NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) в руках «Билайн»

NB-IoT (NarrowBandInternetofThings) — стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объёмами обмена данными. Разработан консорциумом 3GPP в рамках работ над стандартами сотовых сетей нового поколения. Первая рабочая версия спецификации представлена в июне 2016 года.

NB-IoT является одним из трех стандартов IoT, разработанных 3GPP для сотовых сетей связи: eMTC (enhanced Machine-Type Communication), NB-IoT и EC-GSM-IoT. eMTC обладает наибольшей пропускной способностью и разворачивается на оборудовании LTE. NB-IoT сеть может быть развернута как на оборудовании сотовых сетей LTE, так и отдельно, в том числе поверх GSM. EC-GSM-IoT предоставляет наименьшую пропускную способность и разворачивается поверх сетей стандарта GSM.

Среди достоинств NB-IoT можно отметить:

- гибкое управление энергопотреблением устройств (вплоть до 10 лет в сети от батареи емкостью 5 Вт*ч);

- огромная емкость сети (десятки-сотни тысяч подключенных устройств на одну базовую станцию);

- оптимизированная для улучшения чувствительности модуляция сигнала;

- низкое энергопотребление оконечных устройств (при использовании режимов энергосбережения PSM и eDRX);

- большой энергетический бюджет линии связи (GSMA называла цифру 164 дБ);

- теоретически глобальное покрытие;

- теоретически низкая стоимость модемов (модулей) и услуг связи.

Недостатки:

- возможны большие задержки связи при использовании режимов энергосбережения;

- NB-IoT ориентирован скорее на неподвижные (стационарные) устройства, так как в этом режиме не поддерживается автоматическое переключение между сотами (handover). При перемещении в другую соту устройству NB-IoT придется снова регистрироваться в сети. Таким образом, NB-IoT предназначается в первую очередь для таких приложений, как автоматический сбор показаний со счетчиков, датчиков, дистанционное управление уличным освещением и т.п.

 В отличие от NB-IoT, другая «ветка» CIoT – LTE-M – поддерживает как переключение между сотами, так и обеспечивает в несколько раз большие скорости приема/передачи. Поэтому наиболее эффективным решением считается применение гибридной сети LTE, которая поддерживает сразу два ключевых мобильных стандарта технологий интернета вещей - NB-IoT и LTE Cat-M Поддержка двух технологий расширяет возможности сети для подключения сервисов и устройств интернета вещей разной функциональности, в том числе позволяет обслуживать движущиеся объекты, а также объекты в зданиях и подземных сооружениях.

Обе технологии дополняют друг друга, и, безусловно, такая сеть может иметь преимущество перед другими в части интеграции и адаптации в текущие сети LTE, особенно в условиях ограниченности частотного спектра. Тем не менее со стороны оператора реализация данной схемы потребует дополнительных затрат по отношению к, например, уже являющейся наиболее популярной технологии NB-IoT.

Что касается операторов "большой четверки" в России, то, в качестве основной технологии они предпочитают стандарт NB-IoT. Это объясняется тем, что технология поддерживается большинством вендоров – традиционными поставщиками сетевого оборудования для операторов.^[28]

Интересно, что некоторые страны/регионы также отдают предпочтение первоочередному развитию NB-IoT (Европа, Китай, Россия), другие – LTE-M (США, Канада). Но в целом есть мнение, что в недалёком будущем оба стандарта будут развернуты глобально.

В России одним из флагманов внедрения NB-IoT является ПАО "ВымпелКом" (бренд "Билайн").

Москва и Билайн совместно с компанией ООО «СтройЭнергоКом» успешно реализовали пилотный проект по оптимизации учёта электроэнергии «Интеллектуальный учёт» с помощью NB-IoT для АО «Мосэнергосбыт» в районе Марьино, компания установила трехфазные интеллектуальные счетчики AS3500 с NB IoT модемами «Метроника 150» и программное обеспечение для сбора и обработки данных «Альфа Смарт»

«Интеллектуальный учёт» предполагает модернизацию системы учёта электроэнергии благодаря прямому обмену данными между поквартирными счётчиками и системой биллинга гарантирующего поставщика электроэнергии. В рамках опытной эксплуатации программы один из домов «Умного квартала» перевели на такую M2M-систему, встроив под крышку уже установленных приборов специальные модемы стандарта NB-IoT (Narrow Band Internet of Things). Данные со 140 счётчиков электроэнергии теперь поступают напрямую в систему биллинга АО «Мосэнергосбыт», откуда и формируются счета жителям дома.

Прямая передача данных позволит перейти с трёхуровневой системы АСКУЭ (Автоматическая Система Коммерческого Учёта Электроэнергии) на двухуровневую. По предварительным оценкам, такое упрощение системы снижает себестоимость установки элементов системы сбора данных на 20%. Встраивая модемы стандарта NB-IoT, можно модернизировать текущий парк счётчиков и масштабировать программу до 100 000 000 «умных» устройств, которые смогут соответствовать ряду минимальных требований к интеллектуальному прибору, определяемых Федеральным законом № 522^[29].

По предварительным оценкам, себестоимость установки элементов системы сбора данных сокращается на 20%. Модернизированные счетчики соответствуют ряду требований к «интеллектуальным приборам» определенным в ФЗ-522.

Получая данные о потреблении намного чаще и точные, сбытовая компания может прогнозировать потребление энергии потребителями, предлагать им оптимальные тарифы. Для потребителей исчезает необходимость ежемесячной передачи показаний, которая давно превратилась в малополезный ритуал.

В дальнейшем планируется интеграция данных с устройств учета потребления в личные кабинеты собственников устройств, что позволит им отслеживать показания приборов на экране своих привычных устройств^[30].

АСУНО (автоматическая система управления наружным освещением) на базе технологии LoRaWAN™

Зарубежом IoT используется от городского освещения до амазонских лесов. Уличные фонари в Дании регулируют яркость в зависимости от погодных условий и количества прохожих на улице, таким образом происходит экономия электроэнергии и уменьшается количество выбросов углекислого газа. В амазонских лесах устанавливают специальные «невидимые» датчики, чтобы защитить лес от несанкционированной вырубки.

Из Российского опыта использования цифровых технологий для оптимизации уличного освещения можно представить масштабный проект управляемого освещения на основе технологии LoRaWAN™ в городе Омск. Автором проекта, в рамках которого за сентябрь – декабрь 2019 года 2905 натриевых светильника заменили на управляемые LED светильники различной мощности, которые покрыли 28 центральных улиц или 92,5 км, является компания «Эмбиот», резидент Кластера информационных технологий Фонда «Сколково». Были решены такие задачи как: замена устаревших фонарей на энергоэффективные светодиодные с применением современных технологий в области управления; обеспечена существенная экономия электрической энергии, а также экономия на обслуживании осветительной установки; увеличен уровень освещенности в городе, а также улучшено качество городской среды. Новые приборы подключены к облачной платформе для программирования ее работы и сбора статистических данных.

Как заявлено на официальном сайте программы, расчетные результаты применения подхода включают:

- процент экономии электроэнергии - 65% (55% - базовая экономия за счет замены светильников на светодиодные и 10% - за счет автоматизации установки);

- процент экономии на эксплуатации – 50%;

- повышение освещенности и качества света на улицах города на 80-100%.

Интересно, что новая разработка позволяет не только управлять как отдельным светильником или группой светильников и проводить мониторинг электропараметров для каждого подключенного светильника, но сама сообщает о наступлении нештатных ситуаций и позволяет пользователю составлять годовое расписание работы светильников с календарными исключениями[31]. При этом, накапливаемая в системе статистика, вероятно поможет прогнозировать как наступление нештатных ситуаций на отдельных объектах и в дальнейшем заранее оповещать о них, так и влияние внешних условий на сроки эксплуатации осветительного оборудования в целом.

Что касается технологии LoRaWAN, то это энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Network).

LoRa означает повышенную дальнобойность (Long Range). При этом, LoRa – это открытый стандарт. Чипы для конечных устройств в свободной продаже, есть вся документация, и она открыта любому желающему. Датчики и радиомодули под этот стандарт только в России делают несколько компаний. LoRa имеет хороший радиус действия, она может принимать информацию от устройств в подвале дома или в километре от базовой станции. На самом деле, может принять информацию и от датчика в 4 километрах городских условий. Но тут страдает стабильность, поскольку начинается потеря пакетов.

Для наилучшего понимания, зачем использовать данный стандарт, рассмотрим следующий пример. В каждой квартире многоквартирного дома стоит минимум по три счетчика (2 на воду, один на электричество) и каждый из них передает показания в интернет. Если все эти счетчики будут висеть на базовой станции LTE, то места для людей на этой станции не останется, хотя у всех у них будет очень маленький трафик. Показания будут передаваться несколько раз в сутки, тогда счетчик будет передавать несколько байт информации раз в час, но вся базовая станция LTE при этом будет забита. И это с учетом, что базовая станция ставится как минимум на микрорайон, а не на один дом. При этом нет необходимости использовать канал в 5 мбит/с для передачи столь маленького объема информации.

Также постоянная связь с базовой станцией будет требовать расхода электроэнергии. Выхода два, либо подключать указанные счетчики в электрической сети, либо менять в них батарейку раз в несколько дней. LoRa позволяет менять батарейку не чаще, чем раз в год.

LoRa решает данную ситуацию следующим образом. Базовая станция слушает эфир в заданном диапазоне частот. Когда она слышит запрос от какого-либо из устройств, то отвечает ему на частоте обращения. Ширина канала при этом составляет 125 кГц, максимальная скорость – чуть более 5 килобит/c. Именно 5 и именно килобит/c. Этот стандарт Интернета вещей не создан для просмотра потокового видео. Его задача максимально быстро и гарантированно передать небольшое сообщение от датчика на базовую станцию.

Пакеты принимаются базовой станцией (в архитектуре LoRa ее чаще называют шлюзом), однако обрабатывает их следующее звено цепи – сетевой сервер. Этот сервер отвечает за управление всеми шлюзами, он решает через какой шлюз общаться с датчиком (если датчик слышно через несколько шлюзов) и определяет еще ряд важных параметров.

Однако сетевой сервер не обрабатывает полезную информацию из пакетов. Это делает следующее и самое важное звено – сервер приложений. Именно на сервере приложений происходит расшифровка показаний от датчиков, они в понятной форме раздаются либо в биллинг, либо в интерфейс потребителю, либо в другое заданное место[32].