Запись вебинара: http://ciscoclub.ru/operatorskiy-internet-veshchey-massirovannyy-internet-veshchey-na-osnove-tehnologiy-lorawan-i-nbiot Массированный Интернет Вещей - это одно из наиболее важных направлений "интернета вещей", которое занимается подключением по радио интерфейсу на больших расстояниях различных датчиков, измерительных устройств и других "вещей" с низким электропотреблением. Данный доклад будет включать обзор направления массированного Интернета Вещей и детали его реализации на двух наиболее перспективных технологиях: LoRaWAN и NBIoT.

1. Михаил Бухтеев
Старший системный инженер
mIoT/LPWA на основе технологий
LoRaWAN и 3GPP

2. 12 миллиардов устройств
(Cisco VNI)
Прогноз по количеству подключенных устройств к 2020 году
20% CAGR
2015–2020

3. Массированный IoT и IoT для критичных приложений
Mission Critical IoT (mcIoT)
Низкие задержки
Высокая доступность
Средние и большие объемы
данных
Massive IoT (mIoT) aka LPWA
Высокая плотность утройств,
небольшие объемы дынных,
низкое энергопотребление,
низкая стоимость датчиков

4.  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
Мотивация для mIoT/LPWA

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

6. Области применения LPWA

7. Характеристики LPWA
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
LPWA НЕ для приложений, где требуется высокие скорости передачи данных

8. Прогноз по использованию M2M/IOT устройств в
зависимости от технологии
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
LTE и LPWA будут наиболее востребованными технологиями

9. LPWA- какие технологии существуют
Энергоэффективные сети большого
радиуса действия - LPWA
Нелицензионный диапазон
Лицензионный диапазон
CIoT
NBIOT
eMTC
CAT-M1
EC-GSM
• Работа в лицензионых диапазонах – решение для
мобильных операторов. R13 3GPP
• Эволюция мобильных сетей LTE и GSM, направленная
на уменьшение энергопотребления конечными
устройствами и увеличение зоны покрытия
• Небольшие скорости передачи данных
LoRaWAN SIGFOX
Weightles
s
• 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
Cisco

10. Сравнение технологий
Скорости , покрытие, потребление электроэнергии
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

11. LoRaWAN – обзор
технологии и архитектуры

12. 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)
• Поставщики LoRa чипов – Semtech, ST Micro, Microchip
• Использует нелицензируемый диапазон ISM (433 или 868 МГц для Европы, России, СНГ,
Ближнего Востока, Африки)
• Коммерческие сети запущены в Европе, Северной Америке и Азии

13. LoRa Alliance, более 460 участников в апреле 2017
Sponsor Contributors Adopters

14. Сети LoRaWAN
Источник https://www.lora-alliance.org/

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

17. Протоколы LoRa
Applications or IOT Broker (eg. MQTT,…)
CoAP
(IETF 6LPWA WG)
IPv6/6LoWPAN Raw others
LoRaWAN
™
MAC
LoRa Modulation
EU868 US915 AS923 India 865 AU915 Others

18. • Основные элементы – конечные устройства, LoRa шлюз/БС, сетевой сервер, сервер приложений. Топология “звезда”
• Шифрование на сетевом уровне и на уровне приложений
• Поддержка роуминга начиная со спефицикации 1.1 – варианты passive и handover
• Три класса конечных устройств
• 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
Ключевые характеристики LoRaWAN

19. • 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
Duty cycle/рабочий цикл

20. Региональный профайл EU863-870 ISM

21. • 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 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
Частоты для технологии LoRa в России

22. Для работы с сетью конечное утройство должно быть активировано, т.е. должны быть получены
следующие параметры и идентификаторы:
• Device Address (DevAddr) – 32 битный идентификатор утройства, уникален внутри сети,
присутсвует в каждом фрейме с данными, известен конечному устройству, сетевому серверу
и серверу приложений
• Network Session Key (NwkSKey) – ключ шифрования трафика (128-bit AES) между
конечным устройством и сетевым серверов, уникален для каждого устройства, известен
конечному устрйству и сетевому серверу, обеспечивает защищенность соединения между
конечным устройством и сетевым сервером и целостность сообщений
• Application Session Key (AppSKey) - ключ шифрования трафика (128-bit AES) между
конечным устройством и сервером приложения, уникален для каждого устройства, известен
конечному устрйству и серверу приложения, обеспечивает шифрование собщений на уровне
приложений
Акивация конечного устройства

23. Over-the-air activation (OTAA)
• На основе глобального уникального
идентификатора
• Использование процедуры обмена
сообщений (join request/accept)
между устройством и сетью
Activation by personalization (ABP)
• Ключи (shared keys) загружаются на
конечное устройство при производстве
• Привязка конечного устройства к
определенной сети
Процедуры активации

24. Процедура OTAA
JOIN_REQUEST
(DevEUI AppEUI & DevNonce)
(незашифровано)
1
JOIN_ACCEPT
(AppNonce, NetID, DevAddr (зашифровано)
1
IOT устройство Сеть
DevEUI - Globally unique end-device identifier
AppEUI – application ID
AppKey – auth with application key
2
3 Расчет NwkSKey и AppSKey

25. Классы устройств LoRaWAN
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

26. Определение местоположения устройства без
использования GSG/GLONASS подуля
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

27. Решение Cisco LoRaWAN
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

28. Пример сайта Standalone
Всеноправленная антенна x 2
“Main” и “Diversity”
Радио кабель x 2
Молниеотвод x 2
GPS антена и кабель
Ethernet PoE+ кабель
Ethernet 10kV защита при
необходимости
LoRaWAN шлюз
3,6 кг
28,1 х 20,6 х 10 см
IP backhaul

29. • 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
Cisco LoRaWAn решение
Основные характеристики

30. NBIoT/Cat-M1 – обзор
технологии и архитектуры

31. Коммерческие сети и устройства CIOT
 Стандартизация завершена в июн 2016 года
3GPP R13
 8 операторов запустили сеть NB-IoT
 3 оператора запустили сеть LTE Cat-M1
 Планируется запуск 14 сетей Cat-M1 или NB-IoT
 14 модулей с поддержкой NB-IoT
 20 моделей с поддержкой Cat-M1
 16 модулей с поддержкой Cat-M1 и NB-IoT
Источник https://gsacom.com/paper/evolution-nb-iot-lte-m/ (отчет за август 2017)

32. Коммерческие сети 3GPP IOT
Детальная информация
Коммерческие сети 3GPP IoT
Запланирован запуск сетей 3GPP IoT
Источник https://gsacom.com/paper/evolution-nb-iot-lte-m/ (отчет за август 2017)

33. NB-IOT: Новый тип RAT, оптимизации CP/UP для поддержки CIoT
Cat-M1: LTE RAT, оптимизации CP/UP для поддержки CIoT
EC-GSM: улучшения по покрытию и энергоэффективности на 2G сети
Варианты Cellular-IoT (CIoT)
Gb
S1
eNB с поддержкой NBIOT/CatM1
2G BTS/BSC с поддержкой NBIOT EC-GSM
Cat-M1
NB-IoT
EC-GSM
NB-IoT Пакетное ядро с
оптимизациями
CIoT R13
Платформа
IOT Сервер
приложения “N”
Сервер
приложения “1”

34. Сравнение 3GPP технологий
Источник http://www.3gpp.org/images/presentations/3GPP_Standards_for_IoT.pdf

35. Частоты 3GPP IOT
Cat M1
Standalone
EC-GSM
In-band
Guard-band
NB-IoT
200 KHz
1.08
Mhz
180 KHz
20 MHz
GSM
LTE

36. • NB-IoT RAT может
использовать частоты
LTE и также
дополнительные частоты
для IOT
Диапазоны частот для NBIOT(3GPP TS 36.101)

37. Rel-13 CIoT Оптимизации
UE
SCEF
HSS
S6a
SRB
DRB
T6a
GTP-U
GTP-U
SMSC
SGd
IP, Non-IP, SMS
IP, Non-IP
CP CIoT Оптим.
UP CIoT оптим.
Data in NAS o/ S1
Non-IP, Events
Data in GTP-U o/ S11-U
IoT
App
IP, Non-IP
Cat- M1
NB-IoT
MME
PGWSGW
Decision point on
whether Data o/ SRB
or DRB is used

38. • Новый тип PDN “Non-IP” для устройств, не поддерживающих IP
• Non-IP Data может передаваться по T6a/SCEF или по Sgi
Non-IP data delivery (NIDD)
MME
PGWSGW
SCEF
IoT
AppUE
T6a
Data over
NAS
Data o/
Diameter
Data via API
(not specified by 3GPP!)
Data over
GTP
PtP tunnel to App server (IP-
in-IP, GRE, L2TP, ..)PGW allocates one IP
per PDN session but
doesn’t send it to the UE

39. Рекомендация 3GPP по внедрению CIOT – выделенный
узел CSGN
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
• CSGN – это совмещенный узел MME/SGW/PGW с оптимизациями R13 CIOT
• Выделенный slice для CIOT в сети оператора

40. Направление IOT данных в выделенный узел CSGN
• NBIOT – новый тип RAT. Настройка на соте отдельного TAC для NBIOT. Таким
образом eNB будет перенаправлять запросы от NBIOT устройств на MME , который
поддерживает CIOT (т.е. На MME внутри узла CSGN)
• Но это не работает для CAT-M1, так как это “обычный” RAT. Необходимы новые
механизмы – DÉCOR/eDECOR
IoT Core
(C-SGN)
Consumer
EPC
CAT-M1
NB-IoT
LTE
eNB

41. MBB EPC
DeCN 1
IoT CN
DeCN 2
• MME (или SGSN) проверяют UE-Usage-Type в профайле абонента. Если UE-
Usage-Type не сходится с тем, который поддерживается на DeCN, происходит
attach reject с индикацией для eNB о перенаправлении на правильный DeCN
• Требуется поддержка на RAN, MME(SGSN) и HSS
Rel-13 Dedicated Core Network (DeCOR)
IMSI XXX
HSS
IMSI UE-Usage-Type
XXX 1
YYY 2
MME
MME
SPGW
SPGW
SPGW
MME
MME
SPGW
SPGW
SPGW
Attach Req (IMSI)
IMSI YYY

42. • MME предоставляет eNB информацию о поддерживаемом DCN-ID(s) во время
процедуры S1 Setup и eNB перенаправляет IMSI Attach в соответствии с DCN-ID,
который запрашивает UE (DCN Selection Assistance parameter)
• Требуется поддержка на UE, RAN и MME
3GPP Rel-14 Enhanced DeCOR (eDeCOR)
MBB EPC
DCN-ID = 1
IoT CN
DCN-ID = 2
DCN 1
HSS
MME
MME
SPGW
SPGW
SPGW
MME
MME
SPGW
SPGW
SPGW
Attach Req (DCN2)
S1 Setup Req
S1 Setup Res (DCN1)
DCN 2
S1 Setup Req
S1 Setup Res (DCN2)

43. • Передача данных NON-IP по API в сторону сервера прилоджений
• Event exposure (Monitoring Events – MONTE)
• Контролируемое и безопасное подключение серверов
приложений
Узел SCEF
C-SGN
SAE-GW
HSS
ASCIoT
(NB-IoT, eMTC, ..)
UE
T6a
SGi
S1
S6a
SMSCSGd
MME SCEF
API

44. Events HSS MME/ SGSN PCRF
Loss of connectivity X
UE reachability X (for SMS) X X (IP)
Location Reporting X X (IP)
Change of IMSI-IMEI(SV) Association X
Roaming Status X
Communication failure X X (IP)
Availability after DDN Failure (HLCom) X
Number of UEs present in a geographic area X (MME)
Monitoring Events

45. Архитектура Cisco eSCEF
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
API

46. Решение Cisco CIOT
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
Cisco

47. Спасибо!