NB-IoT (Narrowband Internet of Things - узкополосный интернет вещей) - стандарт, о котором в последнее время вспоминают все чаще. Строго говоря это не самостоятельный стандарт, а скорее надстройка над LTE, которая помогает мобильной связи четвертого поколения стать IoT-совместимой. Первый релиз NB-IoT вышел в составе Release 13 в 2016 году, и с этого момента технология развивалась как часть семейства LTE.
Но зачем LTE вообще понадобилась какая-то надстройка? И что не так со стандартом “из коробки”? А как реализован NB-IoT внутри?
Обо всем этом поговорим в этой статье.
Концепция мелкого IoT
Для начала нам надо понять, зачем LTE вообще нужна какая-то надстройка и чем плох стандартный функционал. Тут все просто.
Очень большая доля девайсов из мира Интернета Вещей - это небольшие автономные датчики, живущие от батарейного питания. Датчики могут отличаться друг от друга, но есть некоторые схожие черты:
Им не обязательно передавать информацию постоянно. Например, у нас может быть счетчик воды, который отправляет свои показания раз в сутки. Само показание - пакет в несколько байт. Это просто копейки трафика.
Они живут от батарейки и должн�� прожить от нее хотя бы год-два. Заряжать тот же водосчетчик каждую неделю - довольно странная идея. Значит датчик будет экономить на всем, на чем только может. И в первую очередь на работе передатчика. Никаких alive-пакетов и минимум служебного трафика. Отправили показания и уснули на сутки. Выход на связь по расписанию. Принудительное обращение к датчику может быть вообще не предусмотрено. Действительно, чего вы можете хотеть от водосчетчика в три часа ночи?
Они должны стоить как можно дешевле. Тут без комментариев.
Они могут жить в сложных радиоусловиях, ибо любят всякие подвалы и щитовые.
Но вот в чем серьезная особенность таких IoT “вещей”: их может быть очень много. Не просто десятки, а сотни и тысячи на одну базовую станцию. Они создают в эфире крошечный трафик, но берут числом.
Все это переворачивает традиционную концепцию “Интернета людей” вверх ногами. Теперь у нас не десять абонентов на точке, которым нужно в любой момент времени быть на связи и потреблять мегабиты трафика. Теперь у нас сотни и тысячи потребителей. Впрочем, в разы менее прожорливых.
LTE проектировалась как раз под Интернет Людей. Потому стандарт не умеет работать с такими необычными потребителями. Но можно его научить.
Внутри четвертого поколения
Для начала нам нужно узнать два важных параметра LTE. Имя первому параметру - PRB (Physical Resource Block - физический ресурсный блок). По сути, PRB похожи на кирпичики, из которого в LTE собирают частотно-временной ресурс для передачи данных. Если сильно упростить: оператор (точнее, базовая станция) каждый момент времени раздает устройствам не весь канал сразу, а вот такие PRB - кусочки спектра фиксированного размера. Технически PRB в LTE - это 12 поднесущих по 15 кГц (суммарно они занимают 180 кГц) длительностью 0,5 мсек.
Важно понимать - это не кадр и не таймслот. Хотя PRB имеет признаки всех этих сущностей, но при этом от них отличается.
Давайте запомним. PRB - это двумерный (частота+время) кусочек спектра. Из таких кусочков строится полоса оператора LTE. PRB нужен за тем, что в него можно положить какие-то полезные данные. Что это за данные?
Собственно, трафик для пользователя.
Управляющая информация - служебные данные, которые говорят устройству, что именно ему делать (кому/где/с какими параметрами передавать).
Референсные (опорные) сигналы - метки для приемника. По ним оценивают канал, выравнивают частоту/фазу и вообще делают так, чтобы данные можно было нормально демодулировать.
Сигналы синхронизации/поиска (в тех ресурсах, где они предусмотрены) - чтобы устройство могло найти соту и синхронизироваться.
Пустые/зарезервированные элементы - когда часть ресурса намеренно не используется под данные (по правилам структуры кадра/сигналов).
Разные PRB могут иметь разную модуляцию и уровень кодирования. На самом деле там логика чуть сложнее, но в нее мы сейчас не полезем. П��осто учтем, что LTE - это не цельный поток данных, а полотно частно-временной сетки из PRB.
Второй важный параметр в нашей истории называется защитная полоса LTE (guard band). Это краешек частотного канала LTE, который обычно не занимают трафиком. Она нужна чтобы система вписывалась в выделенную полосу излучений и меньше мешала соседним каналам. И до недавнего времени так и было.
Ресурсные блоки и защитная полоса удивительно хорошо подошли для того, чтобы начать перекройку стандарта под нужды IoT.
Переходим к практике
NB-IoT изначально спроектирован так, чтобы его удобнее было встроить в сотовую связь четвертого поколения. Для начала у стандарта есть деление на downlink (от базовой станции к устройству) и uplink (соответственно от устройства к базовой станции). Как и LTE в целом, эти каналы в NB-IoT работают ассиметрично.
Downlink NB-IoT занимает 180 кГц, т.е. идеально вписывается в размер PRB. Это не случайно. По ходу передачи отдельные PRB выделяются под нужды NB-IoT, причем выделение не хаотично. Для каждой ширины полосы есть свои индексы PRB, которые могут стать носителем информации для Интернета Вещей.
Что значит, что PRB выделен под IoT? Две важнейшие вещи:
Как бы не хотел Интернет Вещей использовать различные хитрости и уловки, downlink жестко идет в полотне передачи LTE, занимая там отдельные квадратики. И он не должен и не может нарушать эту общую логику. Потому большая часть физических процедур тут наследуется от четвертого поколения.
Но. Все-таки IoTный PRB - это не просто блок с пометкой “для датчиков”. Некоторые вещи там уникальны. К примеру, используются свои сигналы для синхронизации, поиска соты, опорные сигналы и частично сигналы системной информации. Т.е. это одновременно LTEшный и не LTEшный блок.
Если в downlink мы вынуждены жить по правилам общего широкополосного сигнала LTE, то в uplink все попроще. Там использует SC-FDMA (а не OFDMA) и передатчик работает в очень узких конфигурациях. Передача может идти на одной поднесущей (это называется однотоновый режим) с шагом 3,75 кГц или 15 кГц. А также несколько поднесущих (многотоновый режим) на 3/6/12 по 15 кГц, то есть примерно 45 / 90 / 180 кГц суммарной полосы.
На практике это выглядит так: чем уже и проще передача, тем легче маломощному датчику пробиться из подвала или колодца, но тем ниже полезная скорость и спектральная эффективность. По модуляции здесь используются низкоуровневые схемы (BPSK/QPSK, а н�� высокопорядковые QAM), поэтому в один символ кодируется меньше бит, зато сигнал устойчивее к шуму и замираниям. Плюс SC-FDMA помогает передатчику устройства экономнее расходовать батарею.
Все эти ухищрения с узкой полосой и простой модуляцией были бы напрасны, если бы NB-IoT не умел системно "продавливать" связь в самых тяжелых условиях. Этот механизм называется Coverage Enhancement (CE) и работает он за счет двух простых, но крайне эффективных приемов:
Многократные повторения одного и того же сообщения.
Снижение скорости передачи (lower data rate).
По сути, датчик в глубине щитка не пытается крикнуть быстро. Он "бубнит" одно и то же очень медленно и разборчиво много раз подряд. Это позволяет приемнику на базовой станции накопить энергию сигнала и вычленить его из шума. Благодаря CE, NB-IoT может улучшить порог покрытия на колоссальные +20 дБ относительно обычного LTE, что на практике означает проникновение сигнала в те самые подвалы, колодцы и щитки.
Расплата за такую живучесть - невысокая скорость (пиковые значения около 250 кбит/с в downlink и ~20-250 кбит/с в uplink, но это пик) и значительные задержки (от секунд до десятков секунд). Однако, для счетчика, передающего раз в день показания в несколько байт, это вообще не принципиально.
Один о трех головах
У NB-IoT есть три режима развертывания. Это одно из главных преимущества стандарта: он очень адаптивен и прекрасно вписывается в архитектуру LTE. Даже туда, куда сам LTE вписывать не планировали.
In-band - NB-IoT размещается внутри существующей полосы частот LTE. Тут все просто. Живя в отдельных PRB NB-IoT блоки могут работать на уже существующей сети, органично вписываясь в ее структуру. По большому счету, все сказанное выше в первую очередь относится к этому режиму.
Guard-band - NB-IoT ставят в защитной полосе LTE. Я думаю, у вас вызовет вопрос такая смелость: защитную полосу, вообще-то, не просто так выделяли. Но тут все объяснимо. Иногда защитная полоса “простаивает”. Там дальше, за ней по какой-то причине ничего нет. И защищать, по сути, нечего. Следующий сигнал начинается достаточно далеко по спектру. А защитный интервал в LTE все равно предусмотрен. В этом случае, можно добавить в этот узкий участок полезный и узкий же сигнал NB-IoT. Но тут есть важное ограничение. Иногда защитная полоса выполняет свою прямую функцию. И добавление туда нового источника сигнала может-таки оказать влияние на соседей. Потому, такой вариант развертки требует очень аккуратного и взвешенного подхода.
Standalone - здесь стандарта у NB-IoT есть своя полоса в спектре, которую использует только он. Никакой конкуренции за PRB с LTE и впихивания трафика на защитную полосу. Когда можно позволить себе такую роскошь?
Во-первых, если есть место в спектре и есть солидная нагрузка от IoT-устройств. Тогда логично выделить им свое место и пусть себе работают.
Во-вторых, бывают случаи, когда важно жестко отделить IoT от пользовательского трафика на уровне физики. Это может быть связано с планированием сети, законодательными ограничениями или информационной безопасностью.
Экономим электричество
Все эти ухищрения сошли бы на нет, если бы в NB-IoT не были предусмотрены свои специальные режимы работ оконечных устройств. Главная цель этих режимов - экономия батареи.
Активная работа - тут все просто. Оконечное устройство всегда на связи. Экономии ноль, но режим существует. Мало ли какие потребности может закрывать датчик. В конце-концов некоторые датчики живут в плохих радиоусловиях, но с гарантированными питанием.
Режим eDRX (extended Discontinuous Reception) - это сон с редкими проверками. Устройство спит долго, но периодически просыпается на короткое окно и слушает, не пришла ли команда от сети. Батарея расходуется заметно меньше, чем при активной работе, а сеть все еще может достучаться до устройства. Но не мгновенно, а с задержкой до ближайшего окна прослушивания. Согласно спецификации 3GPP, период прерывистого приема eDRX составляет от 20,48 до 10485,76 секунды, т.е. почти до трех часов.
Режим PSM (Power Saving Mode) - это глубокая спячка. Устройство формально остается зарегистрированным, но радио выключено почти полностью и сеть не может вызвать его в любой момент. Максимальная экономия батареи достигается ценой недоступности до следующего планового пробуждения самого устройства. Теоретический максимум такой спячки по 3GPP - 35 712 000 с, то есть примерно 413 дней. Практически важно, что итоговый интервал утверждает сеть оператора. Устройство запрашивает значение, но сеть может выдать меньше.
Думаю, если вы знакомы с классами устройств в LoRaWAN, то у вас сейчас сильное дежа вю.
Симки для М2Мки
Раз NB-IoT неразрывно связан с сотовой связью, кажется логичным вопрос. А что у нас с регистрацией в сети? Датчикам теперь тоже нужны симки?
Да, в NB-IoT авторизация проходит по сотовой схеме, как в LTE. Устройство с содержит IMSI и секретный ключ, при регистрации в сети запускается процедура через ядро оператора. После успешной аутентификации поднимаются ключи шифрования/целостности и только потом разрешается передача данных. То есть в нормальной операторской модели у каждого датчика действительно есть свой профиль абонента - физическая SIM, eSIM или iSIM (логически это свой SIM-профиль на устройство). На практике для массовых IoT-девайсов часто используют eSIM с удаленным управлением профилями, чтобы не менять карты руками. Исключений вообще без SIM в публичных сотовых NB-IoT сетях обычно нет. Можно менять форм-фактор и модель, но не сам принцип абонентской аутентификации. Так что да, датчики с симками. Спасибо, что не всегда они физические.
А что там на рынке?
Самое время оглядеться вокруг и сравнить NB-IoT с конкурентами. Насколько хороша надстройка над LTE? Сделает она ту же LoRaWAN или есть проблемки?
На самом деле, лобовое сравнение NB-IoT хоть с чем-то абсолютно бессмысленно. И дело тут не в технике, а в административке. Точнее в тех особенностях, которые налагает стандарт для своего использования в России.
То, что это надстройка над LTE как бы подразумевает, что для работы с NB-IoT у нас дол��но быть разрешение для работы с LTE. То есть де-факто (и уж точно де-юре) мы должны быть сотовым оператором. Это делит кейс использования стандарта на две огромные части.
Часть первая. Мы - оператор сотовой связи. Тогда нам максимально просто и быстро развернуть сеть NB-IoT. Как правило вся задача сводится к перепрошивке базовых станций там, где нам нужен сигнал. И у нас куча плюсов:
Не тратимся на инфраструктуру.
У нас конкурентов по пальцам руки пересчитать (если речь именно про NB-IoT).
Даже если говорим о каких-то частных сетях, все равно без нашей лицензии их законно никто не развернет.
В общем, для операторов NB-IoT - штука полезная и перспективная. Только все никак она в России полноценно не взлетит.
Потому что есть вторая часть. В ней мы - кто угодно, но не оператор сотовой связи. Интегратор, телеком-провайдер, крупный завод, маркетплейс с кучей складов. Т.е. либо конечный потребитель услуг, либо тот, кто этому потребителю создает инфраструктуру и поднимает проекты.
В этом случае, если мы выберем для работы NB-IoT, у нас в схеме ВСЕГДА будет некий сторонний игрок в виде того самого оператора сотовой связи, которого мы никак не исключим.
Да, если мы крупные, то оператор может нам сделать довольно глубокую интеграцию.
Да, можно купить платформу и пакет услуг у того же оператора. МТС или Мегафон таким занимаются. В этом случае NB-IoT мы получим в общем пакете услуг.
И все-таки эта привязка к сотовикам в корне меняет правила игры и делает абсолютно бессмысленным какие-либо технические сравнения с LoRaWAN, NB-Fi или еще кем-то.
Главное, что нужно будет сказать в таком сравнении: вы МОЖЕТЕ развернуть закрытую частную сеть LoRaWAN и она будет под вашим полным контролем. А NB-IoT живет в своем сотовом мире и никогда под ваш контроль полностью не перейдет.
Можно еще вспомнить “околосотовые” стандарты IoT. Их, на самом деле, не так уж мало.
EC-GSM-IoT (Extended Coverage GSM IoT) - IoT-профиль поверх GSM/EDGE с расширением покрытия и низким энергопотреблением.
LTE-M / eMTC (LTE Cat-M1, иногда просто Cat-M) - «IoT-LTE» с большей полосой и более высокой скоростью/меньшей задержкой, чем у NB-IoT. Подходит для трекеров, носимых устройств и сценариев с более частыми обменами.
2G/3G M2M (GPRS/EDGE, UMTS) - исторически массово использовались для телеметрии и терминалов хотя их никогда специально под IoT не затачивали.
По факту я в своей практике реально встречал только последний вариант и то лет десять назад. Не исключаю, что где-то что-то использовалось, однако это действительно единичные случаи.
Есть еще 5G mMTC (massive Machine Type Communications) - это направление 5G для сценариев, где в одной зоне должны работать не десятки, а потенциально тысячи и десятки тысяч датчиков с редкими и небольшими пакетами данных. Но, как можем предположить, эта история поедет только вместе с массовым внедрением 5G. С этим пока все тоже стопорится.
Заключение
Несмотря на кучу ограничений, NB-IoT - довольно удачный и продуманный стандарт. В России он уже несколько раз давал фальшстарт, когда не взлетал при очередной попытке сотовиков двинуть его в массы. Но с каждым разом у них получается все лучше и про проекты на основе NB-IoT я слышу все чаще. Что ж. Пусть рассудит рынок.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
