Технологии мобильной связи для IoT стандарта 3GPP Rel. 13
Спецификации сотовой связи 3GPP для IoT
Наиболее перспективным направлением развития «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) представляется построение комбинированных сетей IoT, объединяющих персональные, локальные и глобальные сети. С этой точки зрения очень полезным является направление, позволяющее использовать существующие сети 3G/4G для обслуживания многочисленных устройств IoT.
Согласно прогнозам [1, 2, 3], к 2025 г. наибольший рост устройств мобильной связи для IoT будет наблюдаться в таких областях, как бытовое оборудование, индустриальная автоматика, медицинское оборудование.
Учитывая огромный потенциал IoT, консорциум стандартов мобильной связи 3GPP и ведущие мировые производители проводят исследования, направленные на разработку новых технологий и возможности использования существующих сетей для IoT.
Мобильные устройства, работающие в сетях 2G/3G/4G/LTE, поддерживают широкий спектр различных сервисных функций, таких, например, как голосовая связь, передача данных на больших скоростях, потоковое видео, высококачественное аудио и др. Для большинства приложений IoT эти функции являются излишними.
К сетям WLAN, предназначенным для использования в проекте IoT, предъявляется ряд специальных требований. Одно из основных из них — это минимальная цена при минимально необходимой функциональности. Огромное количество различных датчиков в приложениях IoT должны выходить в эфир только периодически и только для того, чтобы отправить накопленную информацию. При этом очень важное значение имеет энергопотребление. В таких приложениях, как, например, контроль перемещения грузов, различные брелоки, стикеры, транспондеры контроля доступа и другие аналогичные, необходимы модули с крайне низким энергопотреблением. Эти устройства, использующие автономное батарейное питание, должны обеспечивать работу без замены батареи в течение нескольких лет. В англоязычной литературе этот тип устройств получил название Low Power Wide Area (LPWA).
Работы по созданию единого стандарта для устройств IoT, работающих в сотовых сетях, были начаты около 10 лет назад. Впервые в документах 3GPP Release 8 были определены основные параметры связи между различными устройствами, оборудованием и механизмами (Machine Type Communication, MTC). В этом релизе описаны технологии LTE Cat. 1, LTE-MTC, LP-WAN и GSM-MTC.
В дальнейшем, в Rel. 10, Rel. 11, Rel. 12, были регламентированы средства защиты сетей от перегрузок при использовании тысяч подключенных устройств (SIMTC, NIMTC) и прописаны требования, предъявляемые к расширенным машинным интерфейсам (Machine Type Communications enhancements, MTCe), а также к устройствам IoT с минимально необходимыми функциями и низкой стоимостью (Low Cost LTE, LC_LTE).
В последнем документе Rel. 13, принятом в июле 2016 г., окончательно стандартизованы следующие технологии IoT LPWA для лицензируемых диапазонов: EC-GSM-IoT, eMTC, NB-IoT [3, 4].
Основные характеристики технологий EC-GSM-IoT, eMTC, NB-IoT приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий EC-GSM-IoT, LTE-MTC, NB-IoT
Наименование
eMTC
EC-GSM-IoT
NB-IoT
Основные рабочие полосы частот LTE
Основная полоса частот GSM
Основная и защитная полосы частот LTE, выделенные частоты (800/900/1800 МГц)
Уровень покрытия (в соответствии с TR 36.888/45.820)
164 дБ (33 дБм power class), 154 дБ, (23 дБм power class)
Для DL и UL (4 временных слота): 70 кбит/с (GMSK) и 240 кбит/с (8PSK)
FD и HD (type B), FDD и TDD
Категория мобильного устройства
Технология EC-GSM-IoT
Технология EC-GSM-IoT (Enhanced Coverage GSM for IoT) была предложена рабочей группой GERAN в рамках проекта 3GPP-R13. Первоначальное название технологии было EC-EGPRS. В дальнейшем в технической документации стали использовать также термины EC-GSM-IoT и EC-GSM. В данной статье используется термин EC-GSM-IoT, принятый в релизе 3GPPP Rel. 13 [4]. Эта технология позволяет устройствам IoT обмениваться небольшими пакетами данных по сети GPRS в расширенной зоне покрытия до 164 дБ.
Отличительными особенностями технологии EC-GSM-IoT являются:
На физическом уровне EC-GSM-IoT работает с теми же самыми частотами, что и старые GSM-сети поколения 2G. Однако при этом используется новая схема кодировки TDMA/FDMA, GMSK, 8 PSK 1 Rx. Кроме того, введены новые логические каналы EC-BCCH, EC-PCH, EC-AGC, EC-RACH.
В стандарте EC-GSM-IoT используется метод Blind Physical Layer Repetitions, который позволяет многократно (до 28 раз) повторять передачу одного пакета без ответа приемника. Этот метод позволил увеличить радиус действия до 164 дБ, что на 20 дБ больше, чем в стандарте 2G. Кроме того, такой подход значительно улучшает надежность связи в условиях экранирования сигнала (подвалы, гаражи, городские застройки).
В базовом стандарте LTE Rel. 8 используется метод, позволяющий снизить энергопотребление мобильных устройств (МУ), который называется Discontinuous Reception (DRX). Принцип работы DRX заключается в том, что MУ принимает данные от базовой станции (БС) не постоянно, а только в определенные периоды. То есть в определенные моменты времени МУ отключает приемник и переходит в спящий режим. В базовом стандарте период обязательных сигнальных сообщений, в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая при этом никакую информацию, составляет несколько секунд. В Rel. 13 используется расширенный интервал eDRX (Extended Discontinuous Reception), позволивший увеличить интервалы ожидания обязательных сигнальных сообщений до 52 минут.
Функция Relaxed Idle Mode (RIM) позволяет дополнительно экономить энергопотребление за счет упрощения процедуры сетевой сигнализации и отказа от поддержки жесткого контроля совместной работы с сетями WCDMA/LTE.
Энергосберегающий режим Power Efficient Operation (PEO), наряду с RIM и eDRX, позволяют эксплуатировать устройство IoT в сети EC-GSM с аккумулятором в автономном режиме без подзарядки в течение нескольких лет.
Втаблице 2приведены значения времени автономной работы устройства IoT с поддержкой EC-GSM от аккумулятора с потреблением 5 Вт·ч, в зависимости от величины размера пакета и интервала передачи сообщений [5]. При использовании коротких пакетов данных размерами до 200 байт один раз в день срок службы аккумуляторной батареи превысит 10 лет для всех зон покрытия — 144, 154 и 164 дБ. Однако, в случае более частых сообщений, например каждые два часа по 200 байт, автономная работа без подзарядки в зоне действия EC-EGPRS (164 дБ), срок службы батареи сократится до полутора лет [2].
Таблица 2. Время автономной работы устройства IoT с поддержкой EC-GSM
Время автономной работы устройства IoT, годы
Покрытие GPRS, 144 дБ
Покрытие EC-EGPRS, 154 дБ
Покрытие EC-EGPRS, 164 дБ
Переход к технологии EC-GSM в сетях 2G может быть реализован путем полной замены программного обеспечения с незначительной модернизацией оборудования большинства существующих базовых станций.
Чтобы адаптировать существующее оборудование базовых станций 2G к EC-GSM, необходимо, как минимум, проделать следующие операции [6, 7]:
Поскольку сети 3G/4G поддерживают работу 2G, то устройства EC-GSM-IoT смогут работать и в этих сетях (при отмеченных выше доработках).
Более подробно технические особенности стандарта EC-GSM-IoT описаны в [4, 8].
Развитием и поддержкой стандарта EC-GPRS занимается международная ассоциация EC-GSM-IoT Group, в состав которой в настоящее время входят такие известные мировые производители и операторы сотовой связи, как, например, Broadcom Corporation, Cisco Systems, Ericsson, Gemalto NV, Intel Corporation, KDDI Corporation, LG Electronics, MediaTek, Nokia, Oberthur Technologies, Ooredoo, Orange, Samsung Electronics, Saudi Telecom Company, Sierra Wireless, Telit Communications, VimpelCom [3, 9.]
На выставке Mobile World Congress 2016 в Барселоне были продемонстрированы совместные разработки Ericsson и Nokia для EC-GSM-IoT. Большой интерес вызвали устройства для велосипедов, а также оборудование для полного комплексного обслуживания процесса изготовления вина. Многочисленные датчики, контролирующие содержание влаги, микроэлементов в почве и содержание сахара в плодах, позволяют не только поливать и вносить удобрения в автоматическом режиме, но также оптимальным образом планировать сроки сбора урожая.
Во Франции в 2016 г. закончилось тестирование оборудования для EC-GSM-IoT в диапазоне 900 МГц, проведенное совместно Ericsson, Orange Labs Networks и Intel.
В результате этих тестов было показано, что уже сегодня существующее оборудование позволяет увеличить в семь раз зону покрытия для приложений, которым не требуется высокая скорость передачи данных.
Оборудование MediaTek–Nokia для EC-GSM было продемонстрировано на выставке Espoo (Finland, 2016). В основе этого решения использованы технологии производства чипов MediaTek и оборудование для БС Nokia Flexi Multiradio 10 base station.
Ожидается, что в массовую продажу чипы и модули EC-GSM-IoT поступят в 2017 г. Наряду с отмеченными выше техническими характеристиками производители обещают также крайне низкие цены на эти модули и чипы.
Возможно, в ближайшем будущем в России появятся сети с поддержкой EC-GSM-IoT. Крупнейший российский оператор сетей сотовой связи МТС подписал в июне 2016 г. контракт с фирмой Ericsson о поставке программного обеспечения с поддержкой EC-GSM-IoT. В рамках этого контракта предполагается протестировать технологию, которая обеспечит работу IoT-устройств на существующих в России сетях МТС.
Технология eMTC
Рис. 1. Cхема распределения ресурсов в стандарте LTE
Аббревиатура eMTC означает LTE enhancements for Machine-Type Communications, то есть расширение стандарта LTE для коммуникации между различными механизмами и устройствами. В данной статье используется термин eMTC, принятый в базовой документации 3GPP [4]. Стандарт eMTC, по существу, является адаптацией высокоскоростных технологий LTE (Rel. 8–11) для использования в IoT-приложениях. В этом стандарте разработчики отказались от избыточной функциональности и быстродействия стандартов LTE Rel. 8–11. В технологии eMTC поддерживается только передача небольших пакетов данных (1000 бит) со скоростями до 1 Мбит/с в обоих направлениях.
В eMTC поддерживаются основные характеристики структуры LTE Rel. 8, такие, например, как: кодировки; распределение спектра частот; размещение поднесущих длительности кадра, подкадра, слота, символа; частота семплирования; количество символов в сабфрейме.
В стандарте eMTC используются такие же методы доступа, как и в LTE Rel. 8, а именно — OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) для направления «вниз» и SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 16 QAM для направления «вверх». В существующей быстродействующей технологии LTE Rel. 8 стандартизированы полосы пропускания с шириной канала: 1,4; 3; 5; 10; 15; 20 МГц. Из этих значений полос пропускания в стандарте eMTC выбрано только одно значение ширины канала — 1,4 МГц. Остальные отмеченные полосы пропускания оставлены для устройств стандарта LTE Rel. 8.
В технологии OFDM применяется передача широкополосного сигнала, основанная на независимой модуляции узкополосных, расположенных с определенным шагом по частоте несущих. Каждый OFDM-символ содержит набор модулированных поднесущих. Во временной области OFDM-символ включает поле полезной информации и циклический префикс CP (Cyclic Prefix), дублирующий фрагмент конца предыдущего символа.
На рис. 1 схематически показан процесс распределения ресурсов трансляции пакетов данных в базовом стандарте LTE [5].
Для каждого мобильного устройства в LTE Rel. 8 выделяется определенный диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области, которая получила название «ресурсная структура» (resource structure RS). Ячейка RS, определяемая, как «ресурсный элемент» (resource element, RE), соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют «физический ресурсный блок» (physical resource block, PRB), который занимает 12 поднесущих, или 6 OFDM-символов в стандартном варианте. При этом общая длительность слота составляла 0,5 мс. Одна поднесущая, умноженная на один символ, определяет ресурсный элемент RE. Количество ресурсных блоков PRB в ресурсной структуре определяется шириной полосы канала и может принимать значения от 6 до 110. Ресурсный блок PRB выделяется каждому мобильному устройству планировщиком БС в специальном сообщении управляющего канала.
На рис. 2 показана схема трансляции данных по технологии eMTS при работе в модернизированной сети LTE Rel. 8 [2].
Рис. 2. Схема трансляции данных по технологии eMTS при работе в сети LTE Rel. 8
Синхронизация работы БС с МУ осуществляется в стандарте LTE с помощью сигналов Primary Synchronization Signal (PSS) и Secondary Synchronization Signal (SSS). Синхронизация по TTI-слотам и OFDM-символам, а также вычисление физического идентификатора соты (Physical Layer Cell Identity, PCI) реализуется через PSS, который передается в 0 и 10 слотах каждого кадра.
Блок служебной информации MIB (Master Information Block), содержащий базовые параметры радиосети (ширина канала, конфигурация канала PHICH, текущий номер кадра System Frame Number SFN), передается по физическому радиовещательному каналу PBCH (Physical Broadcast Channel).
Информация, характеризующая персональные данные конкретного МУ, передается в посылках SIB по физическому каналу PDSCH (Physical Downlink Shared Channel), предназначенному для передачи «вниз» информации каналов DL-SCH и PCH.
Физический канал управления PDCCH (Physical Downlink Control Channel) в стандарте LTE Rel. 8 определен для передачи «вниз» информации о назначении канального ресурса транспортных блоков PCH, DL-SCH, UL-SCH и HARQ информации, относящейся к каналу DL-SCH. В Rel. 11 дополнительно введен расширенный канал EPDCCH, который определяет специфические особенности МУ. Разные МУ имеют разные EPDCCH. Подробно все эти функции описаны в [10].
В стандарте eMTC сохранена базовая архитектура LTE Rel. 8 для полосы 1,4 МГц. Вместе с тем имеется и ряд различий. Так, например, на физическом уровне оставлены каналы EPDCCH и PDSCH. Каналы PCFICH и PHICH стандарта LTE Rel. 8 в eMTC не используются.
Стандарт eMTC забирает только полосу 1,4 МГц (или 6 PRB) из всех возможных полос пропускания, отведенных для LTE Rel. 8. МУ IoT всегда настроены на центр 6 PRB в ожидании контрольной информации. Когда МУ получит сеанс связи с БС, ему будут выделены соответствующие физические ресурсные блоки (вплоть до 6 PRB) на любом участке внутри рабочего спектра. Это, например, означает, что МУ eMTC займет полосу шириной 1,4 МГц внутри полосы LTE Rel. 8 шириной 20 МГц.
Специальные контрольные посылки и полезные данные мультиплексируются в частотном домене. При этом игнорируется контрольная информация базового стандарта LTE. Такой подход позволяет поддерживать работу МУ IoT на частотах БС LTE при заданных параметрах мощности, чувствительности и алгоритмов передачи для конкретных типов МУ. Таким образом, при минимальных доработках оборудования БС можно реализовать одновременное обслуживание десятков тысяч МУ IoT и современных полнофункциональных смартфонов, гаджетов, ПК на сетях LTE, избегая при этом возможных коллизий между этими устройствами.
В технологии eMTC применяются отмеченные в предыдущем разделе механизмы eDRX и PSM, которые позволяют заметно снизить энергопотребление МУ по сравнению с устройствами LTE Rel. 8. Длительность времени автономной работы от одной батарейки типа АА можно приблизительно оценить, используя данные таблицы 2. Поскольку скорость передачи данных в eMTC значительно больше, чем в EC-GSM-IoT, то время передачи одного и того же объема данных в сетях eMTC будет меньше. Это означает, что при одинаковом классе мощности (23 дБм) время автономной работы МУ eMTC будет больше. Теоретически, максимальное время автономной работы МУ eMTC от батарейки 5 Вт·ч при передаче 200 бит данных один раз в день может достигнуть величины 36 лет. Реальные оценки несколько меньше.
Стандарт eMTC обеспечивает покрытие 155,7 дБ, что на 15 дБ больше по сравнению с LTE Rel. 8. Напомним, что в базовом стандарте LTE все требования к спектральной эффективности, пропускной способности и работе с МУ, прописанные в Rel. 8–11, должны выполняться при радиусе соты в 5 км. В стандарте eMTC увеличение радиуса действия реализуется с помощью отмеченных ранее механизмов, таких, например, как повышение пиковой мощности для полезных и информационных сообщений (Power Boosting, PB), многократное повторение сообщений (retransmission RT) и упрощение алгоритма передачи данных (Relaxing Performance Requirements, RPR).
В стандарте LTE Rel. 8 используется достаточно сложная процедура идентификации МУ, которая реализована непосредственно в сети радиодоступа (NAS, RRC, SRB, DRB, PDCP, RLC и т. д.).
Для простых МУ IoT многоступенчатая процедура идентификации стандарта LTE Rel. 8 не требуется. Поэтому в стандарте eMTC начальный этап связи существенно упрощен. Это позволяет увеличить количество MУ, обслуживаемых одной БС, до нескольких десятков тысяч.
Подробно требования, предъявляемые стандартом Rel. 13 к МУ и БС, изложены в многочисленных документах, посвященных конкретным функциям и параметрам [4].
Таким образом, использование существующих сетей LTE для МУ стандарта eMTC позволит в ближайшем будущем осуществить с минимальными затратами масштабное внедрение в жизнь многочисленных приложений IoT. МУ стандарта eMTC могут работать в существующих сетях 3G/4G при установке на БС нового программного обеспечения, занимая всего один канал. Остальные полосы пропускания будут по-прежнему использоваться стандартным оборудованием LTE Rel. 8. Поэтому в существующих сетях 4G могут одновременно работать как высокоскоростные смартфоны и гаджеты с поддержкой LTE и LTE-A, так и медленные устройства мобильной связи IoT.
Для снижения стоимости простых МУ eMTC предполагается использовать полудуплексный режим передачи и одну антенну. Сравнивая функциональные возможности МУ Rel. 8 и Rel. 13, можно сказать, что MУ стандарта eMTC примерно на 80% проще, чем MУ стандарта Rel. 8. Экспериментальные образы чипов для eMTC содержат на одном кристалле радиочастотный блок с выходной мощностью 20 дБ и сигнальный процессор. Предполагается, что при массовом производстве цена чипа eMTC может быть снижена до единиц евро.
Ведущие мировые производители микросхем для беспроводной связи ведут разработки чипов, предназначенных специально для IoT. В качестве примера можно привести ведущего производителя комплектующих для WiMAX и LTE — французскую фирму Sequans Communications S. A.
В феврале 2016 г. Sequans Communications представила в Париже свой новый чип Monarch, который был разработан специально для устройств IoT LTE Cat. M1/NB1 [11]. Этот чип, содержащий на одном кристалле трансмиттер, процессор и блок питания, полностью удовлетворяет требованиям стандарта 3GPP Rel. 13, предъявляемым к устройствам Narrowband LTE Cat. M1/NB1(M2).
Характерными особенностями чипа Monarch являются исключительно низкое энергопотребление (DPM) и программируемый радиочастотный блок, позволяющий использовать для работы стандартную полосу LTE 1,4 МГц (Cat. M1), а также полосу 200 кГц (Cat. M2). Чип поддерживает полудуплексные режимы FDD (HD-FDD) и полный дуплекс FDD, TDD. В зависимости от модели и выбора параметров чип Monarch может быть использован в устройствах LTE Cat M1 (скорости передачи 375 кбит/с — DL, 300 кбит/с — UL) или в устройствах LTE Cat. NB1 (скорости передачи 45 кбит/с — DL, 40 кбит/с — UL). Чип оснащен последовательным интерфейсом с поддержкой расширенного режима энергосбережения.
Чип изготовлен в конструктиве FC-CSP package с габаритными размерами 6,5×8 мм. Как заявляют разработчики, устройства IoT на базе Monarch могут работать со стандартной батарейкой в течение 10–15 лет. Monarch сразу привлек к себе внимание производителей конечного оборудования. Так, например, Verizon и Gemalto3 собираются использовать этот чип в своих новых устройствах для IoT. На пресс-конференции в Париже вице-президент фирмы Device Technology at Verizon отметил, что Verizon первой в мире запустила коммерческую сеть устройств IoT LTE Cat. 1. Поэтому, используя опыт подобных работ, фирма сделает все возможное для того, чтобы первой запустить также и сеть IoT LTE Cat. М1/М2.
В конце 2015 г. компания Qualcom анонсировала новые разработки: чип MDM9207-1 с поддержкой LTE Cat. 1 и чип MDM9206, предназначенный для работы в сетях с поддержкой LTE Cat. M (eMTC NB-IoT) [12]. На выставке 3GSM World Congress Qualcomm в феврале 2016 г. представила опытные образцы чипа MDM9207-1, основные технические характеристики которого приведены в таблице 3.Предполагается, что в коммерческую продажу чип MDM9207-1 поступит в конце 2016 г.
Таблица 3. Основные технические характеристики чипа Qualcom MDM9207-1
Команды 3GPP AT на Samsung Galaxy: что это такое, зачем нужна?
Разбудить скрытые резервы мобильного устройства и использовать аппаратную начинку можно при помощи АТ-команд, которые облегчат цифровой набор и поиск необходимой функции.
История АТ
АТ – аббревиатура английского происхождения от слова attention. Удачное решение короткого набора информации и символов текстового режима послужило стандартом для производителей. Международной ассоциацией был разработан стандарт команд, который постоянно дополняется пояснениями.
Производителям разрешено использовать собственные разработки, которые могут расширять специфические функции.
Особенности команд на смартфоне
Исследователи обнаружили в смартфонах Samsung странную проблему, которая решается. Подключенное устройство USB- кабелем к персональному компьютеру отправляет АТ-команды в заблокированном состоянии.
Воспользоваться такой ситуацией возможно только при наличии доступа к аппарату. Подключенное устройство к USB абсолютно открыто и может принудительно открыться.
Используется интерфейс для отправки произвольных АТ-команд в виде голосовых и текстовых сообщений, хотя механизм блокировки должен предотвращать ряд таких действий.
Смартфоны старых моделей более уязвимы с данной проблемой.
Существует ряд системных настроек, которые можно осуществлять таким способом. Команды могут быть как для голосовых сообщений, вызовов, так и для настроек. С их помощью можно использовать возможности предоставленных функций на смартфоне на 100%.
Коды и комбинации
Сервисные коды полезны для пользователя и предоставляют доступ к дополнительным функциям, которые в обычном режиме недоступны. Изначально разрабатывались для тестирования устройства, позже стали применять при вызове меню или для получения скрытой информации о смартфоне.
Продвинутые пользователи пользуются командами на постоянной основе. Полезные сервисные коды достаточно ввести через номеронабиратель с цифрами и знаками, которые соответствуют выбранной функции для выполнения. При вводе последнего символа меню запускается автоматически без лишних дополнительных действий.
Не следует изменять настройки самостоятельно о которых нет понятия, так как возникнет проблема потери данных и повреждения программного обеспечения.
С помощью набора определённой комбинации символов можно вызвать меню, узнать номер телефона, инженерное меню, потребление данных, состояние сети и потребление аккумулятора, инженерное меню, меню управления, режим звука, статус регистрации сети и регион.
Полезные системные команды очень удобны и могут пригодиться при использовании их с двойной осторожностью.
