ПНСТ 354-2019 Информационные технологии (ИТ). Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала (NB-Fi)

Введение

Настоящий стандарт предназначен для построения беспроводных сетей обмена данными между множеством конечных устройств (модемов) с одной стороны и множеством базовых станций с другой стороны. Настоящий стандарт предусматривает возможность дальнейшей интеграции данных в единое серверное пространство. Объединение всех конечных устройств (модемов) в единый сервер позволяет эффективно организовать обмен данными с различными "облачными" сервисами.

Беспроводные сети, построенные с применением стандарта NB-Fi, являются сетями класса LPWAN (Low-power Wide-area Network - энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия), которые характеризуются высокой энергоэффективностью передачи данных и высокой емкостью сети, что позволяет использовать стандарт NB-Fi для построения телеметрических систем с большим количеством абонентов. Высокая энергоэффективность дает возможность применять в работе нелицензируемые диапазоны частот, в которых установлены ограничения на излучаемую передатчиками мощность. В основе стандарта лежит использование сверхузкополосных (Ultra Narrow Band, UNB) фазоманипулированных сигналов, которые в сочетании с помехоустойчивым кодированием позволяют достигать очень высоких значений чувствительности приема (не менее минус 150 дБм), при этом суммарная полоса частот для одновременной передачи большого количества каналов является достаточно узкой.

Сеть NB-Fi, по аналогии с мобильными сетями, использует топологию "звезда". В подобной архитектуре узловые элементы - базовые станции - должны осуществлять прием и передачу многих каналов одновременно. Для передачи множества каналов необходимо увеличение выходной мощности передатчика базовой станции. Работа в нелицензируемых диапазонах частот накладывает ограничение на выходную мощность передатчика, в том числе и для базовой станции. Поэтому для всех LPWAN-сетей концептуальной является проблема ограничения пропускной способности нисходящего канала связи.

Для приема восходящих пакетов (UPLINK-пакетов) данных со стороны базовой станции применяется принцип SDR-систем (Software-Defined Radio - программно-определяемая радиосистема), где входной радиосигнал оцифровывается во всей полосе приема и в дальнейшем подвергается программной обработке. Это позволяет выполнять демодуляцию и декодирование входных пакетов данных одновременно по всем каналам во всей полосе частот. По сути, в данной системе не существует сетки каналов, пакет данных принимается базовой станцией вне зависимости от частоты, на которой выполнена отправка. Это является ключевым свойством стандарта, позволяющим использовать недорогие генераторы частоты для формирования радиосигнала, что ранее было ограничивающим фактором при использовании UNB-сигналов. Ввиду применения простых видов модуляции UPLINK-пакеты могут быть сформированы при помощи практически любого серийного интегрального радиотрансивера. Прием UPLINK-пакетов возможен только базовой станцией. В связи с этим для реализации передачи пакетов данных в обратном, нисходящем (DOWNLINK) направлении применяются виды модуляции и скорости передачи, поддерживаемые конкретным радиотрансивером, который используется в конечных устройствах.

Настоящий стандарт подходит для телеметрических систем, в которых преобладает передача данных в восходящем направлении (от устройств к серверу). Обратный канал предназначен для передачи служебной информации сети (подтверждение доставки пакетов, регулирование скорости связи) и для отправки данных для конфигурирования и смены режимов работы устройств.

Для производства конечных устройств и базовых станций могут быть также использованы специализированные радиотрансиверы, которые позволяют использовать UPLINK-пакеты для передачи данных в обоих направлениях. При этом решается проблема ограничения пропускной способности нисходящего канала связи в LPWAN-сети - объемы данных, передаваемых в восходящем и нисходящем направлении, совпадают. Физический уровень протокола NB-Fi в этом случае реализован в самом радиотрансивере.