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! 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. 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 Категория абонентского оборудования сети стандарта NB-IoT Максимальная скорость передачи данных, Кбит/с В направлении к Абоненту В направлении от Абонента Category NB-1 26 60 Category NB-2 126 160 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 Назначение устройства Частота передачи сообщений Размер сообщения, байт Дневной трафик, байт Ежемесячный трафик, байт Носимые устройства 10 в день 20 200 6 000 Трекинг животных 2 в час 50 2 400 72 000 Трекинг самокатов, велосипедов 8 в час 50 9 600 288 000 Биометрические и медицинские датчики 8 в день 100 800 24 000 Генераторы электричества 2 в день 100 200 6 000 Пожарная сигнализация 2 в день 20 40 1 200 Трекинг фермерского скота 100 в день 50 5 000 150 000 Датчики микроклимата 5 в день 50 250 7 500 Трекинг промышленного оборудования 100 в день 50 5 000 150 000 Промышленный мониторинг безопасности 2 в день 100 200 6 000 Счётчики воды и газа 8 в день 200 1 600 48 000 Датчики парковки 60 в день 50 3 000 90 000 Автоматизация зданий 5 в день 50 250 7 500 Автоматизация дома 5 в день 50 250 7 500 Промышленный контроль производства 100 в день 50 5 000 150 000 Умные сети 10 в день 20 200 6 000 Мониторинг пропановых цистерн 2 в день 100 200 6 000 Мониторинг агродатчиков 4 в день 100 400 12 000 Мониторинг мусора 1 в час 10 240 7 200 Мониторинг окружающей среды 1 в час 200 4 800 144 000 Городское освещение 5 в день 100 500 15 000 Бытовая техника 3 в день 20 60 1 800 Вендинговые машины 1 в день 1 024 1 024 330 720 100 в день 100 10 000 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.