Обзор технологий Cellular Network

Технологии с условным названием «Интернет вещей в сетях мобильной связи» (или сотовые технологии) развивается консорциумом 3GPP. 3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) – это консорциум, созданный в 1998г. и разрабатывающий технические спецификации и технические отчёты в области сетевых технологий и технологий радиодоступа в мобильных системах. Консорциум разработал (разрабатывает) стандарты GSM, GPRS, EDGE, WCDMA, HSPA, LTE, LTE Advanced, 5G. Экосистема 3GPP приведена на Рис. 11.

Рис. 11:

Экосистема 3GPP

Консорциум 3GPP развивает три стандарта сотовых технологии IoT – eMTC, EC-GSM-IoT и NB-IoT.

Рис. 12:

Мобильные технологии IoT

Сравнение этих технологий приведено на Рис. 13.

Рис.13:

Сравнение технологий IoTИсточник: 3GPP Standards for the Internet-of-Things, Philippe Reininger Chairman of 3GPP RAN WG 3 (Huawei).

Технология eMTC


Технология eMTC (встречаются также названия LTE-M, LTE Cat.M1) является адаптацией IoT для LTE сетей. Основной фокус, выделяющий технологию eMTC и определяющий ее рыночную нишу – это высокая пропускная способность (до 1 Мбит/с в каждом направлении от абонента и к абоненту). eMTC призван обеспечить снижение стоимости конечного IoT устройства за счет отказа от функциональностей LTE, которая востребована и широко применяется в сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД), но становится избыточной при массовом подключении IoT устройств. Стандартизация eMTC началась в Release 12 3GPP и продолжилась в Release 13. По сравнению в классическими LTE системами в eMTC определены механизмы Extended DRX и PSM для LTE, которые призваны решить задачу снижения энергопотребления; TTI bundling и множественных повторений пакетов, обеспечивающих повышение помехоустойчивости; введена новая категория LTE Cat.0 для IoT устройств и новый класс мощности 20dBm.
в Release 14 стандартизация будет продолжена и ожидаются следующие дополнения:

  • позиционирование (E-CID и OTDOA),
  • групповое вещание (Multicast SC-PTM),
  • меж-частотная (inter-frequency) мобильность,
  • увеличение скорости передачи данных и пр.

eMTC имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры и может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО. Более того, сети МШПД и IoT могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика.
Источник: https://habrahabr.ru/company/ericsson_ru/blog/301494/

Технология NB-IoT


По мнению многих экспертов в ближайшие годы NB-IoT будет являться ключевой технологией развития Интернета вещей. Он обладает такими характеристиками, как большая зона радиопокрытия, возможность быстрого обновления существующих сетей мобильной связи для поддержки NB-IoT, низкое энергопотребление конечных устройств (обеспечивающее 10-летний срок службы аккумулятора), низкая стоимость конечных устройств, простота подключения, высокая надежность, сетевая безопасность операторского класса, унифицированное управление бизнес-платформой.
Благодаря возможности подключения большого количества конечных устройств (порядка 50K на соту) и их низкой прогнозируемой стоимости NB-IoT позволяет работать с такими традиционными услугами, как учет электроэнергии и водных ресурсов, а также открывает больше возможностей для отрасли, например, умный город, электронное здоровье и т.д.
NB-IoT позволяет подключать больше "вещей", и как следствие, операторы становятся агрегаторами большого количества данных, и могут осуществлять сотрудничество со смежными отраслями. Многие операторы мобильной связи создали специальные бизнес-подразделения IoT / M2M, чтобы обслуживать все возрастающее количество клиентов, стремящихся воспользоваться преимуществами бизнеса, которые предоставляет мобильный Интернет вещей.
По мере роста рынка становится очевидным, что существует множество кейсов «Интернета вещей», для которых существующие сети мобильной связи не подходят. Причины просты: радиопокрытие, время автономной работы и стоимость устройства.
Действующие сети мобильной связи имеют очень хорошее радиопокрытие на зрелых рынках. Однако многие потенциальные «подключаемые объекты» расположены в отдаленных районах, значительно удаленных от базовых станций сотовой связи. Если же радиопокрытие имеется, оно часто слабое, что приводит к работе передатчика устройства с высокой мощностью, и как следствие – быстрому разряду батареи. Кроме того, мобильные сети не оптимизированы для огромного кол-ва приложений, которые редко передают небольшие объемы данных. Срок службы батареи в течение нескольких лет в сочетании с недорогим устройством не может быть реализован на существующих стандартах, поскольку они не поддерживают требуемые механизмы энергосбережения.
Третий аспект – стоимость устройства. Мобильные устройства, работающие в сетях GSM, 3G и LTE, предназначены для различных услуг, в том числе для передачи голоса, обмена сообщениями и высокоскоростной передачи данных. Однако приложения NB-IoT не используют ничего из этого. Им требуется низкая скорость передачи данных, но она должна соответствовать уровню надежности устройства. Поэтому использование традиционных устройств для приложений IoT означает использование устройств, которые слишком дороги для решения данных задач. NB-IoT устройства должны быть просты, компактны и дешевы, не только для того, чтобы получить положительное экономическое обоснование применения устройства, но также из-за практических аспектов, таких как простота установки или риск кражи.
Таким образом, существуют значительные рыночные тенденции, говорящие о растущем спросе на приложения IoT, в то время как сети, которые могут эффективно обслуживать такие приложения, пока не созданы.
Ожидается, что к 2020 году мировой рынок Интернета вещей будет стоить миллиарды долларов. Рынок NB-IoT – это часть рынка Интернета вещей, и операторам важно понять потенциал дохода в странах, в которых они работают. На Рис. 14 показаны девять отраслей, где видится основной потенциал рынка услуг NB-IoT:

Рис. 14:

Целевые отрасли для услуг NB-IoT

Основываясь на исследованиях по конкретным странам, которые включают в себя оценку социальных и демографических данных, эксперты компании Huawei смоделировали, как в ближайшие пять лет будут расти темпы внедрения различных приложений NB-IoT.
Прогнозы экспертов Huawei базируются на вариантах применения различных приложений NB-IoT, которые часто будут использоваться более чем в одной отрасли. В настоящее время модель включает более 50 вариантов использования, охватывающих многие категории услуг, такие как:
-    учет электричества, газа и воды;
-    услуги по управлению объектами;
-    оповещения о вторжении и пожарная сигнализация для домов и торговых объектов;
-    подключенные личные приборы, измеряющие параметры здоровья;
-    трекинг людей, животных или объектов;
-    умная городская инфраструктура, такая как уличные фонари или мусорные баки;
-    подключенные промышленные устройства, такие как сварочные аппараты или воздушные компрессоры.
На Рис. 15 показан пример пятилетнего прогноза доходов для Германии (только доходы от подключения), разделенной на девять отраслей, разработанный экспертами компании Huawei:

Рис. 15:

Пятилетний прогноз доходов от NB-IoT для Германии

Общая сумма в 1,67 млрд. долларов США за пять лет равна годовому доходу от услуг NB-IoT в 334 млн. долларов США. Это означает увеличение доходов для существующих немецких операторов на 2,2% благодаря запуску услуг NB-IoT. Этот прогноз показывает, что NB-IoT – перспективная новая область бизнеса, в которую операторы должны инвестировать сейчас, если они не хотят, чтобы другие игроки захватили этот привлекательный рынок.
Как уже упоминалось ранее, услуги, которые используют маломощные глобальные сети в основном требуют качественное покрытие, низкое энергопотребление и обеспечение возможности реализации большого количества подключений. Этим критериям оптимально соответствует NB-IoT (Рис. 16).

Рис. 16:

Собственные возможности NB-IoT

Если сравнивать возможности NB-IoT с другими технологиями построения глобальных сетей «Интернета вещей», такими как eMTC, SigFox и LoRa, то NB-IoT обеспечивает более высокую производительность. Кроме того, когда все технологии рассматриваются с точки зрения инвестиций в сеть, обеспечения радиопокрытия, емкости и надежности сети, видно, что NB-IoT является наиболее подходящей технологией.
NB-IoT имеет довольно обширную экосистему в основном из-за его поддержки со стороны многих мировых ведущих операторов. Также очень важным преимуществом является то, что нелицензионные решения не могут гарантировать надежность и безопасность.
3GPP определил три сценария развертывания NB-IoT (Рис. 17):

  • в защитной полосе между каналами – Guard Band;
  • внутри существующих каналов – In Band;
  • автономное развертывание – Standalone.

Рис. 17:

Три сценария развертывания NB-IoT

Standalone в основном использует отдельный диапазон частот; разворачивание в режиме Guard Band осуществляется с использованием полосы частот, зарезервированной в качестве защитной полосы между существующими каналами сети LTE; разворачивание в режиме In Band реализуется в тех же ресурсных блоках, что и существующая LTE сеть.
С точки зрения максимизации зоны радиопокрытия, минимизации инвестиций и оптимизации ресурсной составляющей наиболее перспективным для разворачивания сетей NB-IoT в РФ видится использование низкочастотных диапазонов band-8, band-20, режимы Guard Band, Standalone (Табл. 4), используемых в настоящее время операторами BIG-4 для строительства сетей GSM-900 и LTE-800.

Табл. 4 (частотные диапазоны, выделенные для NB-IoT)

Частотный диапазон

Восходящий канал (UL), МГц

Нисходящий канал (DL), МГц

1

1920 – 1980

2110 – 2170

2

1850 – 1910

1930 – 1990

3

1710 – 1785

1805 – 1880

5

824 – 849

869 – 894

8

880 – 915

925 – 960

12

699 – 716

729 – 746

13

777 – 787

746 – 756

17

704 – 716

734 – 746

18

815 – 830

875 – 890

19

830 – 845

875 – 890

20

832 – 862

791 – 821

26

814 – 849

859 – 894

28

703 – 748

758 – 803

66

1710 – 1780

2110 – 2200

Стандартизация NB-IoT началась в Release 13 3GPP. в Release 14 стандартизация будет продолжена и ожидаются следующие дополнения:

  • позиционирование (OTDOA и UTDOA),
  • групповое вещание (Multicast SC-PTM),
  • новый класс мощности (14dBm);
  • мобильность;
  • новые механизмы, призванные дополнительно уменьшить энергопотребление.

Технология EC-GSM-IoT


Рабочая группа GERAN 3GPP, развивающая технологии GSM, предложила пакет расширенных функций под названием EC-GSM (или EC-GPRS, EC-GSM-IoT). Данный пакет изменений предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базовой технологии GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций GSM без замены или модернизации аппаратного обеспечения, а только с программным обновлением. Фактически, используется стандартная несущая GSM/GPRS/EDGE, с изменениями, позволяющими увеличить бюджет линии, увеличить количество подключенных устройств и снизить стоимость реализации технологии в конечном устройстве.
Основные привнесенные изменения:

  • Extended DRX (eDRX, Extended Discontinuous Reception) и Power Saving Mode (PSM) – снижение периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизация интервалов приема и получения информации, поддержка длительных, до 52 мин., периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию;
  • Extended coverage – адаптация канального уровня сети, использующая, в том числе, многократное повторение передаваемой информации для улучшения покрытия на 20 dB по сравнению с традиционными системами;
  • улучшения: упрощение сетевой сигнализации (отказ от поддержки той части сигнализации, которая обеспечивает совместную работу с WCDMA/LTE сетями); расширение механизмов аутентификации и безопасности соединения и др.

Ключевое преимущество EC-GSM в готовности сетевой инфраструктуры (в большинстве случаев требуется только обновление программного обеспечения на узлах сети), а также в распространенности сетей стандарта GSM и их охвате.
Источник: https://habrahabr.ru/company/ericsson_ru/blog/301494/