Михаил Бухтеев Старший системный инженер

1. Cisco
Connect
Москва, 2017
Цифровизация:
здесь и сейчас

2. Энергоэффективные
сети большого
радиуса действия на
основе стандартов
3GPP и LoRaWAN
Михаил Бухтеев
Старший системный инженер
© 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

3. Содержание
• Что такое энергоэффективные сети большого
радиуса действия (LPWA – Low Power Wide Area)?
Области применения, коммерческие перспективы,
характеристики, варианты реализации
• LoRaWAN - обзор технологии и решения Cisco
• 3GPP СIoT – обзор технологии и решения Cisco
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

4. Что такое энергоэффективные сети большого
радиуса действия (LPWA – Low Power Wide
Area)? Области применения, коммерческие
перспективы, характеристики, варианты
реализации
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

5. Зачем нужно направление LPWA?
 45% IoT устройств расположены в местах, где существуют
проблемы с обеспечением электропитания данных устройств:
например, нет постоянного источника электропитания, нет
возможности регулярно менять батарейку/аккумулятор
 Примеры таких устройств: парковочный датчик, датчик
расхода воды или газа, устройство мониторинга
загрязненности почвы, и т.д.
 LPWA (Low Power Wide Area - энергоэффективные сети
большого радиуса действия) обеспечивают низкое
энергопотребление конечными устройства и большое
покрытие от базовой станции
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

6. Счетчик потребления воды
Мониторинг инфраструктуры
Парковочный датчик
Мониторинг загрязнения и влажности
Отслеживание
местоположения
Счетчик потребления газа
Примеры устройств, где может
потребоваться LPWA

7. Области применения LPWA
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

8. Характеристика Порядок Значение
Спектр Нелицензионный (LoRaWAN,
SIGFOX, Weightless, Ingenu),
лицензионный начиная с 3GPP
R13 (eMTC, NBIoT, EC-GSM)
868 МГц для LoRa, Sigfox, Weightless
2.4 ГГц дял Ingenu
Лицензионный частоты для LTE-M/CAT-
M1, NBIoT, EC-GSM
Радиус Большой ~10 км
Количество объектов Много Тысячи
Объем данный Небольшой Десятки кбит в день
Скорость передачи
данных
Низкая Десятки кб/c
Задержка От маленькой до большой До несколько минут
Работа от батареи Длительная До 20 лет
Стоимость модуля Низкая <$5
Характеристики LPWA
LPWA НЕ для приложений, где требуется высокие скорости передачи данных

9. Миллиарды
устройств или
соединений
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2016 2017 2018 2019 2020 2021
2G 3G 4G+ LPWA
46%
6%
31%
16%
40%
29%
23%
7%
Source: Cisco VNI Global Mobile Data Traffic Forecast, 2016–2021
LTE и LPWA будут наиболее востребованными технологиями
Прогноз по использованию M2M/IOT
устройств в зависимости от технологии

10. LPWA – Какие технологии существуют?
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Энергоэффективные сети большого радиуса
действия (Low Power Wide Area - LPWA)
Нелицензионный диапазон
Лицензионный диапазон
CIoT
NBIOT
eMTC
CAT-M1
EC-GSM
• Работа в лицензионых диапазонах –
решение для мобильных операторов
• 3GPP R13
• Эволюция мобильных сетей LTE и GSM,
направленная на уменьшение
энергопотребления конечными
устройствами и увеличение зоны покрытия
• Небольшие скорости передачи данных
LoRaWAN SIGFOX Weightless
• Работа в нелицензионых диапазонах
(обычно 868 МГц, 2.4 ГГц для Ingenu) – сети
могут строить как мобильные операторы так
и любая организация
• Задача всех технологий обеспечить низкое
энергопотребление и большой радиус
действия
• Небольшие скорости передачи данных
Ingenu

11. Data Resource - “Mobile Experts White Paper for LoRa Alliance, 2015”
NB-IOT
Weightless-P
500M 1 KM 10 KMs 30 KMs
1 kbps
5 kbps
15 KMs
10 kbps
5 KMs
100kbps
100bps
RadioDataRate
RPMA
LoRaWAN
Sigfox/UNB
Radio Coverage Distance
200kbps
Сравнение технологий
Скорости , покрытие, потребление
электроэнергии

12. LoRaWAN - обзор технологии и решения
Cisco
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

13. LoRaWAN
• Лора альянс (http://lora-alliance.org)
• Актуальный региональные профайлы
• Физический интерфейс разработан и лицензируется компанией Semtech (chirp
spread spectrum с адаптивной полосой, SF и скоростью передачи данных)
• Использует нелицензируемый диапазон ISM (433 или 868 МГц для Европы, России,
СНГ, Ближнего Востока, Африки)
• Коммерческие сети запущены в Европе, Северной Америке и Азии
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

14. Альянс LoRa – более 360 участников
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Sponsors Contributors Adopters

15. Коммерческие сети LoRaWAN в мире

16. Примеры применения LoRaWAN
Proximus Бельгия – мониторинг условий
хранения продуктов, умные парковки,
отслеживание местоположения перевозчиков
груза в аэропорте, умное здание
KPN Голландия – умные дорожные знаки,
мониторинг заполнения мусорных баков, умная
ферма, управление уличным освещением

17. P
LoRa шлюз
(Базовая станция)
LoRa
радиоинтерфейс
Сетевой сервер Сервер
приложений
API
Шифрование на сетевом уровне
Шифрование на уровне приложений
Сетевой сервер
другого оператора
Roaming
(LoRaWAN 1.1)
IP
IoT устройства,
работающие по
технологии LoRa
Архитектура LoRaWAN

18. Applications
CoAP MQTT
IPv6/6LoWPAN
(IETF 6LPWA WG)
Raw others
LoRaWAN MAC
LoRa Modulation
868MHz 915MHz Other regional bands
LoRa Alliance Specifications
Semtech PHY chipset
LoRa Alliance Regional Profiles
Defined by Application
Протоколы LoRaWAN

19. Клчевые характеристики радио
интерфейса LoRa
• Использование chirp spread spectrum на радиоинтерфейсе
• Нелицензионный диапазон 868 МГц для России, СНГ, стран Ближнего Востока и Африки
• Ширина канала 125 кГц, расстояние между центрами соседних каналов – 200 кГц
• Поддержка UL и DL
• Модуляция Spread spectrum позволяет системе работать на низких уровнях модуляции (
до -20 дБ)
• Использование ортогональных SF: если два сигнала приняты одновременно и разница в
уровнях меньше 20 дБ, то приемник может обработать оба сигнала
• Forward error correction 4/5
• Адаптивное назначение скорости передачи данных в зависимости от радио условий (для
неподвижных конечных устройств) - от 250 кб/с до 5.4 кБ/с для канала шириной 125 кГц
• ACK/NAK процедуры (в случае если в MAC заголовке указан тип “confirmed data”)
• Рандомное использование каналов внутри диапазона для передачи данных
• Duty cycle (ограничение времени передачи данных)
• Поддержка мобильности (пакет в UL принимается несколькими LoRa шлюзами, пакет в
DL отправляется через “лучший” LoRa шлюз
• Определение местоположение конечного устройства на основе триангуляции

20. Duty cycle/рабочий цикл
• Устройство работает в соответствии с duty cycle: если устройство передавало
данные в течение “TimeOnAir”, то оно не сможет передавать данные в течение
“Toffsubband” в этом диапазоне
• Например, если устройство передавало данные в течении 0,5 с в диапазоне 868
МГц и duty cycle = 1%, то оно не сможет передавать данные в течение 49.5 с на
всем диапазоне 868 МГц

21. Частоты для технологии LoRa в России
• 868 МГц – Неспециализированные (любого назначения) устройства - устройства
малого радиуса общего применения, включая устройства дистанционного
управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи
данных и других подобных передач.
864-865 MHz (полоса 1 МГц): Duty cycle 0.1% или LBT , Максимальная ЭИИМ=25 мВт,
не разрешено около аэропортов (это 5 каналов с полосой 125 кГц)
868.7-869.2 MHz (полоса 0.5 МГц): Максимальная ЭИИМ=25 мВт (это 2-3 канала
полосой 125 кГц)
• 433 МГц - Неспециализированные (любого назначения) устройства - устройства
малого радиуса общего применения, включая устройства дистанционного
управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи
данных и других подобных передач.
433,075 - 434,790 МГц (полоса 1.715 МГц), Максимальная ЭИИМ=10 мВт
868 МГц является основным диапазоном для LoRaWAN в странах EMEAR

22. Безопасность в сетях LoRaWAN
AppSKey (ключ шифрования
приложения) отвечает за
шифрование данных между
конечным устройством и
сервером приложения
NwkSkey (ключ шифрования сессии)
отвечает за шифрование данных
между конечным устройством и
сетевым сервером
AppKey – ключ приложения AES128 для конечного устройства,
который используется для расчета NwkSKey и AppSKey

23. Активация конечного устройства
 Activation by Personalization (ABP)
Не требует процедуры “join”. Devaddr, NwkSkey and AppSkey записываются
на конечное устройство и на сетевой сервер и сервер приложения
 Over-the-air activation (OTAA)
Выполняется во время процедуры “join”. Конечное устройство проходит
процедуру “join” После данной процедуры устройство получает
идентификаторы DevAddr, NwkSKey and AppSKey. AppKey должен быть
загружен на конечное устройство и на сетевой сервер
На следующем слайде представлена процедура активации OTAA

24. JOIN_REQUEST (DevEUI AppEUI & DevNonce)
(незашифровано)
1
JOIN_ACCEPT (AppNonce, NetID, DevAddr
(зашифровано)
DevEUI – глобальный уникальный идентификатор конечного устройства
AppEUI- глобольный идентификатор приложения
DevNonce – случайное число. Сетевой сервер игнорирует сообщения от конечного устройства, если
конечное устройство использовало данное значение в прошлый раз
IOT устройство
получило
DevAddr
AppEUI
NwkSkey
AppSkey
4
NwkSkey – используется конечным устройствам для шифрования трафика между конечным устройством
и сетевым сервером
AppSkey – Используется конечным устройством для шифрования трафика между конечным устройством
и сервером приложения
AppNonce – используется конечный устройством, чтобы рассчитать ключи шифрования NwkSKey and
NetId- идентификатор сети
DevAddr – идентификатор конечного устройства в сети оператора
СС проверяет
разрешено ли
конечное
устройство на
сети
1
IOT устройство
Сетевой
сервер
2
3
AppKey
AppKey
Поцедура активации OTAA

25. A
B
C
rx1
rx2
Класс А
 Устройство передает сообщение в UL и затем “слушает” DL
два интервала времени
 Наименьшее энергопотребление
 Поддерживается всеми устройствами
Класс Б
 Реализовано аналогично классу A плюс устройство “слушает”
DL в определенные моменты времени.
 Устройство синхронизируется со шлюзом с помощью
“биконов”, передаваемых шлюзом
 Подходит для устройств, запитанных от батарейки
B B B
slot+1
Класс С
 Реализовано аналогично устройствам класса А плюс
устройство постоянно “слушает” DL, прерываясь только для
передачи данных в UL
 Наибольшее энергопотребление. Подходит для конечных
устройств, запитанных от постоянного источника
slot+2
rx1
rx2rx2
Классы устройств LoRaWAN

26. LoRa шлюз 1
LoRa шлюз 2
LoRa шлюз 3
Сервер гео
позиционирования
• Позволяет определить местоположение любого
конечного устройства (не требуется “поддержка”
на конечном устройстве”)
• UL сообщение должно быть принято как минимум
3-мя LoRa шлюзами, затем сервер
позиционирования на основе разницы времени
приема сигнала (TDoA-Time difference of arrival),
рассчитывает местоположение конечного
устройства
Определение местоположения устройства
без использованиея GPS/GLONASS Модуля

27. Решение Cisco LoRaWAN
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
IR829
Сетевой сервер и
системы управления
(network and device
manager, wireless logger)
(Cloud или on-prem)
Конечные
устройства,
соответствующие
LoRaWAN 1.0
Сервер
приложения:
Cisco или другой
поставщик
Cisco IoT Field
network director
(for IR8x9)
IR809
User data records и API в
сторону систем биллинга
REST API
XML over HTTP/POST
Cisco
IXM IXM IXM
IXM
IXMIXM
Standalone
(Май 2017)

28. IXM LoRa
IXM LoRa GPS антенна
Всенаправленные антенны x 2
Радио кабель x 2
Грозовой разрядник
PoE+ инжектор
10кВ устройство защиты от
перенапряжений
Источник
питания
IR809
Кабель Ethernet PoE+
GPS антенна
(опционально)
Антенны 3G/LTE
(в случае если используется
беспроводной транспорт)
Транспортный
канал Ethernet
Пример сайта с БС LoRa

29. Cisco LoRaWAN
Основные характеристики решения
• E2E решение: шлюзы, сетевой сервер, серверы приложений, системы
управления сетью и конечными устройствами, система записи логов,
система управления LoRa шлюзами, системы управления
• Соответствие спецификации LoRaWAN
• Шлюзы поддерживают диапазона 868 МГц, 16 каналов
• Поддержка конечных устройств класса А,В,С
• Сайт с одним сектором со всенаправленной антенной или с несколькими
секторами с направленными антеннами
• Проводной или беспроводной транспорт
• RX diversity
• Определение местоположения конечного устройства без GPS/GLONAS

30. СIoT – обзор технологии и решения Cisco
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.

31. Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. 31
Источник:
http://www.vodafone.com/content
/index/what/technology-
blog/nbiot-commercial-launch-
spain.html
Источник:
https://www.telecompaper.com/news/v
erizon-launches-lte-cat-m1-nationwide-
network-for-iot--1190375

32. App
3GPP R13
• EC-GSM - эволюция сетей GSM
для поддержки LPWA
• eMTC/CAT-M1 и NBIOT/CAT-NB1 -
эволюция сетей LTE для
поддержки LPWA
• Изменения как на
радиоподсистемем так и на
коммутационной подсистеме
GPRS CN
Gb*
S1*
Радио
подсистема
Коммутационая
подсистема
App
App
S1
LTE CN
(inc. CIoT
enhancements)
eMTC
NB-IOT
EC-GSM
EC-GSM - Extended coverage GSM
eMTC - Evolution Enhanced Machine Type Communications
NBIOT – Narrowband IOT

33. Основные технологии и характеристики
CIOT на основе сетей 3GPP
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Эволюция LTE Эволюция GSM
Источник http://www.3gpp.org/images/presentations/3GPP_Standards_for_IoT.pdf

34. EC-GSM
• Использование существующей инфраструктуры GSM для LPWA IoT
• Низкое энергопотребление: ~10 лет работы IOT EC-GSM устройства от
батарейки
• Использование функций энергосбережения - PSM и eDRX
• Использование новых каналов на радиоинтерфейсе - ЕС
• Улучшение покрытия на 20 дБ по сравнению с GPRS в диапазоне 900 МГц за
счет повторной передачи данных
• Coverage class (4 класса: СС1, СС2, СС3, СС4) определяют оптимальное
количество повторений
• В режиме idle IOT устройство определяет CC и передает его в сеть
• В режиме пакетной передачи данных SGSN СС и передает его на устройство
• Передача информации о Coverage class между BSS и SGSN осуществляется с
помощью сообщений UL-UNIDATA/DL-UNIDATA
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Источник http://www.3gpp.org/images/presentations/3GPP_Standards_for_IoT.pdf

35. eMTC/CAT-M1
• Использование существующей инфраструктуры LTE для LPWA IoT
• Используются существующие процедуры LTE (DRB, RRC, NAS и т.д.)
• Низкое энергопотребление: ~10 лет работы eMTC устройств
• Использование функций энергосбережения - PSM и eDRX
• Лучше покрытие по сравнению с LTE (более высокий бюджет линка) за счет
использования TTI bundling и повторной передачи
• Использование полосы 1.4 МГц (6 РБ) – минимальная полоса для LTE.
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Источник http://www.3gpp.org/images/presentations/3GPP_Standards_for_IoT.pdf

36. NBIoT/CAT-NB
• Новый тип радиодоступа
• Полоса 200 кГц (1РБ)
• Низкое энергопотребление: ~10 лет работы NBIoT
устройства
• Использование функций энергосбережения - PSM
и eDRX
• Новые каналы на радиоинтерфейсе - NPSS, NSSS,
NPBCH, NPDCCH, NPDSCH, NPUSCH, NPRACH
• Мобильность только в режиме idle
• Уменьшение широковещательной информации
• Single HARQ процесс
• Только RLC AM mode с упощенным рапортованием
состояния
• Отсутствие отчетов от UE (UE measurement
reports)
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Источник http://www.3gpp.org/images/presentations/3GPP_Standards_for_IoT.pdf

37. Архитектура CIoT
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
CIoT
UE
CIoT RAN C-SGN
HSS
SCEF
CIoT Services
S1CIoT Uu
S6a
T6a
SGi
SMS-GMSC/
IWMSC/
SMS Router
SGd Non-Roaming Architecture
S6t
Control Plane optimizations (R13)
Small data over NAS/S11, Non-IP PDN, ROHC, etc.
Data Plane optimizations (R13)
Suspend/resume
Device triggering
SGd Diameter Interface
• Enhancement for battery savings
• PSM (R12), eDRX (R13)
• Data buffering for delay tolerant connection
• Capability exposure and selection
• SCEF, MONTE, AESE
• DECOR/eDECOR

38. C-SGN
SAE-GW
HSS
ASCIoT
(NB-IoT, eMTC, ..)
UE
T6a
SGi
S1
S6a
SMSCSGd
MME
• T6A –только для non-IP данных
• Интерфейс SGI используется для передачи IP и non-IP данных от PGW в AS
Архитектура CIoT с 3GPP SCEF
SCEF
API

39. C-SGN
SAE-GW
HSS
AS
CIoT
(NB-IoT, eMTC, ..)UE
T6a
S1
S6a
MME
eSCEF
SCEF
API
SGi
UE
Non-3GPP технологии
• eSCEF содержит 3GPP SCEF и NSC (network capability servers)
• NSC терминирует Sgi и опционально non-3GPP технологии (например, WiFi, LoRa и т.д.)
NSC
Архитектура CIoT с Cisco eSCEF
API

40. Поддержка NBIoT на Cisco Jasper
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
https://newsroom.cisco.com/press-release-content?type=webcontent&articleId=1824619

41. Решение Cisco SP IoT
Cisco Connect 2017 © 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
UE
S6a
HSS
SMS-
GMSC
ASPGW
MME
control
data
control and
data
SGW
S1-AP
S1u
S11
S5
SGd
SCEF
SGi
Rest APIs
CSGN
T6a
S6t
EUTRAN
/ NB-IoT
EUTRAN
/ NB-IoT NSC
API
eSCEF
Jasper
Control Center
AS

42. #CiscoConnectRu#CiscoConnectRu
Спасибо за внимание!
Оцените данную сессию в мобильном приложении конференции
© 2017 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved.
Контакты:
Тел.: +7 495 9611410
www.cisco.com
www.facebook.com/CiscoRu
www.vk.com/cisco
www.instagram.com/ciscoru
www.youtube.com/user/CiscoRussiaMedia