Привет, Хабр! Сегодня предлагаем поговорить о составе и основных принципах работы инфраструктуры NB-IoT. Также обсудим практические рекомендации по интеграции серверов приложений с инфраструктурой сети NB-IoT при использовании режимов IP (UDP, TCP, а также базирующихся на них CoAP, lwM2M, MQTT и т. д.) и non-IP (NIDD). Сегодняшняя статья первая из планируемого цикла материалов об NB-IoT, так что если эта тематика вам интересна, подписывайтесь, в ближайшем будущем опубликуем ещё несколько частей. 

Авторы, команда Телекоммуникационной лаборатории МТС и продукта «МТС Сертификация» Виктор Лучанский, Николай Кольянко, Владислав Капослез, Эльдар Азисов и Сергей Новиков, подготовили цикл на основе собственного практического опыта развёртывания и эксплуатации сети NB-IoT, проведения интеграции с разнообразными устройствами NB-IoT и платформами приложений в различных областях — от экологического мониторинга до энергетики. Подробности — под катом, поехали!

Инфраструктура сети NB-IoT. Нюансы работы, сведения об основных компонентах и их функциях

Итак, в мобильных сетях есть два основных канала коммуникаций, которые называются Control Plane (CP) и User Plane (UP): 

• Control Plane предназначен для обмена служебными сообщениями между различными элементами сети и служит для обеспечения мобильности (Mobility management) устройств (UE), а также для установления/поддержания сессии передачи данных (Session Management). 

• User Plane — канал передачи пользовательского трафика.

Что касается механизмов оптимизации CP и UP для NB-IoT (об этом протоколе мы публиковали несколько статей — например, эта и вот эта), то они реализованы на узлах MME, SGW и PGW. Последние условно объединяются в единый элемент под названием CSGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). В сети NB-IoT МТС данные передаются только в CP, хотя при необходимости может использоваться и UP.

Несмотря на то, что CP предназначен для передачи сигнальной информации, в NB-IoT он адаптирован для передачи малых объёмов данных без использования IP (Non-IP data). Стандарт NB-IoT предполагает появление нового элемента сети — SCEF (Service Capability Exposure Function).

SCEF — узел экспонирования сервисных возможностей. Он является посредником между сетью МТС и Сервером приложений (AS-Application Server), скрывает сложность сети оператора, а также снимает с разработчиков приложений необходимость идентификации и аутентификации мобильных устройств (UE). Как следствие, он предоставляет серверам приложений возможность получать данные и управлять устройствами через единый API-интерфейс.

SCEF также является единым окном доступа к уникальному набору сервисов оператора по управлению и контролю за своими M2M-устройствами.

В сети NB-IoT идентификатором абонентского устройства становится не телефонный номер (MSISDN) или IP-адрес, как это было в классической сети 2G/3G/LTE, а так называемый external ID, который определён стандартом в привычном для разработчиков приложений формате <Local Identifier>@<Domain Identifier>.

Важный элемент такой сети — М2М-менеджер. Это платформа МТС и связанная с ней услуга, предоставляющая возможность получения объективной и полной статусной, статистической и иной информации о процессе эксплуатации SIM-карт в устройствах (о eSIM можно почитать вот здесь) и приборах в классических сетях 2G, 3G, LTE и NB-IoT, включая режим non-IP (NIDD). M2M-менеджер позволяет управлять услугами, доступными для каждой SIM-карты, формировать подписки на получение серверами приложения данных от устройств, а также отправлять данные на эти устройства.

В состав ядра сети NB-IoT включён МТС IoT Hub — классическая IoT-платформа. Она обеспечивает интеграцию с устройствами, получение от них данных с использованием ряда стандартных протоколов, их конвертацию, хранение данных, их обработку и визуализацию, а также передачу данных во внешние серверы приложений с использованием REST API.

Кроме того, сеть NB-IoT МТС обеспечивает передачу SМS как через SCEF, так и по протоколу SMPP.

Инфраструктура сети построена таким образом, чтобы обеспечивать возможность применения различных методов интеграции как с доверенными серверами приложений, расположенными в контуре МТС, так и с внешними AS.

А что насчёт особенностей применения NB-IOT? 

Их (особенности) жизненно важно не забывать учитывать при разработке как приложения и самого устройства, так и при разработке сервера приложений, выбора рабочих протоколов и типа интеграции.

Передача данных по сети стандарта NB-IoT обеспечивается в пределах покрытия такой сети. Максимальная скорость цифрового потока при передаче данных в сети стандарта NB-IoT на радиоинтерфейсе с физическим уровнем, достижимая при идеальных условиях радиоприёма и отсутствии в соте других абонентов, указана в таблице ниже.

Таблица 1

Важный нюанс: максимальная скорость передачи данных — это всегда максимальная скорость цифрового потока на физическом уровне в идеальных условиях радиоприёма и при монопольном использовании абонентом всех ресурсов соты (отсутствуют другие абоненты). Эта скорость делится между абонентами, обслуживаемыми в соте. Чаще всего доступная абоненту скорость передачи данных на физическом уровне ниже указанной.

Реальная скорость, доступная абоненту, а также общее время процедуры установления соединения с сетью и передачи абонентских данных зависят от большого количества факторов: 

• числа одновременно работающих абонентов

• категории абонентского оборудования

• используемого тарифа

• условий радиоприёма

• регуляторных ограничений на максимально излучаемую мощность сигнала

Для обеспечения максимального срока автономной работы от аккумулятора с использованием NB-IoT абонентское устройство должно поддерживать режимы энергосбережения PSM и/или eDRX и механизм принудительного завершения соединения по неактивности RAI.

Для обеспечения расширенного покрытия с использованием NB-IoT абонентское устройство должно поддерживать функцию extended coverage Level 1, 2. Размер, периодичность и общий объём передаваемого трафика абонентским оборудованием должны удовлетворять рекомендуемым значениям, приведённым в Таблице 2, в зависимости от назначения и применения. Таблица составлена на основе данных GSMA White paper — 3GPP Low Power Wide Area Technologies.

Таблица 2 — Рекомендуемые модели передачи сообщений для абонентского оборудования интернета вещей

Здесь есть ряд ограничений для оборудования. Так, для любого абонентского оборудования недопустимо:

• выполнять запросы на регистрацию в сети ATTACH_REQUEST чаще, чем один раз в час

• устанавливать соединение с использованием протокола TCP чаще, чем один раз в час

• поддерживать соединение длительностью более одной минуты в рамках сессии передачи данных с использованием протокола TCP

• передавать данные чаще, чем 8 раз в час

• передавать данные чаще, чем 2 раза в час, и размером пакета более 100 байт

Отправка любых пакетов, например запросов DNS и ping, также учитывается как передача данных.

Услуги предоставляются абоненту с выделением максимально возможного на данный момент количества ресурсов сети. Так достигается максимальное качество связи. В связи с возможностью динамического перераспределения ресурсов сети между несколькими абонентами, скорость передачи данных, характеристики достоверности и надёжности передачи информации, временные задержки или их диапазоны могут изменяться, в том числе в процессе передачи данных.

Отметим ещё, что существует множество факторов, включая особенности распространения радиосигналов, изменения ландшафта, геометрию зданий, наличие тоннелей и т. п., которые снижают качество услуг связи по передаче данных в таких зонах относительно заявленного уровня и снижения скорости услуг передачи данных.

На сегодня всё. В следующей части поговорим об основных схемах интеграции с сетью NB-IoT и не только. Было бы интересно услышать комментарии по поводу первой части статьи — возможно, у вас тоже есть чем поделиться? Если так, с удовольствием почитаем.