Построение беспроводных сетей на основе технологии NB - IoT для оказания услуг Интернета вещей в РК студент

1.

Построение беспроводных
сетей на основе технологии
NB-IoT для оказания услуг
Интернета вещей в РК
студент:

2.

СОДЕРЖАНИЕ

3.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ
ИСТОЧНИКИ
1.
Winning the Industrial Internet of Things. How to accelerate
the journey to productivity and growth [Электронныйресурс] / Accenture,
2015. — Режим доступа:
https://www.accenture.com/t20160909T042713Z__w__/usen/_acnmedia/Accenture/Conversion-Assets/DotCom
/Documents/Global/PDF/Dualpub_11/Accenture-Industrial-Internet-ofThings-Positioning-Paper-Report-2015.pdfla=en
2.
Что такое интернет вещей (IoT)/SAS.[Электронный ресурс].
— Режим доступа: https://www.sas.com/ru_ru/insights/bigdata/internetof-things.html
3.
От 5G до интернета вещей. Главные технологические тренды
2022 года / ilex.Новости [Электронный ресурс]. — Режим доступа :
https://ilex.by/ot-5g-do-interneta-veshhej-glavnye-tehnologicheskie-trendy2022-goda/
4.
Trends Reshaping Retail / Monigroup [Электронный ресурс].
— Режим доступа : https://www.monigroup.com/article/5-trendsreshapingretail
5.
IoT Cyberattacks Escalate in 2021, According to Kaspersky /
IoT World Today [Электронный ресурс]. — Режим доступа :
https://www.iotworldtoday.com/2021/09/17/iot-cyberattacks-escalate-in2021-according-to-kaspersky/

4.

ВВЕДЕНИЕ
Стандарт NB-IoT был разработан консорциумом 3GPP с учетом требований,
предъявляемых операторами: услуги IoT должны передаваться по технологии
передачи, известной как «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия»
(Low-Power
and
Wide-Area,
LPWA)
и
использовать
существующую
инфраструктуру оператора. С точки зрения универсальности, NB-IoT – это
наиболее подходящее решение LPWA для предприятий различных отраслей, c
помощью которого можно подключать к сети оператора счетчики коммунальных
услуг, датчики мониторинга, системы отслеживания объектов и массу других
устройств. Одной из особенностей технологии является возможность подключать
к одной соте базовой станции до 100 тысяч устройств, что в десятки раз
превышает возможности существующих стандартов мобильной связи.
Использование низкочастотного диапазона позволит обеспечить покрытием
такие труднодоступные места, как цокольные помещения, подвалы и т.д. Кроме
того, при работе в новом стандарте устройства экономнее расходуют
аккумулятор, что позволяет им работать без подзарядки гораздо дольше.
Например, счетчик воды с автономным аккумулятором при работе в стандарте
NB-IoT может служить до 10 лет без подзарядки и принимать сигнал, будучи
установленным в подвальном помещении.

5.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В современном мире информационные технологии развиваются с
невероятной скоростью, приводя к появлению новых идей и решений для
повседневных задач. Одним из ключевых направлений развития является
Интернет вещей (IoT), который представляет собой сеть взаимосвязанных
физических объектов, оснащенных сенсорами, контроллерами и средствами
связи для передачи данных и взаимодействия между собой.
Технология Narrowband IoT (NB-IoT) представляет собой современный
стандарт связи, разработанный специально для устройств Интернета вещей.
Она позволяет обеспечить надежное, эффективное и масштабируемое
подключение большого количества устройств с минимальными затратами на
энергопотребление и инфраструктуру.
Актуальность данной темы определяется также потребностью в
оптимизации бизнес-процессов, повышении уровня безопасности и снижении
экологического воздействия на окружающую среду. Внедрение технологии
NB-IoT для оказания услуг Интернета вещей в РК позволит разработать
новые решения в сфере промышленности, сельского хозяйства, медицины,
транспорта и городского управления, обеспечивая эффективность и
устойчивость развития экономики страны.

6.

Цель дипломной работы
Цель дипломной работы – заключается в
исследовании
возможностей
построения
беспроводных сетей на основе технологии
Narrowband IoT (NB-IoT) для оказания услуг
Интернета вещей в Республике Казахстан. Работа
направлена на изучение теоретических аспектов
технологии NB-IoT, анализ текущего состояния
развития беспроводных сетей и применения IoT в
Республике Казахстан, а также разработку
предложений по оптимальному внедрению и
использованию данной технологии в различных
отраслях экономики страны.

7.

Для достижения поставленной
цели в рамках необходимо
решить следующие задачи:
1.Изучить основные понятия и определения, связанные с Интернетом вещей, для
понимания его сущности и возможностей.
2.Рассмотреть технологию NB-IoT, её принципы работы, особенности, преимущества и
недостатки, чтобы определить потенциал и применимость данной технологии для
создания беспроводных сетей в Республике Казахстан.
3.Проанализировать текущее состояние развития беспроводных сетей и применения
Интернета вещей в Республике Казахстан с целью выявления существующих проблем и
перспектив развития.
4.Оценить потребность различных отраслей экономики РК в развитии беспроводных
сетей на основе технологии NB-IoT и оценить их потенциал для внедрения Интернета
вещей.
5.Разработать предложения по оптимальному внедрению и использованию технологии
NB-IoT для оказания услуг Интернета вещей в различных сферах деятельности в
Республике Казахстан, учитывая специфику страны, её климатические и
географические особенности, а также существующую инфраструктуру связи.
6.Сформировать выводы по результатам исследования и определить перспективы
развития беспроводных сетей на основе технологии NB-IoT в Республике Казахстан.

8.

Объект исследования
в работе является инфраструктура беспроводных сетей и применение Интернета вещей в Республике Казахстан. Он
включает в себя существующие сети связи, устройства, протоколы, стандарты и сервисы, которые обеспечивают
взаимодействие объектов Интернета вещей между собой и с окружающей средой.
Предмет исследования составляют методы, принципы и технологии построения беспроводных сетей на основе
Narrowband IoT (NB-IoT) для оказания услуг Интернета вещей в Республике Казахстан. В рамках данного
исследования рассматриваются аспекты, связанные с разработкой, внедрением и использованием технологии NB -IoT, ее
преимуществами и недостатками, а также возможными сценариями применения в различных отраслях экономики
страны.
Методы исследования. В данной работе используются следующие методы исследования для достижения поставленных
задач и целей:
1.
Аналитический метод – применяется для изучения научно-технической литературы, анализа статистических
данных и отчетов, а также для сравнительного анализа различных технологий связи, их преимуществ и недостатков.
2.
Системный подход – используется для изучения взаимосвязи между различными компонентами Интернета вещей
и беспроводных сетей, включая устройства, протоколы, стандарты и сервисы.
3.
Метод моделирования – применяется для разработки предложений по оптимальному внедрению и использованию
технологии NB-IoT в различных отраслях экономики Республике Казахстан. Моделирование позволяет оценить
потенциал данной технологии в контексте конкретных условий и сценариев применения.
4.
Экспертный метод – используется для оценки мнений специалистов в области беспроводных сетей и Интернета
вещей, что позволяет получить дополнительную информацию о перспективах развития данной сферы в Республике
Казахстан.
5.
Компаративный анализ – применяется для сравнения опыта развития и использования технологии NB-IoT в
других странах, что позволяет выявить успешные практики и определить возможные адаптации под специфику
Республики Казахстан.

9.

1
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ
БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА НА
ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ NB-IOT
Особенности развития технологий беспроводного доступа
Технологии беспроводного доступа развиваются с каждым годом, предлагая все
более совершенные решения для передачи данных на различных расстояниях и в
разнообразных условиях. Среди основных технологий беспроводного доступа можно
выделить следующие:
1.Wi-Fi – широко используемая технология для передачи данных в локальных
сетях. Wi-Fi обеспечивает высокую скорость передачи данных, но имеет ограниченный
радиус действия и требует значительного энергопотребления.
2.Bluetooth – технология для беспроводного соединения устройств на коротких
расстояниях. Bluetooth характеризуется низким энергопотреблением и простотой
использования, однако имеет ограничения по скорости передачи данных и радиусу
действия.
3.Zigbee и Z-Wave – технологии, разработанные для обеспечения беспроводного
взаимодействия устройств Интернета вещей внутри помещений. Обе технологии обладают
низким энергопотреблением и малым радиусом действия, их главное преимущество –
простота внедрения и совместимость с большим количеством устройств.
4.LoRaWAN – технология, предназначенная для передачи данных на большие
расстояния с минимальным энергопотреблением. LoRaWAN идеально подходит для
развертывания сетей Интернета вещей в городских условиях и на территориях с
разбросанными объектами.
5.NB-IoT – технология, разработанная специально для устройств Интернета вещей,
предлагающая надежное, энергоэффективное и масштабируемое подключение большого
количества устройств.

10.

. Основные характеристики
технологии NB-IoT
Характеристика
Надёжность
NB-IoT
Высокая (использует сотовую инфраструктуру и
лицензированные частоты)
Энергоэффективность
Высокая (низкое энергопотребление устройств)
Масштабируемость
Высокая (подключение большого количества
устройств)
Скорость передачи
Низкая (идеально для небольших объёмов, данных)
данных
Дальность
Долгая (до нескольких километров в городских
условиях)
Покрытие
Хорошее (в том числе внутри зданий и под землёй)
Стоимость
Относительно низкая (экономичная стоимость
подключения и эксплуатации)

11.

РЕАЛИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА НА
ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ NB-IOT
Архитектура IoT-систем

12.

Описание и характеристика
выбранного оборудования
Physical Layer — физический уровень
Этот уровень представляет два типа операций — сбор информации
(Датчики) и осуществление механической работы (Исполнительные
механизмы).
Датчики можно разделить на следующие категории:
Сенсоры:
Световые: Фото диоды/транзисторы/резисторы, PIR детекторы
Звуковые: Микрофоны, ультразвуковые сенсоры
Выключатели, в частности концевые выключатели, регистрирующие
крайние точки механического движения. Измерители угла поворота или
скорости вращения.
Электромагнитные сенсоры измеряющие изменение физических
характеристик, таких как электрическая емкость, индуктивность, сопротивление.
Сложные
или
составные
сенсоры.
К
ним
относятся
специализированные датчики, например газа, спектра и пр., а также отдельный
вид устройств сбора информации получающий все большее применение —
Видео камеры.
В решениях IoT физические элементы имеют определенные общие
требования:
Как можно более низкую цену из-за большого количества в решении
IoT.
Питание от батарейки, что в свою очередь требует низкого
энергопотребления. Сегодняшний запрос рынка — работа периферийных
устройств без обслуживания от 1 до 10 лет.
Часто расположение в труднодоступных и удаленных местах с
минимальными затратами на установку и обслуживание.
В случае использования видеокамер, первичная обработка
изображения с принятием решения на основе искусственного интеллекта

13.

физического уровня в различных
классах IoT решений:
Мы можем суммировать две проблемы для требований физического уровня:
Низкое энергопотребление. Требуется высокий уровень интеграции с верхними слоями.
Применение видеокамер. Это также требует высокой степени интеграции с верхними
уровнями и встроенными функциями AI / ML, реализованными в периферийном
устройстве.
Edge Layer — уровень периферийного вычисления
Этот уровень обычно подключается к одному датчику или исполнительному механизму.
Он обеспечивает минимальную функциональность для преобразования аналоговой
информации в цифровую и/или наоборот. Для подключения датчиков существуют те же
требования по цене и потребляемой мощности. Многие производители, выпускающие эти
типы устройств, не имеют единого стандарта для модели данных, конфигурации и
эксплуатации, что создает отдельные проблемы интеграции.
Для снижения энергопотребления периферийные устройства обычно имеют четыре
режима работы:
Режим сна
Режим измерения и сбора информации с датчиков
Режим связи, передачи и получения информаци
Режим установки и подключения.

14.

Уведомление других
сервисов о поступлении
новых данных

15.

РАЗРАБОТКА БЕСПРОВОДНЫХ
СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ
ТЕХНОЛОГИИ NB-IOT
На основе разработанной ранее таксономии (классификационной структуры) ПрО 5G,
далее разрабатывается база знаний в инструментарии
Protégé 4.3. Онтологические модели могут специфицировать ПрО, информационные
ресурсы и модели пользователей, они представляют исследователю ьследующие
возможности:
– декларированного описания знаний;
– структуризации и категоризации области знаний;
– описания системы понятий ПрО на логическом, концептуальном и графическом
уровнях;
– управления информационными потоками;
– реализация SPARQL-запросов;
– выявления закономерностей и анализа ПрО экспертами;
– отражения смысла в метаданных, формирования пространств имен, словарей,
квалификаторов на языках RDF, OWL [44].
Во вкладке Active Ontology в строке Ontology IRI вводится название разрабатываемой
онтологии. Далее в окне Annotation можно добавить краткое описание основной
концепции, разрабатываемой онтологии, имена авторов, версию и т.д. (рис. 3.1).

16.

Во вкладке Active Ontology в строке Ontology IRI
вводится название разрабатываемой онтологии.
Далее в окне Annotation можно добавить краткое
описание основной концепции, разрабатываемой
онтологии, имена авторов, версию и т.д. (рис. 3.1).

17.

Заключение
В работе были реализованы все поставленные задачи и цели, об этом свидетельствует
полученный результат, имеющий важную теоретическую и практическую значимость в
области сетей связи поколения, а именно:
1) Обозначена актуальность изучения данной предметной области. Проведена работа по
изучению основных технологических решений, описаны их основные векторы развития,
и преимущества внедрения. Рассмотрена архитектура сети 5G, определены основные
факторы ее формирования.
2) Выполнен анализ телекоммуникационного рынка, определены основные концепции
и спецификации, на основании которых в дальнейшем будет разработана модель схемы
сети 5G. Определены возможные варианты обобщенной схемы организации сети 5G,
рассмотрены основные частотные диапазоны и технологии, использующие различные
участки спектра РЧС.
3) Выполнено исследование схемы построения сети 5G, при котором были рассмотрены
состав и назначение ее компонентов.
4) Проведено моделирование каналов сети 5G с помощью программы NYUSIM, которое
позволяет оценить производительность системы.
5) Определены основные цели и задачи онтологического подхода, описаны
преимущества выбранного программного продукта Protégé 4.3, который позволяет
обмениваться онтологической информацией по сети, и поддерживает разработку OWL
онтологий.

18.

6) Приведена многоуровневая база 5G сети, на основе
которой строиться разработанная онтологическая модель,
описаны и структурированы концепты онтологии.
7) Проанализирована концепция «сетевых слоев (network
slicing)», которая представляет собой основу разработанной
онтологии и позволяет операторам выполнять конкретные
требования по обслуживанию сети.
8) Разработана онтологическая модель в программе Protégé
4.3 на основе описанной таксономии. Приведен порядок
работы в данном программном продукте, этапы описания
модели в нем. В качестве результата приведена
семантическая сеть 5G.
9) Проверена работоспособность созданной онтологии с
использованием языка SPARQL, произведено исследование
функционирования машины логического вывода (Reasoner).