NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) — стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объемами обмена данными. Разработан консорциумом 3GPP в рамках работ над стандартами сотовых сетей нового поколения. Первая рабочая версия спецификации представлена в июне 2016 года.
Технология
Предназначен для подключения к цифровым сетям связи широкого спектра автономных устройств. Например, медицинских датчиков, счетчиков потребления ресурсов, устройств умного дома и т. п. В быту такие системы связи получили обобщающее наименование интернет вещей (англ. Internet of Things (IoT)). 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:
- 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)
- низкая стоимость устройств
- оптимизированная для улучшения чувствительности модуляция сигнала
Тема «Интернета вещей» (IoT) становится одной из самых популярных в последнее время. По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency), объем этого рынка к 2020 году составит триллионы долларов: в мире будет более 14 млрд подключенных IoT-устройств, при том что людей, пользующихся Интернетом, будет всего около 3,5 млрд. Для подключения устройств «Интернета вещей» могут использоваться как проводные, так и беспроводные технологии. В данной статье мы сосредоточимся на перспективах мобильных операторов на IoT-рынке и более подробно остановимся на возможностях технологии NB-IoT.
Многие мобильные операторы создали специальные IoT/M2M-подразделения, чтобы обслуживать растущее число компаний, внедряющих мобильные IoT-решения. Ряд крупных операторов приобрели нишевые компании, чтобы обслуживать более широкую часть цепочки создания стоимости IoT-решений. По мере роста рынка становится очевидным, что для многих вариантов использования таких решений существующие сотовые технологии недостаточны в силу ограниченного покрытия, высокой стоимости оконечных устройств и малого срока службы их элементов питания.
Нынешние сотовые сети обеспечивают достаточно широкую зону покрытия в развитых регионах, но даже там оно часто требует от терминального устройства работы на высокой мощности, что сокращает срок службы батарей. Кроме того, сотовые сети не оптимизированы под решения, которые работают в режиме «передачи время от времени небольших объемов данных».
Важным аспектом является стоимость. Мобильные устройства, работающие на GSM, 3G и LTE, предназначены для реализации целого спектра услуг, включая мобильную голосовую связь, обмен сообщениями и передачу данных с высокой скоростью. Однако существует большой класс решений, не требующих поддержки этих функций, – необходима всего лишь низкоскоростная, но надежная передача данных. Именно это требуется для большого класса M2M- и IoT-приложений (рис. 1).
Рис. 1. Позиционирование технологии LPWAN в сравнении с 2,5-4G.
Источник: Avnet.
Решение с элементом питания со сроком службы в несколько лет в сочетании с недорогим терминальным устройством не может быть реализовано на существующих стандартах сотовой связи, так как они не поддерживают необходимые механизмы энергосбережения. Это зона, где перспективно внедрение решений на базе LPWA, которые не требуют поддержки вышеупомянутых функций, но надежно обеспечивают низкоскоростную передачу данных. А использование традиционных сотовых технологий в данной области слишком дорого.
Low-Power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия» — беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на большие расстояния, обеспечивающая среду сбора данных с датчиков, счетчиков и сенсоров.
Низкое энергопотребление является важным условием для 80% случаев использования LPWA, включая такие приложения, как «умные» счетчики, носимая электроника, смарт-парковки. Многие варианты использования IoT требуют малой цены и мощности из практических соображений, таких как простота установки или риск кражи. Следует отметить, что потенциал рынка IoT-решений, требующих низкоскоростного подключения дешевых датчиков малой мощности, намного больше рынка устройств, требующих высокоскоростных подключений и относительно высокого энергопоребления (рис. 2.)
Рис. 2. Рынок IoT-решений, требующих низкоскоростного подключения дешевых датчиков малой мощности, имеет большой потенциал
Рынок LPWA существует уже около десяти лет, однако поддерживающие его технологии носят фрагментарный характер и не стандартизированы. Новая технология NB-IoT (Narrowband IoT) преодолевает эти недостатки: она удачно апробирована на IoT-приложениях, и в середине 2016 года 3GPP (3rd Generation Partnership Project) планирует принятие нового международного стандарта мобильной связи для NB-IoT-устройств, который будет применяться в лицензируемом диапазоне частот и поддерживаться ведущими операторами мобильной связи.
NB-IoT предоставляет широкую область покрытия, низкое энергопотребление, возможности быстрой модернизации существующей сети, обещает длительный (до 10 лет) срок службы батареи, низкую стоимость терминала, возможности plug and play, высокую надежность и безопасность. NB-IoT соответствует требованиям рынка LPWA, позволяя телеком-операторам работать c уже традиционными направлениями IoT, такими как «умные» датчики расхода воды, газа, электричества, слежения за объектами на базе сверхдешевых ($5) и массово подключаемых (50 тыс. на соту) IoT-устройств, а также открывает новые возможности в таких приложениях, как Smart City и электронное здравоохранение.
NB-IoT позволяет подключить больше устройств, а также получить дополнительную коммерческую выгоду на основе применения анализа IoT-данных методами Big Data. На базе сотрудничества со смежными отраслями операторы, в дополнение к продаже услуг связи, получают возможность продавать аналитические данные третьим лицам.
Таким образом, ряд рыночных тенденций обусловливает растущий спрос на приложения NB-IoT.
По мнению Huawei, наибольший потенциал для NB-IoT-сервисов может быть реализован в первую очередь в таких отраслях, как сельское хозяйство, здравоохранение, системы обеспечения безопасности, транспорт, логистика, промышленное производство, «умные» города, «умные» дома, розничная торговля.
Расчеты Huawei показывают, что только в Германии за ближайшую пятилетку NB-IoT принесет $1,67 млрд (см. рис. 3). Прогнозы Huawei основаны на анализе различных вариантов использования NB-IoT-приложений, которые могут быть развернуты в разных отраслях. Модель в настоящее время предусматривает более пятидесяти вариантов использования, включая интеллектуальные датчики (на электричество, газ, воду), управление объектами, системы охранной и пожарной сигнализации для дома и коммерческой недвижимости, персональные датчики «электронного здоровья», системы отслеживания людей, животных или предметов, элементы инфраструктуры «умного» города (например, уличные лампы или мусорные контейнеры, подключенные промышленные инструменты и т. п.).
Рис. 3. Прогноз доходов операторов от подключения NB IoT-устройств в Германии за пятилетку (млн $)
При общей сумме $1,67 млн годовой доход от подключения NB-IoT-устройств в течение пяти лет составит $334 млн, что эквивалентно увеличению доходов немецких операторов на 2,2% благодаря запуску услуг NB-IoT. Это означает, что даже при консервативной оценке NB-IoT является перспективным направлением.
Есть целый ряд характеристик, которые делают технологию NB-IoT оптимальной для развертывания LPWA. Например, улучшенное покрытие внутри помещений – на 20 дБ выше, чем у GSM, низкое энергопотребление, возможность подключения большого числа устройств. Возможность подключения большого числа датчиков позволяет обеспечить полное подключение всех устройств в домохозяйствах. При возможности подключения около 50 тыс. устройств на соту и плотности в 1500 домохозяйств на квадратный километр в каждом можно подключить по 40 устройств.
NB-IoT имеет довольно обширную экосистему – в основном благодаря поддержке со стороны ряда ведущих операторов.
3GPP предлагает три сценария развертывания: NB-IoT Guard Band, In Band and Stand Alone.
Рис. 4. Сценарии развертывания NB-IoT
Первый сценарий – когда разрешенный спектр находится вне зоны разрешенных частот традиционных технологий 3GPP UMTS/LTE. Второй – когда в качестве рабочего диапазона используется защитный интервал для технологий LTE. И третий, наименее оптимальный, – когда расходуются ресурсы разрешенного спектра LTE-частот.
Развертывание NB-IoT в полосах частот 700, 800 и 900 МГц является оптимальным, поскольку они уже имеют большую установленную базу. Для мобильных операторов, работающих с GSM 900 МГц или LTE 800 МГц, необходимы относительно небольшие вложения, чтобы быстро развернуть NB-IoT.
Говоря об участии мобильных операторов в IoT-проектах, следует отметить, что возможны разные бизнес-модели. Самая простая – это только предоставление связи: в этом случае оператор берет на себя минимальную ответственность и получает минимальный ARPC (Average Revenue Per Customer – средний доход на клиента).
Следующий уровень в цепочке предоставления добавленной ценности – статус «Оператор NB IoT», то есть предоставление сети как услуги. Помимо обеспечения связи, здесь возникают дополнительные сервисные возможности, например аналитической обработки получаемых данных методами Big Data и коммерческой реализации этой аналитики.
И наконец, третий уровень – когда оператор выступает как сервис-провайдер, ответственный за системную интеграцию, внедрение, обучение и сопровождение сервиса. Это вариант, при котором ARPC резко возрастает, но и степень ответственности провайдера увеличивается.
На базе NB-IoT могут быть построены решения для подключения как персональных, домашних, публичных, так и индустриальных IoT-приложений (рис. 5).
Рис. 5. Четыре сценария использования NB IoT
- User case – варианты использования; IoT Appliance – домашние IoT-устройства.
- IoT Personal – персональные решения IoT; IoT Public – публичные решения IoT.
- IoT Industry – индустриальные решения IoT.
Наиболее распространенным решением из числа публичных следует назвать подключение к мобильной сети «умных» счетчиков (рис. 6) – это позволяет экономить время сотрудников за счет использования удаленного сбора данных о расходах воды, электричества и газа.
Рис. 6. Подключение к мобильной сети умных счетчиков
К этой же категории следует отнести решения по подключению датчиков предупреждения и оповещения. Например, оповещение о вторжении в жилище, оповещение о задымлении или повышенной температуре, что может быть связано с пожаром.
Среди публичных решений хотелось бы упомянуть так называемые «умные» мусорные контейнеры. Такой контейнер может сообщать, насколько он полон, и тем самым оптимизировать работу комунальных служб по вывозу мусора. На основании информации с датчика контейнера может быть рассчитан оптимальный маршрут движения и передан водителю мусоровоза.
Перспективным следует назвать и решение «умная парковка» (рис. 7), построенное на базе недорогого геомагнитного сенсора.
Рис. 7. Решение для организации «умной» парковки
Индустриальные IoT-приложения в основном используют устройства с низким энергопотреблением, например в случае решений по обеспечению логистики и отслеживанию грузов. Технология позволяет контролировать местоположение грузов, а предупреждения и рекомендации могут направляться техническим сотрудникам на их смартфоны в реальном режиме времени.
Отслеживать можно не только грузы, но и индустриальные объекты – с помощью крепления модуля, передающего информацию о его местоположении. Широкие возможности для NB IoT открываются и в приложениях «умного» сельского хозяйства. Здесь также востребовано использование датчиков для автоматизации полива, предупреждения о нештатных ситуациях (например, в теплице повышенная температура или заканчивается вода в резервуарах и т. п.). Датчики могут посылать информацию о составе кормов для животных, отслеживать содержание в них определенных компонентов, собирать данные для анализа.
Говоря о приложениях для «умного» дома, следует отметить, что обычно они развернуты на базе технологий малого радиуса действия, таких как Z-Wave и ZigBee, а подключение к Интернету идет через домашний шлюз. Однако прибор со встроенным NB-IoT-чипсетом может стать более предпочтительным решением.
Хорошие перспективы у NB IoT и для подключения персональных устройств. В последнее время приобретают популярность носимые гаджеты для фитнеса и контроля за состоянием здоровья, с помощью которых пользователи могут мониторить степень своей физической активности, подсчитывать потраченные калории, измерять давление, пульс и другие параметры.
В заключение следует еще раз подчеркнуть, что NB-IoT открывает новое поле деятельности для мобильных операторов, и им следует инвестировать в эти решения уже сегодня, чтобы вовремя занять долю на этом перспективном рынке.
