NarrowBand Internet of Things, NB-IoT — беспроводная технология семейства LPWAN для Интернета вещей, реализуемая на базе инфраструктуры сотовых сетей и стандартизированная консорциумом 3GPP релизом 13: LTE-Advanced Pro.
В создании релиза участвовали производители оборудования для сотовых операторов: Huawei, Ericsson, Qualcomm и Vodafone. Каждый из них преследовал свои интересы и предлагал выгодные для себя технические решения.
EC-GSM (EC-GSM-IoT)
Extended Coverage – GSM – Internet of Things (EC-GSM-IoT) технология основана на стандарте eGPRS. Изменения, внесенные в eGPRS, позволяют использовать большинство установленных базовых станций для общения с EC-GSM-IoT устройствами без замены или модернизации аппаратного обеспечения. Вместе с тем, заявлено, что для работы EC-GSM-IoT потребуется обновление ПО существующего оборудования.
LTE Cat-M1
LTE Cat-M1 — дополнение стандарта LTE с более высокими параметрами энергоэффективности. Заявляется, что конечные устройства LTE Cat-M1 смогут работать в LTE-сети без модернизации базовых станций.
NB-IoT
Суть NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) заключается в использовании чипов, способных работать в сотовых сетях, но имеющих сравнительно простую логику.
Вместо выработки компромиссного решения, 3GPP включила в релиз три конкурирующих между собой технологии, выбор которой отдан на откуп производителям чипов или сотовым операторам.
Российские операторы используют оборудование, поддерживающее три технологии релиза 13 3GPP, но преобладает оборудование от Qualcomm.
Технология NB-IoT
Бизнес-модель сотовых операторов, работающих на технологии NB-IoT заключается в развитии рынка конечных IoT-устройств и предоставлении коммерческих услуг по передаче данных для решений Интернета вещей.
Так, операторы решений на NB-IoT предлагают 3 модели партнерства с поставщиками IoT-устройств:
- Продажа вертикального решения клиенту напрямую.
- Продажа IoT-сервисов клиентам совместно с партнером или через него.
- Продажа услуги связи партнеру без взаимодействия с клиентом.
NB-IoT выполняет роль «транспорта» — доставки данных от устройства до БС. Технология создавалась как надстройка для работы на уже существующей инфраструктуре.
В России для вещания NB-IoT могут использоваться только лицензируемые частоты в диапазоне: 890-915 МГц и 935-960 МГц при мощности передатчика до 200 мВт.
Использование выделенного спектра обеспечивает стабильность связи и защищает сеть от помех «чужих» сетей. Миллиардные затраты на покупку лицензированных частот покрываются доходами от бизнеса сотовых операторов.
В январе 2018 года ГКРЧ разрешила «большой четверке» сотовых операторов использование частот в режиме NB-IoT. Операторы смогут использовать под NB-IoT старые GSM-сети и сэкономить на покупке новых частот. Важно учитывать, что для вещания в GSM-сетях, вероятно, потребуется модернизация GSM-базовых станций (БС).
Ширина NB-IoT радиоканала равна ширине ресурс-блока LTE – 180 кГц. Это относительно высокое значение по сравнению с узкополосными LPWAN-технологиями.
Такой канал позволяет использовать NB-IoT для приложений со скоростью от 20 000 до 250 000 бит/сек.
Сравнительно высокие скорости на практике выглядят избыточными для многих IoT приложений, в частности, для одного из наиболее массовых рынков — диспетчеризации приборов учета в ЖКХ.
Высокая, относительно узкополосных LPWAN-протоколов, скорость отрицательно сказывается на других характеристиках: дальности связи, масштабируемости решений, проникающей способности.
Базовые станции
NB-IoT
Ключевые характеристики базовых станций: чувствительность, дальность связи и емкость.
Предполагаемая дальность связи NB-IoT станции — до 15 километров в сельской местности. Однако, судя по показателю бюджета связи — 164 дБ и низкой чувствительности приемника: -127 дБм, вряд ли базовая станция сможет в городских условиях «услышать» умные устройства на расстоянии дальше, чем 2-3 километра.
В городах, по оценкам операторов, ограничивающим фактором станет не дальность, а емкость сети (способность принять и обработать сигналы от устройств-абонентов). Для его нивелирования предполагается довести плотность сети в городе до 1 базовой станции на квадратный километр, на которые приходятся всего несколько тысяч датчиков (до 4000 согласно расчетам специалистов).
Эта задача будет решаться либо за счет использования GSM-сети, либо затратами на новые БС с поддержкой NB-IoT.
Вероятно, перед операторами стоит задача модернизации некоторой части оборудования: базовые GSM-станции, выпущенные ранее 2015 года, не поддерживают стандарт NB-IoT и нуждаются в аппаратном «апгрейде». GSM-оборудование, выпущенное после 2015 года, обновляются программно.
Модернизация инфраструктуры для сетей NB-IoT будет находиться в значительной зависимости от коммерческих перспектив конкретных территорий.
Малая дальность связи будет ограничивающим фактором проникновения покрытия традиционных сотовых сетей в малонаселенных районах: селах, автомагистралях, полях.
С учетом вышеописанных факторов, перспективы распространения NB-IoT за пределами крупных городов представляются ограниченными.
XNB от СРТ
Благодаря тому, что базовая станция СРТ способна одновременно обрабатывать до 5 000 каналов в нелицензируемом 500 кГц диапазоне, ее емкость составляет до 1 000 000 устройств в сутки. Подтвержденный радиус действия БС — до 10 километров в условиях городской застройки и до 50 километров на открытой местности.
Базовую станцию СРТ отличает высокий бюджет канала связи в 174 дБм. Преимущество в 10 дБ по сравнению с бюджетом NB-IoT дает трехкратное увеличение дистанции связи или дополнительные 2 бетонные стены в доме.
Улучшения, вносимые в протокол XNB, не влияют на аппаратную часть станций и вносятся на программном уровне. Обновление ПО происходит централизованно с сервера и занимает не больше минуты.
Вывод
Из-за более низкой чувствительности, а также «фиксированного» расположения сотовых вышек, NB-IoT-станция может «слышать» не все сигналы, из-за чего появляются «слепые зоны» покрытия, особенно в труднодоступных местах. Умные счетчики не поставишь в подвал или железный шкаф, что критично для организации масштабных решений учета ресурсов в ЖКХ.
На практике это означает, что БС сотового оператора не примет показания от 20 из 100 установленных на первых этажах дома приборов учета. Эффективность и целесообразность такого решения с точки зрения пользователя снижается до нуля. При этом телеком-оператор не будет ставить дополнительную дорогостоящую NB-IoT станцию для устранения относительно небольшого «белого пятна» на карте покрытия.
Такой подход не окупит затрат на приобретение новой БС, процедуру согласования оборудования и монтажа.
Стоимость развертывания LPWAN-сети
Базовые станции СРТ не требуют лицензирования и согласований на установку. Будь то предприятие со 120 датчиками температуры в отдаленном районе или застройщик с 5 000 умными счетчиками
Проект федерального покрытия телематической сетью СРТ для Интернета вещей на транспорте может быть реализован с помощью мобильных БС, встраиваемых в транспортные средства, и развертывания сети стационарных базовых станций — их небольшая стоимость позволяет это сделать.
Затраты на обслуживание базовой станции СРТ составляют около 400 рублей в месяц: оплата интернет-трафика и 11 киловатт-часов электроэнергии — столько потребляет одна люминесцентная лампочка.
Вывод
Высокая стоимость оборудования, его обслуживания и неподъемная для малого и среднего бизнеса цена лицензирования радиочастот будут и дальше сдерживать развитие NB-IoT технологии.
Развертывание сети на неосвоенной операторами территории: в сельской местности, дорогах повлечет затраты на инфраструктуру, подведение коммуникаций и различные согласования (капитальное строительство сотовых вышек). Удаленные районы, очевидно, не могут быть охвачены операторами NB-IoT-сетей как минимум ближайшие 7 лет. Разворачивать сотовые сети с поддержкой NB-IoT технологии смогут только крупные сотовые операторы, и там, где это может быть экономически оправдано: в крупных городах с уверенным покрытием и развитой новой инфраструктурой сотовых сетей.
Развернуть IoT-сеть на технологии XNB может профильный предприниматель или организация: компания, управляющая жилым кварталом, фермерское хозяйство, или ресурсоснабжающая организация.
Низкая стоимость, малые габариты и невысокие требования к обслуживанию базовых станции СРТ позволяют масштабно разворачивать IoT-сети на больших территориях, в том числе и вдоль автомобильных и железных дорог для транспортных приложений. Такой сценарий предусмотрен «Дорожной картой» программы «Цифровая экономика России», а также рядом индустриальных программ, связанных с повышением эффективности управления инфраструктурой и безопасностью на транспорте.
Оконечные устройства
Сегодня в России решения на технологии NB-IoT предлагают несколько сотовых операторов. Однако в продаже конечного оборудования, работающего на базе NB-IoT, на крайне мало.
Препятствует распространению NB-IoT сложна архитектура решения. В предлагаемых операторами системах счетчики нужно подключать к устройствам сбора и передачи данных (УСПД) по проводам через внешние интерфейсы.
Опыт эксплуатации доказывает, что проводные соединения усложняют процесс монтажа и снижают надежность решения: выйдет из строя геркон дешевого счетчика, отойдет контакт, его перепутает электрик или намеренно оборвут жильцы.
Кроме того, из-за высоких пиковых токов в устройствах, работающих на NB-IoT, необходимо внедрять дорогую и энергоемкую батарею. Это предполагает не только удорожание решения, но и увеличение размеров устройства: такие батареи чаще всего имеют крупные габариты.
Причем работа умных устройств в решениях на NB-IoT предполагает наличие SIM-карт, что ведет к ещё большему удорожанию внедрения, путанице с пользователями и последующим затратам на абонентское обслуживание.
В свою очередь СРТ продаёт устройства, готовые к использованию «из коробки». Счетчики и датчики со встроенными XNB-радиомодулями не отличаются по установке и пуско-наладке от стандартных традиционных устройств без связи.
Подключения УСПД и вызова специалистов-наладчиков не требуется.
Вывод
- Для того, чтобы стать действительно массовым, решение должно быть максимально простым, готовым и беспроводным.
- Пока имеющиеся на рынке NB-IoT устройства выполнены в виде модемов-«полуфабрикатов» и не представляются надежными решениями.
- СРТ поставляет готовые беспроводные устройства, работающие в любой LPWAN-сети прямо «из коробки».
Стоимость конечных устройств
Цена NB-IoT радиомодуля (непосредственно чип плюс обвязка) начинается от 650 рублей, на крупно-оптовых партиях, вероятно, цена может быть снижена.
Цена УСПД RTU102m-NB1 с поддержкой NB-IoT — 5 000 рублей. К этой цифре необходимо добавить затраты на интеграцию с счетчиком и стоимость собственно водомера с импульсным выходом. Итоговая стоимость решения — более 6 000 рублей за 1 узел учета воды.
Другой сценарий — умные счетчики с радиомодулем NB-IoT. Например такой счетчик воды стоит порядка 4 500 рублей, что в два раза дороже устройства от СРТ и в 6 раз дороже обыкновенных водомеров.
Так, розничная цена счетчика воды с XNB-радиомодемом СРТ — 2 030 рублей. Продажа первых решений СРТ по дистанционному учету коммунальных ресурсов началась в 2014 году. Спустя 3 года было реализовано и установлено почти 200 000 устройств.
Вывод
Рынок «умной» автоматизации чувствителен к стоимости и удорожанию конечных устройств: увеличение себестоимости датчика даже на 50 рублей, выпущенного миллионной серией, повлечет соответствующие расходы. В особенности это критично для решений, связанных с ЖКХ.
Готовых устройств с поддержкой NB-IoT крайне мало. УСПД дороги из-за высокой стоимости «железа» и отсутствия отлаженного крупносерийного производства. Появление устройств NB-IoT, сопоставимых по цене с устройствами других производителей, ожидается не ранее 2020-2021 года.
Массовое производство чипов, на базе которых создан радиомодуль СРТ, положительно сказалось на стоимости: они в 3-4 раза дешевле чипов для NB-IoT.
Разница в стоимости комплектующих отражается и на стоимости готовых устройств. Невысокая цена радиомодуля СРТ обеспечивает низкую себестоимость IoT-решений, включающих десятки тысячи автономных приборов.
Идеальный сценарий использования XNB — стационарные и мобильные приложения на территориях или объектах, где требуется развертывание телематических сетей с высокими требованиями к проникающей способности сигнала и автономности конечных устройств.
Ведется разработка собственного LPWAN-чипа XNB, совмещающего в себе трансивер и микроконтроллер. Создание собственного чипа упростит и максимально удешевит производство устройств СРТ.
Автономность
Диапазон скоростей передачи сигнала в сетях NB-IoT варьируется от 20 000 до 250 000 бит/сек. Мощность радиосигнала NB-IoT-устройств — 23 дБм или 200 мВт. При этом, производители заявляют о 10-летней автономности приборов. По оценкам экспертов, для обеспечения 10-летнего срока жизни прибора, с учетом температурных колебаний, потребуется батарея емкостью от 7 до 15 Втч.
Энергоэффективный протокол XNB от СРТ отправляет сообщения со скоростью 50 бит в секунду в полосе 100 Гц. Небольшая скорость и узкополосный сигнал обеспечивают хороший бюджет связи.
Устройства СРТ передают радиосигнал мощностью до 25 мВт. Это в 8 раз ниже мощности, излучаемой NB-IoT-радиомодемом.
Средние показатели потребления питания при этом: до 10 мкА - в режиме «сна» и до 50 мА — в режиме передачи (оценка по верхней планке).
Вывод
При сравнении технологий NB-IoT и XNB с точки зрения автономности конечных устройств последняя выглядит гораздо предпочтительнее.
Высокая скорость передачи снижает срок службы батареи конечных устройств — чем выше скорость, тем больше энергии расходует NB-IoT-радиомодуль.
Подтвержденный автономный срок работы XNB-счетчиков СРТ составляет 6 лет. Столько времени уже проработали первые умные устройства в жилых кварталах Москвы и Перми.
XNB-протокол оптимален для прикладных задач съема телеметрии, требующих длительной автономной работы. Например, счетчиков ресурсов или иных датчиков, установленных в труднодоступных местах: подвалах, стояках многоквартирных домов и подземных парковках.
Развитие технологий в России
Сетевое оборудование, поддерживающее NB-IoT, производится за пределами России компанией Qualcomm и рядом других крупных иностранных вендоров.
Так, сотовые сети российских операторов — базовые станции, программное обеспечение и система управления БС, — как минимум, наполовину построены на оборудовании китайского вендора.
IoT-платформа СРТ, включая оборудование и программное обеспечение, — полностью отечественные: базовые станции собираются в Москве, конечные устройства производятся на собственных мощностях, а также на заводах российских партнеров.
Серверы компании расположены на территории России. Ведется работа по внедрению в систему шифрования согласно ГОСТ.
С 2014 года СРТ создает и применяет российские информационные технологии и обеспечивает их конкурентоспособность на международном уровне.
Разрабатываемые и внедряемые СРТ решения для интернета вещей в полной мере соответствует основным положениям «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной Президентом, а также проекту «Умный город», входящий в госпрограмму «Цифровая экономика».
Вывод
Строить сетевую инфраструктуру на иностранном оборудовании и ПО небезопасно как по техническим, так и политическим соображениям. А так как операторы имеют обыкновение закладывать часть стоимости оборудования в последующее его обслуживание, сотовые IoT-сети могут существенно подорожать в ближайшие 3 года.
СРТ последовательно выполняет программу Стратегии, заменяя импортное оборудование, программное обеспечение и электронную компонентную базу на российские аналоги, не уступающие, а во многом и превосходящие иностранные разработки.
Преимущества и особенности NB-IoT
Преимущества
Наличие инфраструктуры в крупных городах: пользователь не «заморачивается» на развертывании станций.
Высокие скорости передачи информации: можно использовать для приложений с уровнем трафика от 20 000 до 250 000 бит/сек.
Низкая задержка передачи сигнала (latency) до 1 сек от момента срабатывания до оповещения в личном кабинете. На загруженных сетях задержки могут достигать 3 секунд.
Идеальный сценарий использования NB-IoT — стационарные и мобильные приложения в городской черте с высокими требованиями к пропускной способности канала и сравнительно терпимыми к проникающей способности и автономности.
Особенности
- абонентская плата за трафик;
- риск одностороннего изменения условий сотрудничества: увеличение абонплаты;
- полная зависимость от оператора и его инфраструктуры;
- отсутствие готовых конечных устройств: связка модем-счетчик ненадежна;
- невозможность развернуть частную сеть;
- наличие SIM-карт в объемах от 100 устройств вызывает путаницу на стороне клиента;
- относительно невысокая автономность: придется менять батарею или обеспечивать постоянное питание;
- дорогая инфраструктура и лицензии на частоты при развертывания новой сети в малонаселенной местности, за которую платит пользователь в виде абонплаты;
- стоимость модемов и точки учета выше среднего по отрасли;
- ниже показатель чувствительности и, как следствие, хуже проникающая способность сигнала;
- наличие теневых пятен в покрытии;
- длительный TTM (time to market) решений: заявленные решения придется ждать от 1 года и более;
- иностранная технология от зарубежных вендоров (информационная безопасность).
Перечисленные особенности приводят к тому, что NB-IoT безусловно получит определенное применение в городах с населением более 100-300 000 человек. В городах с меньшим населением, по запросу крупных клиентов возможно построить NB-IoT-сеть за 6-9 месяцев. Покрытие автомобильных и железных дорог, вероятно, не будет в приоритете.
Наиболее привлекательные приложения для NB-IoT:
- ритейл и банки: вендинговые аппараты, кассовые аппараты, банкоматы;
- медицина: носимые устройства, удаленный мониторинг;
- системы безопасности: сигнализация, контроль оборудования;
- потребительская электроника.
Преимущества и особенности XNB
Преимущества
- Дешевые базовые станции: от 86 650 руб.
- Низкая стоимость владения сетью (питание, транзитный канал) — от 400 руб. на станцию в мес.
- Широкий территориальный охват: до 10 км в городе, 40 км. на открытой местности.
- Белые пятна легко «закрываются» недорогими базовыми мини-станциями.
- Высокая плотность устройств: до 1 000 000 устройств на 1 станцию в сутки.
- Эффективное покрытие малонаселенных территорий, автомобильных и железных дорог мобильными или стационарными БС.
- Высокая проникающая способность делает возможным опрос устройств из подвалов, стояков, шкафов, что критично для учета ресурсов в ЖКХ.
- Высокая автономность устройств: до 10 лет от встроенной батареи.
- Возможность развертывания частных и закрытых сетей без абонплаты.
- Не требует лицензирования, свободно используется в любой точке РФ.
- Отсутствие расходов на лицензию не перекладывается на абонента
- Готовые интегрированные plug-and-play устройства и законченные решения.
- Стоимость чипов ниже — стоимость устройств ниже.
- Вертикальная платформа LPWAN-связи: от протокола до пользовательского приложения.
- Быстрый вывод решений на рынок: 3 недели на прототип, 2 месяца на готовый продукт.
- 100% отечественная технология: импортоопережение, безопасность, экспортный потенциал.
Идеальный сценарий использования XNB — быстрое и недорогое развертывание частных или публичных сетей с большой плотностью стационарных или мобильных устройств на любой территории, независимо от коммерческих интересов традиционных сотовых операторов.
Особенности
- Скорость передачи: 50/500/5000 бит/сек, подходит для приложений с низкими требованиями к пропускной способности канала связи: телеметрия счетчиков и датчиков.
- Нелицензируемый диапазон — выше вероятность помех — эффективно нивелируется за счет узкополосного подхода и высокого бюджета канала связи (link budget) 174 дБм.
XNB идеален для использования в следующих отраслях:
- ЖКХ и электроэнергетика: диспетчеризация и учет ресурсов.
- Транспортная телематика: мониторинг грузов, вывоз отходов, «цифровая железная дорога».
- Контроль зданий и объектов: датчики дыма, доступа, температуры, протечки.
- Аграрный сектор: мониторинг на обширных территориях сельскохозяйственных полей, складов, теплиц.
- Необходимость разворачивать сеть там, где нет покрытия, для XNB не является барьером, так как инфраструктура доступна даже для небольшого заказчика.
| Характеристики | XNB от СРТ | NB-IoT от 3GPP |
|---|---|---|
| Происхождение технологии | Российская | Зарубежная |
| Функциональность | Возможно построение частных / локальных и публичных сетей | Только сети операторов сотовой связи |
| Частотный диапазон | 868,8 МГц (не требует лицензирования) полоса 500 кГц. (Возможна реализация на иных субгигагерцовых частотах) | Лицензируемый: uplink 890-915 МГц, downlink 935-960 МГц |
| Ширина полосы канала | 100 Гц | 180 кГц |
| Бюджет канала связи | 174 дБм | 164 дБ |
| Диапазон скоростей | 50 / 500 / 5000 бит/сек | 20 000 бит/сек – 250 000 бит/сек (канальная скорость, информационная м.б. ниже) |
| Чувствительность приемника БС | Высокая, -150 дБм (для 100 бит/сек) | Низкая, - 127 дБм (для 20 000 бит/сек) |
| Дальность связи в городе | До 10 км и более | До 3 км |
| Дальность связи на открытой местности | До 40 км, ограничение – линия горизонта | До 15 км |
| Энергоэффективность | Высокая | Низкая |
| Проникающая способность | Высокая | Средняя |
| Стоимость БС | От 86 650 руб | От 700 000 руб |
| Эффективность развертывания в малонаселенных районах | Высокая | Низкая |
| Мобильные и встраиваемые БС | Да | Нет |
| Пользовательские устройства | Да | Нет, только модемы |
| Стоимость радиомодулей | От 200 руб | От 650 руб |
| Шифрование по ГОСТ | Внедряется | Нет |
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.