в чем различие модемов 3g и nb iot
NB-IoT, Narrow Band Internet of Things. Общая информация, особенности технологии
Здесь описывается NB-IoT с точки зрения оконечных устройств и простых пользователей. Так как информации много, то разобью её на несколько частей. В этой части обсудим общую информацию, особенности технологии NB-IoT и состояние на начало 2019 г.
NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) – технология сотовой связи на основе LTE, предназначенная для стационарных устройств с низкими объемами передаваемых данных и малым потреблением. Ассоциация GSM обещает, что устройства NB-IoT будут дешевыми и (при определенных условиях) смогут работать от обычных батареек до 10 лет. Интересно, что ассоциация также описывает NB-IoT как технологию, созданную в сжатые сроки в ответ на запросы пользователей и конкуренцию со стороны аналогичных проприетарных решений:
https://www.gsma.com/iot/wp-content/uploads/2018/04/NB-IoT_Deployment_Guide_v2_5Apr2018.pdf
NB-IoT относится с так называемому CIoT, Cellular IoT (по терминологии 3GPP) или MIoT, Mobile IoT (по терминологии GSMA) и продвигается операторами сотовой связи и производителями соответствующего оборудования. Узкополосным (Narrow Band) этот вид связи назвали по сравнению с «традиционным» LTE, где используются существенно более широкие полосы частот (3, 5, 10, 15, 20 МГц). Ширина частотного канала NB-IoT составляет 200 кГц.
Несколько слов про CIoT (MIoT)
На данный момент CIoT (MIoT) разветвляется на 2 направления: NB-IoT и LTE-M (также называемый eMTC или LTE Cat.M).
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.
Преимущества и недостатки NB-IoT
Как обычно, преимущества и недостатки напрямую связаны друг с другом: если где-то прибыло, то где-то убыло. Здесь просто перечислю их с небольшими комментариями, а детали обсудим позже.
Преимущества NB-IoT
Недостатки NB-IoT
Развитие NB-IoT в мире и РФ
Интересно, что некоторые страны/регионы 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.
Вот карта и коммерческие запуски сетей CIoT по данным GSMA:
Россия на карте GSMA почему-то пока остаётся в серой зоне. Или ждут подтверждений коммерческих запусков?
Когда писалась эта статья, пришла информация, что МТС уже запустил свою сеть NB-IoT в коммерческую эксплуатацию!
Скорости передачи данных в NB-IoT
Если в спецификациях 3GPP Release 13 был определен только один вариант NB-IoT – Category NB1, то в спецификациях 3GPP Release 14 появилось 2 варианта: Category NB1 и NB2. Вариант Category NB2 является более скоростным. Для сравнения возможностей NB1 и NB2 в таблице 1 приведены максимальные размеры транспортных блоков на прием и передачу согласно спецификации 3GPP 36.306 Release 14:
| Категория оборудования | Максимальный размер транспортного блока на прием (DL), бит | Максимальный размер транспортного блока на передачу (UL), бит |
| Category NB1 | 680 | 1000 |
| Category NB2 | 2536 | 2536 |
Qualcomm в спецификации чипа MDM9206 (используется в модуле N20) приводит следующие скорости передачи в режиме Cat. NB1: прием (DL) – 20 кбит/с, передача (UL) – 60 кбит/с:
https://www.qualcomm.com/products/mdm9206-iot-modem
Аналогичные результаты для NB1 приводят коллеги из МТС, упоминая, что для категории NB2 максимальная скорость приема/передачи составит более 100 кбит/с:
https://habr.com/company/ru_mts/blog/430496/
Но, насколько понимаю, речь идет о физической скорости в канале связи, соответственно, реальная скорость передачи данных будет намного меньше. К сожалению, на данный момент экспериментальными данными о максимальной скорости передачи в режиме NB-IoT я не располагаю.
Частотные диапазоны для NB-IoT в РФ
Согласно решению ГКРЧ от 28 декабря 2017 года (протокол №17-44), https://digital.gov.ru/ru/documents/5875/, для NB-IoT могут использоваться следующие полосы частот на территории РФ:
453–457,4 МГц,
463–467,4 МГц,
791–820 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,
2620–2690 МГц.
За небольшим исключением:
… исключение работы РЭС в режиме NB-IoT в полосах радиочастот 453–453,15 МГц и 463–463,15 МГц на территории г. Москвы и Московской области
Похоже, ГКРЧ просто разрешила разворачивать NB-IoT во всех частотных диапазонах, в которых когда-либо было разрешено разворачивание каких-либо сетей сотовой связи…
Но какие из них будут использоваться в первую очередь?
По данным, полученным из разных источников, на начало 2019 г. для NB-IoT (в тестовом режиме) в России используются следующие частотные диапазоны:
Эти данные полностью совпадают с европейскими частотными диапазонами, которые приводятся в NB-IoT Deployment Guide to Basic Feature set Requirements. Version 2.0 от 5 апреля 2018 г.
Таким образом, на начало 2019 г. актуальными диапазонами NB-IoT для РФ можно считать: B20, B8 и B3.
По мнению некоторых участников рынка, NB-IoT будет разворачиваться прежде всего в субгигагерцовых частотных диапазонах (B20, B8), чтобы обеспечить наилучшее покрытие.
Можно ли будет в NB-IoT отправлять/принимать TCP/UDP-пакеты так же, как в GSM, например?
Можно! По крайней мере мы пробовали отправлять и принимать TCP/UDP-пакеты при помощи модулей N21 и N20, и всё получилось.
Можно ли будет в NB-IoT отправлять и принимать SMS?
Согласно упоминавшемуся чуть выше документу ассоциации GSM, на апрель 2018 г. функция SMS не была включена в минимальный набор требований, рекомендованных GSMA для реализации в сетях NB-IoT. По результатам опроса, проведенного GSMA, только некоторые из операторов планируют реализовать SMS в режиме NB-IoT в будущем. Тем не менее, исследование этого вопроса продолжается.
Представители Мегафона и МТС подтвердили, что, вероятно, функция SMS в режиме NB-IoT станет доступна в их сетях в будущем.
NB-IoT: как он работает? Часть 1
Устройства в стандарте NB-IoT могут работать до 10 лет от одной обычной батарейки. За счет чего? Мы собрали все самое главное об этой технологии. В этой статье расскажем о ее особенностях с точки зрения архитектуры сети радиодоступа, а во второй части — об изменениях в ядре сети, которые происходят при NB-IoT.
Технология NB-IoT многое унаследовала от LTE — начиная с физической структуры радиосигнала и заканчивая архитектурой. Все невозможно перечислить в одной статье, поэтому попробуем сфокусироваться на основных особенностях, ради которых и создавалась эта технология. Итак:
В чем отличия NB-IoT с точки зрения архитектуры сети радиодоступа?
Сначала вспомним важное об LTE:
Для LTE сигнала используется принцип разделения каналов OFDM с разнесением поднесущих на 15кГц. В DL (Downlink, направление от БС) используется OFDMA, а в UL (Uplink, направление на БС) используется SC-FDMA. Вся несущая в LTE разделена на ресурсные блоки (Resource block, RB), каждый из которых состоит из 12 поднесущих и общей шириной занимаемой полосы в 12х15кГц = 180кГц (рис.1). Каждый ресурсный блок разделен на 12х7=84 ресурсных элемента (Resource element, RE).
Рис.1. Resource block, Resource element
Для достижения большой пропускной способности соты применяются высокие порядки модуляции QAM256 для DL и QAM64 в UL. Вдобавок с этой же целью применятся технологии MIMO2x2 и MIMO4x4.
Особенности радиосигнала NB-IoT:
Самое важное в NB-IoT — возможность работы при более низких уровнях сигнала и при высоком уровне шумов, а также экономия батареи. Также NB-IoT предназначен для передачи коротких сообщений, и от него не требуется передача аудио-видео контента, больших файлов и прочего.
Исходя из этого, на физическом уровне есть определенные особенности, которые помогают обеспечить необходимых характеристик:
Использование узкой полосы частот в один RB, одной антенны и полудуплексного режима передачи позволяет упростить устройство и достичь:
Для NB-IoT могут использоваться практически все те же диапазоны частот, что и для 2G/3G/4G в «низких» band. Это B20 (800МГц), B8(900МГц), B3(1800МГц). Более «высокие» частоты смысла использовать нет из-за большего затухания сигнала.
Есть три способа выделения частотного ресурса для NB-IoT:
Выделенный частотный канал шириной в 200кГц. Этот вариант наиболее эффективный для работы NB-IoT, но и наиболее затратный. Дело в том, что в этом случае может понадобиться от 300 до 600 кГц очень ценного спектра вместе с защитными интервалами. В этом случае взаимные интерференции с другими технологиями минимальны (Рис.2).
Рис. 2. Варианты размещения NB-IoT в режиме stand-alone.
В этом случае для NB-IoT выделяются ресурсы внутри существующей LTE несущей, но NB-IoT несущая имеет повышенную мощность на 6дБ по сравнению с ресурсными блоками LTE. Этот вариант хорошо подходит для экономии частотного ресурса, но при этом есть проблема взаимного влияния с LTE-сетью (Рис.3).
Рис. 3. Размещение NB-IoT в режиме in-band.
В этом случае NB-IoT запускается в так называемом защитном интервале. Например, в полосе LTE10МГц, по 500 кГц свободного спектра, используемого в качестве защитного интервала. Так же как и в режиме in-band для большей дальности NB-IoT-несущая имеет повышенную мощность на 6-9дБ по сравнению с ресурсными блоками LTE (Рис.4). Этот вариант использования позволяет одновременно сэкономить частотный ресурс и уменьшить взаимное влияние с LTE сетью, хотя в этом случае ухудшаются параметры внеполосных излучений для LTE.
Рис. 4. Размещение NB-IoT в режиме guard-band.
Возможность передавать в направлении UL на одной поднесущей:
Если в LTE абоненту выделяются блоки ресурсных групп, состоящие из одного или нескольких RB, то в NB-IoT минимальной единицей является RE — ими нарезаются порции радиоресурса абоненту. Поэтому появилась возможность устройству передавать сигнал в UL на одной поднесущей в 15кГц. При этом сейчас для NB-IoT уже стандартизовано разделение RB на 48 поднесущих по 3.75кГц в направлении UL. Длительность ресурсных элементов при этом увеличивается в четыре раза, а соответственно и таймслота до 2 мс, поэтому информационная емкость их не меняется (Рис. 5).
Передача сигнала в узкой полосе на одной поднесущей 15кГц, а тем более в 3.75кГц, позволяет значительно увеличить спектральную плотность сигнала, а соответственно отношение сигнал/шум, что очень важно для абонентских устройств, имеющих гораздо менее мощные передатчики, чем у базовой станции. Тем более, что в NB-IoT, так же, как и в LTE, мощность абонентских устройств ограничена в 23дБм (200мВт).
В то же время, если радиоусловия позволяют, для уменьшения времени активного режима передачи, а соответственно экономии батареи, возможна передача на нескольких поднесущих одновременно. Передача на одной поднесущей имеет название режима передачи single-tone, а на нескольких — multi-tone (это 3, 6 или 12 поднесущих по 15 кГц). На рис.6 показано формирование из ресурсных элементов различных вариаций ресурсного юнита (Resource unit, RU).
Рис.6. Resource units (RU).
RU — это очередной более крупный кирпичик, из которого образуются транспортные блоки (Transport block, TB), назначаемые пользователю. В одном TB может быть от одного до десяти RU. При это в зависимости от качества сигнала каждый TB может содержать разное количество полезной информации в зависимости от применяемой модуляционно-кодирующей схемы (Modulation coding scheme, MCS). Размер TB в NB-IoT, конечно же, гораздо меньше, чем в LTE и составляет 680бит в DL и 1000бит в UL (Rel.13 3GPP). А также в этом стандарте всего один процесс HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), поэтому следующий TB может быть передан только после подтверждения приема предыдущего TB. В релизе 14 3GPP размеры транспортных блоков увеличены до 2536 бит и Dual-HARQ, что позволяет передавать два транспортных блока подряд.
Еще одна особенность NB-IoT — функционал coverage enhancement, который достигается последовательными переповторами передаваемого сигнала. Этот механизм не следует путать с повторной передачей пакета при неуспешном приеме, в случае coverage enhancement решение об успешности принятого сигнала происходит после приема всех повторенных сообщений (Рис.7). Повторятся могут все физические каналы NPDCCH, NPDSCH, NPRACH и NPUSCH (здесь N приставка Narrowband).
Рис. 7. Переповторы в NB-IoT
Стандартом определены три ступени, называемые coverage level 0, 1 и 2. Количество повторов может варьироваться в широких пределах и задается индивидуально для каждого типа физического канала и его формата. Например, стандартом специфицированы значения для полезного сигнала в UL до 128 и в DL до 2048. В реальности, конечно, все будет зависеть от настроек сети оптимизированных под режим работы (stand-alone, in-band/guard-band), качества сигнала и других условий. Переповторы позволяют декодировать сигнал при гораздо более низком уровне отношения сигнал/шум теоретически вплоть до 10дБ и ниже.
Все вышеописанное — использование более узкой полосы и функции coverage enhancement — позволяет в итоге достичь пресловутого выигрыша в 20дБ по отношению к GSM.
Скорости передачи в NB-IoT
Вообще сам принцип IoT, как уже было сказано выше, не предполагает значительного обмена информации с устройствами, а соответственно, значения эти весьма условны. Во-первых, они достигаются только при хорошем качестве сигнала. Во-вторых, сигнальный обмен, включающий назначение кагала DCI и подтверждение приема ACK, не адаптирован, как в LTE, для получения максимальных скоростей. В-третьих, если устройство передает всего одно-два коротких сообщения, то в этом случае не совсем однозначно, что понимать под скоростью передачи. Но не сказать о скоростях здесь нельзя. Для примера на рис.8 приведена расчетная скорость в DL для пользователя.
Рис.8. Скорость передачи в DL.
Из рисунка видно, что в NB-IoT, в отличии от LTE, пользовательское устройство не может занять весь доступный радио-ресурс. И оставшуюся часть радио-ресурса БС может использовать для связи с другими устройствами. Аналогичная ситуация в UL (рис. 9).
Рис.9. Скорость передачи в UL.
Так, использование Dual-HARQ и увеличенный размер самих транспортных блоков до 2536 бит (релиз 14 3GPP), позволяют увеличить скорость передачи в DL и в UL выше 100кбит/с.
Это все — если говорить об основных особенностях с точки зрения архитектуры радиодоступа, не уходя далеко в сторону. Надеемся, было полезно. Уже скоро — в следующем посте — расскажем, как поменялось ядро сети (Core Network) при NB-IoT. Будем признательны за обратную связь.
Автор:
Эксперт отдела архитектуры сети радиодоступа МТС Ильнур Фаузиев ilnurf
Особенности использования NB-IoT-модулей Quectel
Святослав Зубарев (г. Смоленск)
Системы NB-IoT уже сейчас получили широкое распространение по всему миру, а сама технология является одной из наиболее перспективных. Среди ведущих производителей NB-IoT-модулей одно из первых мест занимает компания Quectel, создающая устройства, которые имеют небольшой форм-фактор, малое энергопотребление и характеризуются простой интеграции, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации.
Появление стандарта LTE позволило значительно ускорить беспроводную передачу данных в мобильных устройствах. Однако использование данной технологии для построения IoT-систем во многом является нецелесообразным. Данный аспект связан не только с отсутствием в большинстве таких систем потребности в высокой скорости передачи (как правило, достаточно скорости 100…200 кбит/с), но и с необходимостью наличия у IoT-устройств таких качеств как:
Исходя из этих, а также ряда других требований, консорциум 3GPP стандартизовал три новые технологии, подходящие для использования в IoT:
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики рассмотренных выше технологий, основанные на данных 3GPP.
Таблица 1. Сравнение технологий передачи данных для IoT
| Параметр | eMTC (LTE Cat. M1) | NB-IoT (Cat NB1) | EC-GSM |
|---|---|---|---|
| Частотный диапазон | В полосе лицензируемых частот FDD, TDD LTE (in-band) | Три варианта размещения: 1) in-band LTE; 2) guard-band; 3) LTE, standalone в полосе частот FDD LTE | Только на частотах GSM (standalone) |
| Покрытие, дБм | 155,7 | 164 | 164 |
| Радиус действия, км | До 11 | До 15 | До 15 |
| Ширина полосы | 1,08 МГц | 180 кГц | 200 кГц на канал, типичная полоса – 2,4 МГц |
| Скорость передачи данных, макс., кбит/с | 1000 | 200 | 70 |
| Режим работы | Дуплекс, полудуплекс | Полудуплекс | Полудуплекс |
| Мобильность объекта | Допускается | Ограничена | Ограничена |
| Режимы энергосбережения | PSM, DRX, eDRX | PSM, DRX, eDRX | PSM, DRX |
| Излучаемая мощность, дБм | 23 и 20 | 23 | 33 и 23 |
| Необходимость модернизации сети | Требуется | Для ряда производителей требуется только обновление ПО | Требуется |
Как видно из таблицы 1, преимуществами eMTC являются высокая скорость передачи данных и мобильность, что позволяет использовать модули eMTC для мониторинга движущихся объектов. NB-IoT, в свою очередь, имеет лучшее покрытие и существенно меньшую ширину полосы пропускания, позволяющую использовать защитные интервалы и тем самым никак не влиять на емкость LTE-сети. Кроме того, некоторые производители оборудования сообщают, что модернизация сетей LTE для работы с NB-IoT потребует только обновления программного обеспечения без необходимости изменения аппаратной части устройств, что существенно сократит затраты для операторов сети. NB-IoT ориентирован на неподвижные (стационарные) приложения, так как не поддерживает автоматическое переключение между сотами (handover). При перемещении в другую соту устройству NB-IoT придется снова регистрироваться в сети.
NB-IoT и eMTC получили широкое распространение по всему миру, причем в ряде стран, таких как Россия, Китай, ЮАР, страны Восточной Европы, технологии NB-IoT отдается приоритет (рисунок 1). Тем не менее, существует мнение, что в недалеком будущем обе технологии – и NB-IoT, и eMTC, – будут развернуты повсеместно.
Рис. 1. Карта распределения технологий eMTC и NB-IoT
Технология NB-IoT
NB-IoT относится к стандарту LPWA (Low Power Wide Area), предназначенному для приложений M2M (Machine-to-Machine), которые требуют низкоскоростной передачи данных и работы в автоматическом режиме в течение длительного периода времени, например, таких как автоматический сбор показаний со счетчиков, датчиков, дистанционное управление уличным освещением и так далее (рисунок 2).
Преимуществами использования NB-IoT является малое энергопотребление модулей (при использовании режимов энергосбережения PSM и DRX/eDRX), большой энергетический потенциал линии связи (164 дБ), относительно низкая стоимость и постоянно расширяющаяся зона покрытия.
Рис. 2. Области применения NB-IoT-систем
На территории Российской Федерации, согласно решению ГКРЧ от 28 декабря 2017 года, для NB-IoT могут использоваться следующие полосы частот:
Исключение касается частот 453…453,15 и 463…463,15 МГц на территории Москвы и Московской области.
Несмотря на широкий перечень допустимых для работы частот (по сути, для NB-IoT доступны все частотные диапазоны, которые когда-либо использовались для построения сетей сотовой связи), операторы, занимающиеся построением NB-IoT-систем, используют лишь некоторые из них:
Таким образом, наиболее актуальными диапазонами NB-IoT для РФ можно считать B20, B8 и B3.
NB-IoT-модули производства Quectel
Если с операторами и диапазонами все более-менее понятно, то что насчет аппаратной части? Одним из наиболее перспективных производителей NB-IoT-модулей на сегодняшний день является основанная в 2009 году компания Quectel Wireless Solutions, или просто Quectel. Quectel является мировым лидером в области производства модулей для сотовой связи и одной из первых компаний, представивших собственные NB-IoT-модули на мировом рынке. На сегодня компанией изготовлено свыше 2 млн модулей NB-IoT. Модули производства Quectel характеризуются компактными размерами, малым энергопотреблением, простой интеграцией, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации. Головной офис компании находится в Шанхае (Китай), однако она также имеет региональные представительства в Италии, Франции, Дании, России, Польше, Израиле, США, Бразилии, Австралии, Сингапуре, Южной Корее, Индии и других странах.
Условно модули NB-IoT производства Quectel можно разделить по фирме/производителю чипсета. Основными сериями данных модулей на сегодняшний день являются:
Стоит отметить, что почти для каждой серии есть варианты модулей, выполненные в конструктиве pin-to-pin и позволяющие с наименьшими затратами заменять старые модули на модули следующего поколения.
Более подробные характеристики NB-IoT-модулей Quectel приведены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики NB-IoT-модулей производства компании Quectel
| Наимено- вание | Чипсет | Поддержи- ваемые технологии | Поддержи- ваемые диапазоны, МГц | Напряжение питания, В | Энерго- потребление | Корпус, размер (ДхШхВ), мм | Особенности модуля |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BG96 | Qualcomm MDM9206 | Cat M1, Cat NB1, EGPRS | Cat M1/NB1: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B39; |
EGPRS: 850, 900, 1800, 1900
ном PSM
EGPRS: 850, 900, 1800, 1900
ном PSM (USB и UART отключены)
EGPRS: 850, 900, 1800, 1900
GSM: 850, 900, 1800, 1900
Как видно из таблицы 2, практически все модули производства Quectel поддерживают фирменную технологию QuecOpen. Благодаря данной технологии модуль может выполнять роль основного процессора в приложении. QuecOpen прекрасно подходит для решений, не требующих большой вычислительной мощности и позволяет в значительной степени упростить процесс проектирования аппаратного и программного обеспечения, снизить стоимость конечного продукта, а также уменьшить его габариты и потребляемую мощность.
Другой фирменной технологией, также заслуживающей внимания, является QuecLocator. QuecLocator представляет собой технологию сотового позиционирования, которая позволяет улучшать и дополнять данные, получение посредством GNSS, благодаря информации из ячеек мобильной сети. Это особенно актуально в условиях плохого сигнала, например, при нахождении в помещении, каньоне или при глушении сигналов GNSS.
Режимы экономии энергии NB-IoT-модулей
Модули NB-IoT производства компании Quectel поддерживают несколько режимов энергосбережения, позволяющих существенно экономить заряд батареи и сохранять работоспособность в течение длительного периода времени. К примеру, модуль NB-IoT может работать вплоть 10 лет от одной батарейки при условии передачи 200 байт информации один раз в день.
NB-IoT-модули Quectel имеют следующие режимы энергопотребления:
Рассмотрим данные режимы более подробно.
Idle mode
При работе в данном режиме модуль находится в состоянии ожидания. Чтобы передать данные на устройство, которое находится в Idle mode, сеть выполняет процедуру оповещения – пейджинг (Paging). При получении сообщения пейджинга модуль начинает коммуникацию с сетью. Однако чтобы не пропустить сообщение пейджинга, модулю необходимо постоянно мониторить эфир, что является достаточно энергозатратным мероприятием. Здесь на помощь и приходят режимы DRX/eDRX, которые проверяют эфир не постоянно, а в определенные периоды времени. Если сообщений от сети не поступает в течение заданного времени, модуль из Idle mode переходит в режим PSM (рисунок 3).
Рис. 3. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, DRX, PSM
DRX представляет собой режим прерывистого приема. Принцип прерывистого приема известен в сотовой связи достаточно давно и заключается в том, что для экономии энергии приемный тракт модуля включается периодически в определенные моменты, а большую часть времени отключен. Во время процедур Attach (подключение к сети) или TAU (Tracking Area Update – периодическая процедура, которая используется в LTE для уведомления сети о доступности и местоположении устройства) модуль согласовывает с сетью временные промежутки, в течение которых он будет мониторить эфир. Как следствие, отправка сообщения пейджинга сетью будет происходить именно в эти же промежутки, что позволит не держать тракт приема в постоянно включенном состоянии и снизить энергопотребление. В режиме DRX работа модуля разбивается на циклы. В начале каждого цикла идет так называемое «окно пейджинга» (Paging Time Window, PTW), которое представляет собой время, за которое модуль как раз и мониторит эфир.
Модули NB-IoT поддерживают длительности циклов DRX, содержащие 128, 256, 512 и 1024 радиофреймов, что эквивалентно 1,28; 2,56; 5,12 и 10,24 секундам, однако наиболее распространенным форматом DRX являются 1,28 и 2,56 с.
Режим DRX прекрасно подходит для сценариев с высокими требованиями к работе в режиме реального времени, но малым энергопотреблением, например, для умных уличных фонарей.
Данный режим был впервые представлен в 3GPP Rel.13 и, в отличие от DRX, имеет более длинный цикл пейджинга, что позволяет повысить уровень экономии энергии, но также вызывает более длительную задержку данных нисходящего канала. Согласно спецификации 3GPP TS 23.682, период прерывистого приема eDRX в NB-IoT-модулях может составлять 20,48…10485,76 секунды (почти 3 часа), однако наиболее распространенными значениями являются 20,48 и 81,92 секунд (рисунок 4).
Рис. 4. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, eDRX, PSM
Этот режим во многом схож с обычным отключением устройства, однако в данном случае модуль сохраняет регистрацию в сети. Активация режима PSM происходит путем передачи в сообщениях «Attach Request» или «Tracking Area Request», отправляемых в период исполнения процедур Attach и TAU, значений таймеров T3324 (Active Timer) и T3412 (Extended periodic TAU Timer). Значение первого устанавливает период времени, в течение которого модуль сохраняет доступность для других устройств сети после исполнения процедур Attach, TAU или окончания передачи. Значение второго таймера устанавливает период процедуры TAU. Во время отправки значений таймеров сеть принимает не только сами значения, но и локальную конфигурацию устройства.
Продолжительность нахождения модуля в режиме PSM определяется посредством вычитания из T3412 значения T3324. Поскольку величина T3324 может принимать нулевое значение, максимальная длительность нахождения в PSM будет соответствовать максимальному значению T3412, то есть 413 дней и 8 часов. Максимальное значение T3324 в свою очередь составляет 3 часа и 6 минут.
Стоит отметить, что в режиме PSM модуль доступен только для входящих коммуникаций. При необходимости отправки данных в сеть модуль для начала должен выйти из PSM, оставшись после этого активным в течение таймера T3324 для приема информационных сообщений от сети.
Системы NB-IoT уже сейчас получили широкое распространение по всему миру, а сама технология является одной из наиболее перспективных, когда дело касается приложений, которые не нуждаются в высокоскоростной передаче данных, но в то же время требуют длительного периода работы от одного заряда аккумулятора или батареи. Простота протокола взаимодействия позволяет соединять в сеть десятки тысяч устройств NB-IoT, а сама сеть может быть развернута на базе уже существующих станций стандарта 2G/3G.
Одной из первых компаний, которая вывела на мировой рынок модули NB-IoT является Quectel Wireless Solutions. Модули Quectel характеризуются небольшим форм-фактором, малым энергопотреблением (работа от одной батареи до 10 лет), простой интеграцией, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации. Данные модули находят широкое применение в различных областях, начиная от коммунальных услуг (счетчики, системы освещения), систем умного дома (умные замки и датчики, системы оповещения) и заканчивая промышленностью и сельским хозяйством (газоанализаторы, датчики кислотности почвы и так далее).