Интеграция с инфраструктурой NB-IoT МТС. Теория и практика. Часть 1
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 @.
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.
Категория абонентского оборудования сети стандарта NB-IoT
Максимальная скорость передачи данных, Кбит/с
В направлении к Абоненту
Интеграция с инфраструктурой NB-IoT МТС. Теория и практика. Часть 2
И снова привет, Хабр! Эта статья — продолжение цикла материалов, в которых обсуждаем состав и основные принципы работы инфраструктуры NB-IoT. Напомним, что цикл подготовлен 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.
Первая статья цикла доступна вот по этой ссылке. Сегодня поговорим об основных методах интеграции с сетью NB-IoT. В частности, обсудим общую часть схемы — это сеть радиодоступа с абонентскими устройствами. Всё самое интересное, как всегда, — под катом.
TCP/IP и UDP/IP поверх NB-IoT
Сервер приложений может быть подключён непосредственно к PGW. Данные передаются через интерфейс PGW SGi. Адрес сервера приложений определяется при установлении устройством IP-соединения. В случае, если нужна конверсия протоколов, интеграция может осуществляться через IoT HUB.
Интеграция применима ко всем протоколам, базирующимся на IP: TCP, UDP, CoAP, lwM2M, HTTP, MQTT и т. д. Она может быть проведена как для внешних серверов приложений, так и для доверенных серверов приложений, расположенных внутри контура МТС. M2M-менеджер используется для управления услугами и SIM-картами.
Какое преимущество у этого метода интеграции? Он ближе всего к «классическим методам», используемым в сетях 2G/3G/LTE. Для передачи данных устройство также должно установить IP-сессию, после чего данные передаются непосредственно на IP-адрес сервера приложений.
Важный момент: этот метод интеграции не является целевым. Мы не рекомендуем его применять массово, так как в этом случае неэффективно используются ресурсы сети и не удаётся использовать все преимущества технологии NB-IoT. В качестве исключения можно применять интеграцию при использовании протокола UDP, так как он имеет меньшую избыточность по сравнению с TCP/IP.
NIDD без SCEF через интерфейс SGi
В случае отсутствия SCEF non-IP данные к AS могут передаваться через Point-to-Point (PtP) тоннель от PGW. В этом случае инкапсуляция в IP будет производиться уже на нём. Сервер приложений может быть подключён непосредственно к PGW. Адрес сервера приложений определяется на этапе создания APN. Если же нужна конверсия протоколов, интеграцию можно реализовать через IoT HUB.
Интеграция применима ко всем протоколам, базирующимся на UDP: CoAP, lwM2M, проприетарные протоколы. Она может быть проведена как для внешних серверов приложений, так и для доверенных серверов приложений, расположенных внутри контура МТС.
M2M-менеджер используется для управления услугами и SIM-картами, кроме услуг NIDD.
Для этого вида интеграции есть некоторые ограничения:
- Требуется поддержка UDP API со стороны AS. Это актуально для систем, которые работают с устройствами по протоколу TCP/IP.
- Требуется реализация идентификации и аутентификации устройств на уровне приложения как со стороны AS, так и со стороны устройства. Это приводит к увеличению передаваемого объёма служебной информации и увеличивает нагрузку на сеть NB-IoT. При работе с SCEF это не требуется, т. к. идентификация и аутентификация обеспечиваются API SCEF.
- Обратный канал (управления устройством) недоступен в произвольные моменты времени. Он используется лишь в короткие промежутки времени после передачи данных от устройства, что обусловлено наличием узла NAT в схеме. Снятие этого ограничения возможно с применением статических IP-адресов и выделенного корпоративного APN.
- Доставка данных не гарантируется на уровне транспортного протокола UDP при передаче между CSGN/PGW и AS, необходима реализация гарантированной доставки на уровне приложения (протоколы CoAP, lwM2M и др.).
- Взаимодействие возможно только с 1 AS PtP.
- Возможность работы устройства с передачей данных Non-IP в роуминге в случае, если у роумингового партнёра нет SCEF.
Прямая интеграция с SCEF для передачи данных NIDD
Для интеграции с доверенными серверами приложений, расположенными в контуре МТС, стоит использовать прямую интеграцию с SCEF. Это же относится и к приложениям, подключённым через частные VPN. Все внешние серверы приложений интегрируются через M2M-менеджер.
Взаимодействие сервера приложений с SCEF реализуется при помощи NIDD REST API. Информация о доступности устройств передаётся по MONTE REST API. M2M-менеджер в этом способе интеграции не используется. И есть ещё важный момент: требуется предварительное согласование с клиентом данных по NIDD APN и eхеernalID его устройств.
Интеграция с SCEF через M2M-менеджер
У этого способа интеграции есть несколько отличий по сравнению с предыдущим вариантом:
- Предварительные настройки NIDD APN, ExternalID и т. д. осуществляются администратором клиента непосредственно в личном кабинете M2M-менеджера.
- Эндпоинт API NIDD SCEF — M2M-менеджер.
- Информация о доступности устройств передаётся посредством MONTE WebHook.
Интеграция с SCEF через IoT HUB
Это расширенный вариант интеграции, описанной в пункте «Прямая интеграция с SCEF для передачи данных NIDD». Он используется в том случае, когда требуется поддержка взаимодействия сервера приложений по одному из стандартных протоколов, таких как CoAP, MQTT, lwM2M и т. д., либо по проприетарным протоколам.
Альтернативный метод доставки данных через SMS
Помимо NIDD доступен альтернативный механизм доставки данных по SMS — Device Triggering. Его появление обусловлено наличием разных способов подключения устройств к сети NB-IoT, т. н. Attach without PDN. В этом случае устройство регистрируется, но не запрашивает PDN-соединение для передачи данных. Устройство недоступно для передачи трафика и может только принимать или отправлять SMS.
В случае использования устройством «серого» IP-адреса, когда сервер приложений расположен в интернете, общение проходит через узел NAT. Узел NAT обеспечивает трансляцию «серого» адреса в «белый». Связка «серого» и «белого» IP-адресов держится ограниченное время. В среднем для TCP или UDP — не более пяти минут. То есть если в течение 5 минут не было обмена данными с этим устройством, связка распадётся, и устройство перестанет быть доступным по «белому» адресу. На помощь может прийти Device Triggering. AS может отправить сообщение по SMS на устройство с командой установить сессию с AS для передачи информации.
Существует 2 интерфейса доставки данных по SMS: SMPP (базовый) либо DT REST API через SCEF.
Если у вас есть вопросы или дополнения к статье, поделитесь в комментариях — обсудим. В ближайшее время опубликуем третью статью из нашего цикла, так что не переключайтесь.
- it-инфраструктура
- стандарты связи
- интернет вещей
- интернет вещей iot
- сотовая связь
IoT (Интернет вещей)
МТС предлагает целый комплекс услуг, связанных с технологиями IoT. Вы можете заполнить заявку по кнопке ниже и получить развернутую консультацию специалиста.
Что такое интернет вещей
«Интернет вещей» (на английском — the Internet of Things, или сокращенно IoT) — это концепция объединения различных объектов в сеть. Для нас давно привычна сеть из компьютеров, смартфонов, телевизоров. Но, фактически, к сети можно подключить и множество других устройств — от чайника до кондиционера, чтобы управлять ими удаленно. Это позволит сделать жизнь намного комфортнее. Просто представьте: пока вы едете домой с работы, со своего смартфона можете отправить команду набрать себе ванну, поднять температуру в доме, кофе-машине — приготовить чашку кофе. К вашему приезду ванна наполнится водой, в квартире будет тепло, а на кухне вас будет ждать горячий капучино. Это и есть интернет вещей.
Первым устройством, подключенным к интернету, стал… тостер! Знаковое для развития технологии событие произошло в 1990 году благодаря выпускнику MIT Джону Ромки. Он «научил» свой кухонный прибор удаленно запускаться и отключаться с помощью простых компьютерных команд Get и Set.
Однако сам термин «интернет вещей» появился намного позже — только через 9 лет. Автором термина стал другой выпускник MIT, Кевин Эштон.
А уже в 2008–2009 годах было официально подтверждено, что в интернете стало больше предметов, чем людей. С тех пор количество вещей, подключенных к интернету, растет огромными темпами. Подключенные к сети устройства можно встретить везде: от медицинских технологий до «умного дома», от сложных станков до интеллектуальных мусорных баков.
Как это работает
Для подключения устройства к сети необходимо оснастить это устройство процессором, а также обеспечить ему источник питания. И, конечно, требуется реализовать само подключение устройства к сети.
Для этого используется одна из следующих технологий.
— Сетевое подключение к интернету по кабелю. Создает надежное соединение с сетью, но не позволяет перемещать технику. Как правило, используется для стационарных компьютеров и оргтехники.
— Wi-Fi или Bluetooth. Для передачи данных внутри небольшого подключения, например, в квартире.
— NFC, RFID и т. п. Автоматическая идентификация объектов посредством радиосигналов.
— Спутниковый интернет. Для регионов, где нет покрытия мобильной сети.
— Наземный мобильный интернет 3G/4G/5G, а также NB-IoT — технология передачи данных для интернета вещей. Именно её развивает МТС. И сейчас мы рассмотрим это подробнее.
NB-IoT МТС
NB-IoT (NarrowBand Internet of Things) — это стандарт связи, созданный консорциумом 3GPP и использующийся для интернета вещей. Передача данных происходит особым способом — небольшими пакетами с определенным интервалом. Стандарт основан на технологии малой мощности (LPWAN), это уменьшает энергопотребление устройств и продлевает их эксплуатационный период.
Возможности:
— сбор данных с разного оборудования, измерительных приборов;
— контроль необходимых параметров;
— получение информации о различных событиях в режиме реального времени.
Преимущества:
— надежность и безопасность высокой степени защиты и надежной работой на ресурсах сети оператора;
— приемлемая стоимость оборудования;
— низкое энергопотребление и долговечность — до 10 лет работы без замены батареи;
— высокое проникновение сети — возможность установки в местах затрудненного проникновения радиосигнала;
— получение данных о разных событиях в реальном времени;
— быстрый старт — вставьте в устройство SIM-карту МТС, чтобы начать работу.
Для подключения устройств по этой технологии можно использовать тариф МТС «IoT-сеть». В рамках тарифа предоставляется доступ к удобной платформе управления М2М-менеджер. Годовая абонентская плата — от 150 руб/мес.
Сеть NB-IoT
(Narrow Band IoT) — стандарт связи, который используют умные устройства. С помощью этого стандарта осуществляется управление и соединение устройств, а также получение данных — остаётся только найти применение в своей области.
Зачем нужен NB-IoT?
Умные устройства повысят качество жизни. Представьте, что вам не нужно следить за расходом воды и электричества, потому что данные со счётчиков автоматически отправляются в ЖКХ. А различные сенсоры и детекторы анализируют качество и загрязнение воздуха — показывают состав, температуру и влажность почвы вашего растения, меняют освещение в доме по заданному сценарию для создания особой атмосферы.
Все эти устройства могут быть объединены в систему умного дома, некоторые из них вы можете купить в интернет-магазине МТС. Они облегчат вашу жизнь и освободят от рутины — вы сможете больше времени и внимания уделять важному.
Как МТС развивает это направление?
Сеть запущена в коммерческое использование в 2019 году. Совместно с Huawei планируется внедрять IoT решения для промышленности, систем умного города, ЖКХ, сельского хозяйства и других областей.
В Москве планируется реализовать решения в сфере умного города и транспорта — как на основе так и на основе 5G.
В марте 2019 года проведено тестирование международного роуминга в сети в котором проверялась возможность непрерывного обслуживания устройств в гостевой сети. Такая возможность в первую очередь востребована у компаний логистической отрасли, которые используют датчики для отслеживания грузов — технология делает такие датчики автономными, а это позволяет существенно сократить расходы на их обслуживание.
В декабре 2018 года компании МТС и Ericsson представили первое в России комплексное пилотное решение умного города в сфере ЖКХ на сети Разработанные системы видеонаблюдения, дистанционного сбора показаний счётчиков, мониторинга парковок, экологической обстановки и вывоза бытовых отходов позволяют повысить качество жилой среды и снизить затраты.