CC BY
45
СЕТИ СВЯЗИ
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ В РОССИИ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ NB-IoT
А.А. Прасолов, к.т.н., доцент, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com;
Р.С. Рощинский, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, rosh.rs@bk.ru; А.С. Федоров, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, as.fdrv@bk.ru.
УДК 621.396.99_
Аннотация. В данной статье представлен анализ концепции построения систем интернета вещей на территории Российской Федерации на базе технологии узкополосного Интернета вещей, основанной на сетях мобильной связи четвертого поколения. Проведен обзор нормативной базы в рассматриваемой области и выбрана предлагаемая технология для реализации подобных систем, а также представлен обзор физического уровня технологии NB-IoT с учетом ограничений нормативной базы на территории Российской Федерации. Ключевые слова: Internet of Things; NB-IoT.
THE CONCEPT OF BUILDING INTERNET OF THINGS SYSTEMS IN RUSSIA BASED ON NB-IoT TECHNOLOGY
Alexander Prasolov, Candidate of Technical Science, associate Professor, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich; Roman Roschinsky, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;
Andrey Fedorov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich.
Annotation. This article presents an analysis of the concept of building Internet of things systems in the Russian Federation on the basis of narrowband Internet of things technology based on mobile networks of the fourth generation. A review of the regulatory framework in the considered and selected the proposed technology for the implementation of such systems, as well as an overview of the physical level of NB-IoT technology, taking into account the limitations of the regulatory framework in the Russian Federation.
Keywords: Internet of Things; NB-IoT.
Введение
На сегодняшний день концепция Интернета вещей является одной из самых быстрорастущих и обсуждаемых технологических отраслей. В мировой литературе термин «Интернет вещей» определяется как концепция вычислительной сети физических предметов, оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или внешней средой.
В России же к 2025 г. ожидается порядка 41 млн до практически 1 млрд подключенных ТоТ-устройств на фоне 400 млн устройств, подключенных к интернету.
Учитывая многозадачность систем Интернета вещей, требуется множество вариантов реализации технологий связи. В связи с этим возникает необходимость проведения исследований в области помехоустойчивости и помехозащищенности используемых в 1оТ радиотехнологий, что может послужить фундаментом в вопросах планирования будущих сетей связи и оптимизации уже существующих.
Технологии МБ-1оТ в России
23 марта 2019 г. Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерацией был издан приказ № 113 «Об утверждении Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации», в рамках которого в целях реализации национальной программы «Цифровая экономика» приказывалось утвердить Концепцию, приведенную в приложении к нему1. Данная Концепция была разработана в соответствии с задачами, установленными указом Президента от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 г.»2 и программой «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной Распоряжением Правительства от 28.07.2017 № 1632-р «Об утверждении программы «Цифровая экономика Российской Федерации»3. В рамках Концепции рассматриваются вопросы, связанные с технологиями и стандартами Интернета вещей и их радиочастотное обеспечение, сферами его применения, взаимоувязанного развития цифровых платформ и сетей связи, а также вопросы, связанные со стандартизацией и нормативно-правовой базой. Согласно Концепции, предлагается использовать эталонную модель систем /оТ,предложенную Международным союзом
4 1
электросвязи4, представленную на рис. 1.
Рисунок 1
1 Приказ № 113 Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 29.03.2019 «Об утверждении Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации».
2 Указ Президента Российской Федерации от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года».
3 Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28.07.2017 № 1632-р «Об утверждении программы «Цифровая экономика Российской Федерации».
4 Рекомендация МСЭ-Т У.2060 «Серия У: глобальная информационная инфраструктура, аспекты протокола интернет и сети последующих поколений. Сети последующих поколений - Структура и функциональные модели архитектуры. Обзор Интернета вещей».
Беспроводной сегмент сетей связи IoT относится к уровню устройства и уровню сети, на базе которых соответственно организуются сеть радиодоступа и опорная сеть. Для реализации систем интернета существует разнообразный набор радиотехнологий. На рис. 2 и 3 представлены пути и шлюзы на пути к центрам обработки данных (с указанием возможной для использования радиотехнологии) и радиотехнологии IoT, сгруппированные по рабочему диапазону частот [1, 2].
Рисунок 2
Рисунок 3
В рассматриваемой Концепции также приведена классификация сетей радиосвязи и дана оценка рынка устройств IoT, что представлено на рис. 4 и 5 соответственно.
Рисунок 4
Рисунок 5
Из шести сегментов, приведенных на рис. 4, особое внимание уделяют узкополосным системам связи, причем используемых как в общем (лицензируемые диапазоны частот - требуется получение разрешения на использование), так и в упрощенном порядке (нелицензируемые диапазоны частот - при соблюдении условий получение разрешения не требуется), которые предполагают использовать в самых разных отраслях экономики. Далее рассмотрим технологии, работающие в общем порядке, реализуемые на базе систем сотовой связи. Среди узкополосных систем связи, работающих в общем порядке, выделяют три системы - EC-GSM, LTE-M и NB-IoT. В целом, назвать эти технологи целиком самостоятельными нельзя - все представляют собой один из вариантов развития существующих систем мобильной связи (GSM и LTE), переработанных для удовлетворения требований при использовании в системах Интернета вещей (работа маломощных устройств, работающих от аккумулятора и имеющих ограниченные требования по
пропускной способности для увеличения бюджета радиолинии и, соответственно, дальности связи). Основные характеристики вышеперечисленных технологий представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Характеристика Технология
EC-GSM LTE-M NB-IoT
Диапазоны радиочастот
Диапазоны GSM Диапазоны LTE
Количество 1 или 2 Многодиапазонные чипы
поддерживаемых
радиомодемом
частотных
диапазонов
Ширина канала, 0,2 1,4 0,2
МГц
Число < 50000
обслуживаемых
IoT-устройств
одним каналом
одного сектора БС, ед.
Скорость 70 (при 1024 127 (по
передачи данных, кбит использовании модуляции GMSK) 240 (при использовании модуляции 8PSK) нисходящему каналу) 158 либо 15,6 (по восходящему каналу)
Бюджет 164 159 164
радиолинии, дБ
Мобильность Полная Ограниченная
Задержка с мс с
Стандарт EC-GSM является промежуточным, поскольку новый специфичный функционал, необходимый для работы IoT, доступен для ограниченного ряда устройств поэтому большие перспективы связывают с технологиями LTE-M и NB-IoT. Если технология LTE-M по большей степени ориентирована на сравнительно более высокую скорость передачи данных (из-за чего обладает меньшим бюджетом радиолинии и, соответственно, обеспечивает меньшую дальность связи), то технология NB-IoT является оптимизированной к основным требованиям устройств IoT - большая дальность связи, малые скорости передачи данных, высокая энергоэффетивность. Данные требования связаны со сценариями использования этих устройств и требованиями по их автономности, поскольку, например, при нахождении в отдаленных или труднодоступных местах, устройству IoT доступно меньше вычислительных ресурсов, меньше памяти, и так далее [3].
Кроме того, в дополнение к рассматриваемой Концепции, 31 октября 2019 г. Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерацией был издан приказ № 637 «Об утверждении Плана
(дорожной карты) реализации Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации»5, определяющий план проводимых мероприятий и ожидаемые результаты. Предусматриваются следующие шаги:
• Рассмотрение вопросов безопасности, моделирование угроз и разработка методики предупреждения и борьбы с ними, актуализация нормативной базы в области информационной безопасности.
• Реализация утвержденных пилотных проектов, наблюдение за работой развернутых систем, исправление ошибок и пост-анализ об их работе.
• Участие в процессе международной стандартизации в рассматриваемой области, приведение национальных стандартов в актуальное состояние.
• Нормативно-правовое обеспечение разворачиваемых систем /оТ.
• Обеспечение радиочастотными ресурсами разворачиваемые системы 1оТ.
• Разработка отраслевых стандартов, решение кадровых вопросов.
Вместе с утверждением дорожной карты реализации Концепции построения систем 1оТ, в том же приказе был утвержден и перечень пилотных проектов в разных городах России6. В данном документе насчитывается около сотни проектов и на его основании можно выделить основные сферы, на которые будет делаться упор при внедрении и развитии систем 1оТ. К ним относятся сельское хозяйство, здравоохранение, городское хозяйство, транспортная и энергетическая инфраструктура, промышленность, образование, геология, строительство, связь и тд. Большая часть из предлагаемых пилотных проектов предполагает использование технологии ЫБ-/оТ. Среди наиболее известных исполнителей, среди приведенных в приложении А проектов, ПАО «МТС», ПАО «Ростелеком», АО «ЭР-Телеком Холдинг», ПАО «ВымпелКом».
Все операторы «большой четверки» (МегаФон, МТС, Билайн, Теле2) так или иначе предлагают своим клиентам услуги 1оТ. Каждый из этих операторов предлагает специальные тарифы для устройств 1оТ [4-7], однако на сегодняшний день часть этих услуг доступна либо только для жителей столичного региона, либо только юридическим лицам. Наиболее успешно из операторов проявляет себя МТС, предлагая своим клиентам не только приобретение одного из нескольких тарифов, но и полноценные /оТ-устройства (платформы и устройства для построения, например, «умного дома»), устройства для проведения исследований в области /оТ (тестер ЫБ-/оТ и набор разработчика), различные датчики и программные продукты [8].
Особенности и эволюция технологии МБ-1оТ
Технология ЫБ-/оТ впервые была представлена в релизе 13 консорциума 3GPP и удовлетворяла следующим требованиям [9]:
• Минимизация служебных каналов, в частности на радиоинтерфейсе.
• Увеличение времени автономной работы.
5 Приказ №637 Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 31.10.2019 «Об утверждении Плана (дорожной карты) реализации Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации».
6 Приложение к Плану (дорожной карте) реализации Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации. Перечень пилотных проектов построения и внедрения узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации.
• Передача как IP-, так и NIDD-пакетов [10, 11].
• Опциональная поддержка передачи SMS-сообщений.
Однако, для выполнения этих требований пришлось отказаться от многих вещей, которые являются классическими для стандартов мобильной связи. Так, например, в технологии NB-IoT не поддерживается процедура хэндовера - смена обслуживающей БС происходит только когда оконечное устройство находится в состоянии Idle [12]. Среди неподдерживаемых технологий также можно отметить агрегацию несущих, Dual Connectivity, D2D, а также поддержку QoS, поскольку NB-IoT не предоставляет услуги, требующие гарантированной скорости передачи данных.
С другой стороны, технология NB-IoT поддерживает множество специфичных механизмов, вводимых по мере появления новых релизов 3GPP и направленных на улучшение ее помехоустойчивости и увеличения дальности связи (CE), уменьшения накладных расходов (NIDD) и энергопотребления (PSM, eDRX, RAI, EDT, WUS).
Механизм CE заключается в последовательном переповторе передаваемого сигнала. В отличии от повторной передачи пакета при неуспешном приеме, при использовании CE решение об успешности принятого сигнала происходит после приема всех повторенных сообщений. Повторятся могут все физические каналы. Данный механизм влияет как на чувствительность приемника (каждая ступень переповтора приводит к увеличению эффективной чувствительности примерно на 2-3 дБ [13]), так и на снижение коэффициентов ошибок, что в общем влияет на дальность связи и помехозащищенность.
На рис. 6 схематично представлена эволюция стандарта NB-IoT в рамках релизов 3GPP [18].
ВЗШВЕИтЕИ
Низкое энергопотребление жги/есососы-нн* I rt>»w iavira; mobr - PSM) ЭО 413 THfF Расширенный QRXTeDRX до 175 мшгг Индшоггор опхлдяа (Re.iäat üsbiübcs шЕшв - RAJ: «AS Сигнал зэс.' ■ ÄaEr иг -TCS" ' i рея жш ■■■ ■ -umgt WUS ~ J* тш ттрзйпх L" >е~ rjuibcaea: UEi)
Низкое энергопогреоление низкая задержка и эффективность PasDDqxsB Ранни пгредта
KioflJtfi архжтеггута EPSsa« OoTMJoT КиМ ■«Г^.ТПГЬ, ...о,., „у. > ■■ ВзиЛ!
NB-IoT основан на NB-LTE. NB-CIoT —
Cai NB1 (FDD) - 1 HARQ -1000 wrr TBS Си NB: (TDDi - 2 KARQs 2536 6m TBS Поддержи TDD С самгсшмсса с 5G NR
Классы иошкти - класс 5:13 дём -класс 3: 20дБм Класс мощности класс 6 14 луи Поддержка чэ-тит сот (smafl cdl) Улучшенное хыннрсзхене
Улучшение покрытия Уровень чпучшгаия покрытия Уровень СЕ (УШ Расширения дналаюка Sprach
Рисунок 6
Механизм NIDD позволяет передавать пакеты без заголовков вносящих достаточно большой объем в пакеты передаваемых данных [14]. Режим PSM представляет собой режим энергосбережения, при котором оконечное устройство находится в отключенном состоянии, но при этом остается зарегистрированным в
сети и периодически посылает служебные сигналы для уведомления сети о своей доступности [15, 16]. Режим eDRX представляет собой своего рода «режим прерывистого приема», при котором оконечное устройство большую часть времени находится в отключенном состоянии и периодически включается для отправки накопленных данных. Индикатор RAI позволяет оконечному устройству сообщить БС, что у него отсутствуют накопленные для передачи данные и уйти в энергосберегающий режим. Сигнал WUS предназначен для информирования оконечного устройства о необходимости декодирования данных, переданных по служебным каналам. Механизм EDT представляет собой возможность передачи трафика во время осуществления процедуры доступа. Совокупность этих механизмов позволяет существенно увеличить время автономной работы оконечного устройства [17], а также уменьшить его стоимость.
Архитектура сети
Технология NB-IoT, с учетом LTE, претерпела некоторые изменения, которые, в частности, касались ядра сети, реализуемого на базе EPS. В восходящей линии из CIoT RAN данные до сервера приложений Интернета вещей передаются либо через обслуживающий шлюз SGW и шлюз пакетной передачи данных PGW, либо через центр управления мобильностью MME и новый в архитектуре блок SCEF, который является связующим звеном между сетью и сервером приложений, при передаче пакетов данных, не являющимися IP-пакетами. Данный блок может использоваться для реализации процедур аутентификации, авторизации, обнаружения и получения доступа к сети. В нисходящей линии данные передаются теми же путями в обратном направлении. Стоит отметить, что в данном решении отсутствует установка отдельного радиоканала для передачи данных, поскольку вместо этого данные передаются по служебным каналам, что как раз-таки можно использовать для нечастых и небольших по объему пакетов данных. Описанная выше архитектура представлена на рис. 7 [9].
Рисунок 7
Радиоподсистема не претерпела никаких изменений по сравнению с LTE, соответственно интерфейсы между радиоподсистемой и ядром сети, а также между базовыми станциями остались теми же. Архитектура радиоподсистемы сети NB-IoT и интерфейс с ядром сети представлены на рис. 8.
Рисунок 8
Стеки используемых протоколов, не претерпевшие изменения по сравнению с LTE, для пользовательской и служебной плоскостей представлены на рис. 9.
Рисунок 9
Режимы работы
Каналы технологии NB-IoT занимают полосу шириной в 200 кГц (совпадает с шириной одного частотного канала технологии GSM), эффективная полоса составляет 180 кГц (совпадает с шириной одного ресурсного блока технологии LTE) [19]. За счет этого возможны три сценария развертывания (режима работы):
• Режим Standalone - сценарий, при котором имеется возможность для разворачивания в частотных диапазонах технологии GSM, один частотный канал которой отдается технологии NB-IoT, при этом сохраняются защитные интервалы по 10 кГц на краях канала, либо же каналы организуются в частотном диапазоне, свободном от других сотовых технологий.
• Режим Guardband - сценарий, при котором под каналы NB-IoT отдаются неиспользуемые ресурсные блоки на границе полосы технологии LTE.
• Режим Inband - сценарий, при котором под каналы NB-IoT отдаются ресурсные блоки внутри полосы LTE. Режимы работы технологии NB-IoT представлены на рис. 10.
Рисунок 10
Каналы
В нисходящем канале применяется модуляция OFDM с разносом поднесущих в 15 кГц и нормальным циклическим префиксом. Слот состоит из 7 OFDM-символов и 12 поднесущих, таким образом, образуя ширину полосы в 180 кГц. Длительность слота составляет 0,5 мс. Структура слота представлена на рис. 11 [20].
0.5 ms
А
f
t
Рисунок 11
Два слота образуют собой субкадр длительностью 1 мс. В свою очередь 10 субкадров составляют кадр длительностью 10 мс. Структура кадра представлена на рис. 12.
RF n RF (1+1 RF n+2 • • •
«-10ms-*
SF0 SF1 SF2 SF9
1ms
slot 0
slot 1
■0.5ms-
Рисунок 12
Для нисходящей линии в технологии ЫБ-1оТ представлено три физических канала ЫРБСИ, ЫРБССИ, ЫРБ8СИ и три сигнала ЫР88 и ЖББ.
Сигнал используется для оценки качества канала. Сигналы ЫР88 и - для первичной и вторичной синхронизации. Структуры этих сигналов представлены на рис. 13 и 14 соответственно.
Рисунок 13
м Кадр п { ►
п. тос12 = 0
Д>_
N988
■ ■
—
1:
■
;
■ ■ 1,
■ ■
Субкадр
Субкадр
Рисунок 14
Канал ЫРБСИ предназначен для передачи служебной информации. Его структура и процесс передачи по субкадрам представлены на рис. 15 и 16 соответственно.
1МР&СН
Субкадр ►
Рисунок 15
640тя
М1В-МВ
\ г 1 1 1 г 1 ' 1 * г 1 1
ВИ В1.2 вьз В1.4 В1.5 В!-6 В1.7 В1_8
•л 80та »■
11111111
Рисунок 16
Канал ЫРБССИ предназначен для управления каналом трафика ЫРБ8СИ. Эти каналы имеют идентичную структуру, которая представлена на рис. 17.
' Субкадр ,,
Рисунок 17
В восходящем канале применяется модуляция SC-FDMA, расстояние между поднесущими может быть, как 15 кГц, так и 3,75 кГц - за выбор этого расстояния отвечает базовая станция. При расстоянии в 15 кГц структура ресурсного блока идентична структуре, используемой в восходящем канале. При расстоянии в 3,75 кГц также используется 7 OFDM символов, но длина слота составляет уже 2 мс. Данная структура ресурсного блока представлена на рис. 18.
2 ms
+ .-'' -.
-
г
- -
- -
- --
[
Рисунок 18
Для восходящей линии в технологии ЫБ-1оТ представлено два физических канала ЫРШСИ, ЫРЯЛСИ и один сигнал БМЯЗ.
Канал ЫРи8СИ используется для передачи трафика и может иметь два формата передачи, предназначенных для транспортных блоков разного объема. Первый формат использует модуляции БР8К или QPSK, во втором же формате используется только БР8К.
Сигнал БМЯВ используется как опорный сигнал демодуляции. Число передаваемых им символов зависит от расстояния между поднесущими и форматом передачи трафика. Используемые данным каналом ресурсы представлены на рис. 19 и 20.
Расстояние между паднесугпкми 15 кГц
Рисунок 19
Расстояние Meaav паднесушнми 3 75 кГц
Расстояние межзг полнесмпюга 15 кГц
Рисунок 20
Канал ЫРЯЛСИ предназначен для передачи преамбулы, приняв которую абонентский терминал может начать процедуру подключения к сети. Преамбула содержит циклический префикс, ее структура представлена на рис. 21.
Рисунок 21
Взаимосвязь между физическими, транспортными и логическими каналами представлена на рис. 22 [21].
Рисунок 22
Частотные диапазоны
Для работы технологии NB-IoT используются лицензируемые участки спектра, которые в своей базовой конфигурации предназначены для развертывания сетей LTE. Номера этих участков, их частотные диапазоны, используемый тип дуплекса, а также номер релиза 3GPP, в котором был введен данный диапазон, приведены в табл. 2 [22]. Кроме того, в столбце «Примечание» указано соответствует ли данный диапазон действующим в РФ ГОСТам7.
Таблица 2.
№ Диапазон рабочих частот, МГц Тип дуплекса Номер релиза 3GPP Примечание
Восходящая линия UL Нисходящая линия DL
1 1920 -1980 2110 - 2170 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
2 1850 - 1910 1930 - 1990 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
3 1710 - 1785 1805 - 1880 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
7 ГОСТ Р 59026-2020. Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе стандарта LTE в режиме NB-IoT. Основные параметры.
№ Диапазон рабочих частот, МГц Тип дуплекса Номер релиза ЗвРР Примечание
Восходящая линия иЬ Нисходящая линия DL
4 1710 - 1755 2110 - 2155 FDD Ш 15 ГОСТ Р 59026-2020
5 824 - 849 869 - 894 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
7 2500 - 2570 2620 - 2690 FDD Rel. 16 -
8 880 - 915 925 - 960 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
11 1427,9 -1447,9 1475,9 -1495,9 FDD Rel. 14 ГОСТ Р 59026-2020
12 699 - 716 729 - 746 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
13 777 - 787 746 - 756 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
14 788 - 798 758 - 768 FDD Rel. 15 ГОСТ Р 59026-2020
17 704 - 716 734 - 746 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
18 815 - 830 860 - 875 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
19 830 - 845 875 - 890 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
20 832 - 862 791 - 821 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
21 1447,9 -1462,9 1495,9 -1510,9 FDD Rel. 15 ГОСТ Р 59026-2020
25 1850 - 1915 1930 - 1995 FDD Rel. 14 ГОСТ Р 59026-2020
26 814 - 849 859 - 894 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
28 703 - 748 758 - 803 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
31 452,5 - 457,5 462,5 - 467,5 FDD Rel. 14 ГОСТ Р 59026-2020
41 2496 - 2690 TDD Rel. 16 ГОСТ Р 590262020
42 3400 - 3600 TDD Rel. 16 -
43 3600 - 3800 TDD Rel. 16 -
65 1920 - 2010 2110 - 2200 FDD Rel. 16 ГОСТ Р 59026-2020
66 1710 - 1780 2110 - 2200 FDD Rel. 13 ГОСТ Р 59026-2020
70 1695 - 1710 1995 - 2020 FDD Rel. 14 -
71 663 - 698 617 - 652 FDD Rel. 15 -
72 451 - 456 461 - 466 FDD Rel. 15 -
№ Диапазон рабочих частот, Тип Номер
МГц дуплекса релиза Примечание
Восходящая Нисходящая 3GPP
линия UL линия DL
73 450 - 455 460 - 465 FDD Rel. 16 -
74 1427 - 1470 1475 - 1518 FDD Rel. 15 -
85 698 - 716 728 - 746 FDD Rel. 16 -
87 410 - 415 420 - 425 FDD Rel. 16 -
88 412 - 417 422 - 427 FDD Rel. 16 -
Доступные в РФ частотные ресурсы, требования к РЭС
В РФ на основании Решения ГКРЧ от 28.12.2017 № 17-44-01-06 «Об использовании полос радиочастот радиоэлектронными средствами стандарта LTE и последующих его модификаций в режиме NB-IoT (решение ГКРЧ N 17- 44-06)»8 разрешено использование полос радиочастот 453-457,4 МГц и 463-467,4 МГц, 791820 МГц, 832-862 МГц, 880-890 МГц, 890-915 МГц, 925-935 МГц, 935-960 МГц, 1710-1785 МГц, 1805-1880 МГц, 1920-1980 МГц, 2110-2170 МГц, 2500-2570 МГц и 2620-2690 МГц для применения технологии LTE и последующего перехода к технологии NB-IoT. Использование данных диапазонов предполагает наличие ранее выделенных полос и разрешения на использование частот для технологий GSM или LTE. Последующий переход к технологии NB-IoT происходит без получения отдельных решений ГКРЧ и разрешений при выполнении следующих условий:
• соответствие технических характеристик указанным в рассматриваемом решении;
• отсутствие создания вредной и помеховой обстановки;
• регистрация используемых РЭС в установленном порядке.
В случае же отсутствия разрешения использование этих частот должно осуществляться при выполнении следующих условий:
• соответствие технических характеристик указанным в рассматриваемом решении;
• получение в установленном порядке разрешения на использование радиочастот на основании заключения экспертизы о возможности использования заявленных РЭС в режиме NB-IoT и их ЭМС с действующими и планируемыми для использования РЭС различного назначения;
• отсутствие создания вредной и помеховой обстановки;
• соблюдение региональных ограничений.
• регистрация используемых РЭС в установленном порядке.
Основные требования к характеристикам РЭС стандарта NB-IoT в указанных выше частотных диапазонах приведены в табл. 3.
8 Решение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 28.12.2017 №17-44-01-06 «Об использовании полос радиочастот радиоэлектронными средствами стандарта LTE и последующих его модификаций в режиме NB-IoT (решение ГКРЧ N 17-44-06)» (в версии с изменениями на декабрь 2020 года).
Наименование Значение параметров
параметров АС БС
Общие требования
Методы радиодоступа - SC-FDMA, OFDMA
Тип дуплекса - FDD
Полоса 453-457,4 МГц и 463-467,4 М 1Гц (B31)
Рабочий диапазон частот, ПРД 453-457,4 ПРД 463-467,4
МГц ПРМ 463-467,4 ПРМ 453-457,4
Мощность передатчика, дБм < 23 < 44
Коэффициент усиления 0 < 19
антенны, дБи
Полоса 832-862 МГц и 791-820 МГц (B20)
Рабочий диапазон ПРД 832-862 ПРД 791-820
частот, МГц ПРМ 791-820 ПРМ 832-862
Мощность передатчика, дБм < 23 < 41
Коэффициент усиления 0 < 19
антенны, дБи
Полоса 880-915 МГц и 925-960 М1 ц (B8)
Рабочий диапазон ПРД 880-915 ПРД 925-960
частот, МГц ПРМ 925-960 ПРМ 880-915
Мощность передатчика, дБм < 23 < 43
Коэффициент усиления 0 19
антенны, дБи
Полоса 1710-1785 МГц и 1805-1880 УТц (B3)
Рабочий диапазон ПРД 1710-1785 ПРД 1805-1880
частот, МГц ПРМ 1805-1880 ПРМ 1710-1785
Мощность передатчика, < 23 < 43
дБм
Коэффициент усиления 0 19
антенны, дБи
Полосы 1920-1980 МГц и 2110-2170 МГц (В1); 2500-2570 МГц и 2620-2670
МГц (B7)
ПРД 1920-1980 ПРД 2110-2170
Рабочий диапазон ПРМ 2110-2170 ПРМ 1920-1980
частот, МГц
ПРД 2500-2570 ПРД 2620-2670
ПРМ 2620-2670 ПРМ 2500-2570
Мощность передатчика, дБм < 23 < 41
Коэффициент усиления 0 < 24
антенны, дБи
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что технология NB-IoT является весьма перспективной и наиболее выигрышной по сравнению с другими IoT
технологиями (например, упомянутыми LoRa, LTE-M и EC-GSM) для использования на территории России ввиду особенностей ее построения на базе существующих сетей LTE и уже выделенных частотных ресурсов. При этом, ввиду огромного количества систем связи, работающих на базе других технологий и обозначенной в научно-технической литературе проблематике, требуется проведение различных исследований технологии NB-IoT - как теоретических (например, влияние параметров передачи на коэффициенты ошибок, варианты расчета зон покрытия по различным моделям РРВ c учетом требований нормативно-правовой базы), так и практических (например, оценка качества работы существующих сетей, исследование работы в условиях помех). В связи с этим имеет смысл провести радиоизмерения покрытия существующих сетей NB-IoT для оценки их качества, а также для выявления проблематики их работы.
Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 122020100465-3 от 01.02.2022 в ЕГИСУ НИОКТР.
Литература
1. Internet of Things (IoT) Keysight Technologies. May, 2016. URL: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-1217EN.pdf (дата обращения 14.03.2021).
2. Keysight Technologies. IoT Wireless Technologies Guide URL: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-2412EN.pdf (дата обращения 14.03.2021).
3. Gubbi J. et al. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions //Future generation computer systems, 2013. - Т. 29. - №. 7. - С. 1645-1660.
4. Мегафон - тариф «Интернет Вещей». URL:
https://spb.megafon.ru/corporate/mobile/tariffs/alltariffs/internet_veschey.html (дата обращения 20.03.2021).
5. МТС - тариф «IoT-сеть». URL: https://moskva.mts.ru/business/mobilnaya-svyaz/korporativnie-tarifi-i-opcii/iot-set-dlya-interneta-veshhej (дата обращения 20.03.2021).
6. Билайн - тариф «Для умных вещей». URL:
https://moskva.beeline.ru/customers/products/mobile/tariffs/details/dlya-umnih-veshhey/ (дата обращения 20.03.2021).
7. Теле2 - тариф «Интернет для вещей». URL:
https://msk.tele2.ru/journal/article/internet-of-things (дата обращения 20.03.2021).
8. МТС - Интернет Вещей IoT. URL: https://moskva.mts.ru/business/internet- veshhej-iot (дата обращения 20.03.2021).
9. Schlienz J., Raddino D. Narrowband Internet of Things Whitepaper // Rohde & Schwarz.
10. 3GPP TS 23.272; Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System (EPS).
11. 3GPP TS 23.401; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network.
12. 3GPP TS 36.33; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification.
13. Matz, A.P.; Fernandez-Prieto, J.-A.; Canada-Bago, J.; Birkel, U. A Systematic Analysis of Narrowband IoT Quality of Service. Sensors 2020, 20, 1636.
14. Рыжков А.Е., Федоров А.С. Процедуры в сетях мобильной связи: учебно-методическое пособие // СПбГУТ, - СПб., 2022. - 57 с.
15. 3GPP TS 24.301; Non-Access-Stratum (NAS) protocol.
16. 3GPP TS 23.682; Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications.
17. Rohde & Schwarz. White paper. Power saving methods for LTE-M and NB-IoT devices.
18. Rohde & Schwarz - NB-IoT - Сотовая сеть LPWAN. URL: https://www.rohde-schwarz.com/m/solutions/test-and-measurement/wireless-communication/iot-m2m/nb-iot/nb-iot-theme_234030.html (дата обращения 20.03.2021).
19. 3GPP TS 36.201; LTE physical layer; General description.
20. 3GPP TS 36.201; LTE physical layer; General description.
21. Rohde & Schwarz - Be ahead in connecting everything - narrowband IoT (NB-IoT) poster.
22. Рыжков А.Е. Развитие технологии NB-IoT. Труды учебных заведений связи, 2017. - № 3 (4). - С. 94-101.
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАДИОПОКРЫТИЯ СЕТИ NB-IoT НА ТЕРРИТОРИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
А.А. Прасолов, к.т.н., доцент Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com;
Р.С. Рощинский, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, rosh.rs@bk.ru; А.С. Федоров, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, as.fdrv@bk.ru.
УДК 621.396.99_
Аннотация. Целью данной статьи является оценка качества радиопокрытия сети NB-IoT одного из мобильных операторов, действующего на территории Санкт-Петербурга. Качество оценивалось с точки зрения уровня принимаемого сигнала, отношения сигнал-шум, а также наличия перекрытия между БС, возможности их переключения, а также получения служебной информации. Представлены результаты проведения радиоизмерений стандарта NB-IoT на базе оконечного носимого устройства NB-^T TESTER RB-NBT1.
Ключевые слова: Интернет вещей; NB-IoT; радиоизмерения; покрытие.
NB-IoT RADIO COVERAGE QUALITY ASSESSMENT IN SAINT-PETERSBURG
Alexander Prasolov, Candidate of Technical Science, associate Professor, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich; Roman Roschinsky, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;
Andrey Fedorov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich.
Annotation. The purpose of this work was to assess the quality of radio coverage of the NB-IoT network of one of the mobile operators operating in St. Petersburg. The quality was evaluated in terms of the received signal strength, signal-to-noise ratio, as well as the presence of overlap between BSs, the possibility of switching them, as well as
