB-IoT обусловлен постоянным удешевлением оборудования.

А согласно аналитическим данным от Grand View Research, к 2025 году объемы рынка NB-IoT могут составить порядка 6 млрд. долларов. А все благодаря тому, что решения IoT идеально подходят для многих сфер деятельности.