ПНСТ 354-2019. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала (NB-Fi)

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 19.02.2019 № 7-пнст)

ИСТОРИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АКТОВ

flowchart LR
  n0["ПНСТ 354-2019"]:::rst
  click n0 "https://bukva.ai/docs/7-pnst" "ПНСТ 354-2019. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной.."
  n1["ГОСТ Р 70036-2022"]:::doc
  click n1 "https://bukva.ai/docs/standart-gost-r-70036-2022" "ГОСТ Р 70036-2022. Национальный стандарт Российской Федерации. Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции... "
  n0 --> n1
classDef rst fill:#FFEBEB,stroke:#8B0000,color:#000;
classDef doc fill:#EBFFEB,stroke:#006400,color:#000;
classDef notEnt fill:#FFFFEB,stroke:#FF8C00,color:#000;

Срок действия

до 1 апреля 2022 года

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Телематические Решения» (ООО «Телематические Решения»), Акционерным обществом «Российская венчурная компания» (АО «РВК»), Фондом развития интернет-инициатив (ФРИИ), Ассоциацией участников рынка интернета вещей и Некоммерческим партнерством «Русское общество содействия развитию биометрических технологий, систем и коммуникаций» (Некоммерческое партнерство «Русское биометрическое общество»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 194 «Киберфизические системы»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 февраля 2019 г. № 7-пнст

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 143026 Москва, территория инновационного центра Сколково, ул. Нобеля, д. 5, пом. 334, тел. 8 (800) 550-51-89, e-mail: info@waviot.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: 109074 Москва, Китайгородский проезд, д. 7, стр. 1.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

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.

1 Область применения

В настоящем стандарте установлены требования к протоколу обмена для интернета вещей в узкополосном спектре (NB-Fi), включая требования:

• к физическому уровню (раздел 5);

- MAC-уровню (раздел 6);

• транспортному уровню (раздел 7);
• уровню представления (раздел 8).

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 14254 (МЭК 529-89) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP)

ГОСТ Р 34.12 Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 радиотрансивер: Интегральная схема, предназначенная для приема-передачи данных с использованием радиосигналов (в том числе посредством протокола NB-Fi).

3.2 устройство приема-передачи данных/модем: Программно-аппаратный комплекс со встроенным радиотрансивером, являющийся либо самостоятельным оборудованием, либо встроенным компонентом в конечное устройство, применяемый для приема или передачи данных с использованием радиотрансивера.

3.3 конечное устройство: Оборудование с устройством приема-передачи данных (модемом).

3.4 пакет восходящего направления (UPLINK-пакет): Пакет данных, передаваемый устройствами и принимаемый базовыми станциями.

3.5 пакет нисходящего направления (DOWNLINK-пакет): Пакет данных, передаваемый передатчиком базовой станции и принимаемый устройствами.

4 Сокращения

«Магма» — алгоритм симметричного блочного шифрования согласно ГОСТ Р 34.12.

5 Физический уровень (Physical layer)

5.1 Общие положения

Физический уровень обеспечивает механизм приема-передачи произвольной информации по среде распространения. В данном разделе установлены требования к техническим характеристикам физического уровня для двух типов пакетов данных:

• UPLINK-пакет (см. 5.2);
• DOWNLINK-пакет (см. 5.3).

5.2 UPLINK-пакет

UPLINK-пакет представляет собой модулированные последовательности двоичных данных, сгруппированных в байты.

Описание UPLINK-пакета приведено в таблице 1. Значения параметров, приведенных в таблице 1, определены для диапазона рабочих температур от минус 40 °C до плюс 70 °C.

Таблица 1

5.3 DOWNLINK-пакет

Вид модуляции и скорости передачи данных выбраны таким образом, чтобы обеспечить наилучший уровень входной чувствительности при использовании серийных радиотрансиверов, присутствующих на рынке на момент написания настоящего стандарта. Предельные значения чувствительности приема подобных радиотрансиверов составляют значение порядка минус 139 дБм. При использовании скоростей 200 и 500 бит/с неточность формирования частоты задающим генератором может приводить к возникновению проблем, связанных с несовпадением частот передатчика и приемника, что вызывает потери пакетов. Для решения этой проблемы применяется алгоритм компенсации нестабильности частот задающих генераторов. Описание алгоритма компенсации нестабильности частот задающего генератора приведено в приложении А.

5.4 Режим работы LBT (Listen Before Talk)

При включенном режиме работы LBT (Listen Before Talk — «Слушай, прежде чем сказать») устройство, прежде чем выполнить переход в режим передачи для отправки пакетов, должно переключиться в режим оценки уровня сигнала в полосе частот, в которой предполагается отправка данных. Если уровень сигнала не превышает установленного значения, что означает отсутствие передачи другим устройством, то переход в режим передачи и отправка данных могут быть выполнены. В противном случае устройство не должно выполнять передачу до тех пор, пока уровень сигнала в данной полосе частот не упадет ниже установленного значения. Для включения/выключения режима работы LBT используют конфигурационный флаг транспортного уровня FLG_LBT [см. 7.2.2.2, перечисление г)].

6 MAC-уровень (Media Access Control layer, MAC)

6.1 Общие положения

MAC-уровень обеспечивает передачу датаграммы (информационного пакета) на выбранном физическом уровне и описывает следующие параметры:

• формат полей пакета;
• способы адресации;
• методы защиты данных;
• методы контроля целостности данных;
• методы восстановления ошибок.

Описание MAC-уровня приведено в таблице 3. Значения параметров, приведенных в таблице 3, определены для диапазона рабочих температур от минус 40 °C до плюс 70 °C.

Таблица 3

Основные технические характеристики MAC-уровня

6.2 UPLINK-пакет

Общая длина UPLINK-пакета должна составлять 40 байт. Размер поля Payload (полезные данные) должен составлять 8 байт. Соотношение эффективной скорости передачи данных к физической должно составлять 2/10. Программный код реализации функции формирования UPLINK-пакета на языке Си приведен в разделе Б.1 приложения Б.

Формат UPLINK-пакетов и рабочая полоса частот одинаковы для различных скоростей передачи данных. Порядок следования битов в байтах UPLINK-пакета — от старшего к младшему.

Структура формата UPLINK-пакета приведена в таблице 4.

Таблица 4

Структура формата UPLINK-пакета

6.2.1 Поле Preamble (Преамбула)

Преамбула служит для обнаружения пакета в эфире. Алгоритм демодуляции, реализованный в базовой станции, использует данное поле для обнаружения пакета в эфире и синхронизации его последующей обработки.

6.2.2 Поле Node ID (Идентификатор, присвоенный устройству)

Поле Node ID содержит идентификатор, присвоенный устройству. Поле Node ID должно иметь размер 32 бита [для номерной емкости сети, составляющей 232 (4 294 967 296) устройств]. Порядок следования байт — от старшего к младшему.

6.2.3 Поле Data (Данные)

Поле Data обрабатывается транспортным уровнем. Поле Data является составным и должно содержать два поля: поле Header (Заголовок) и поле Payload (Полезные данные).

6.2.3.1 Поле Header (Заголовок)

Поле Header является заголовком пакета. Поле Header должно иметь размер 1 байт. Поле Header должно состоять из трех системных флагов и поля ITER (см. раздел 5).

6.2.3.2 Поле Payload (Полезные данные)

Поле Payload должно иметь размер 8 байт. Данное поле может быть зашифровано с помощью блочного кода «Магма» (см. раздел 6.4).

6.2.4 Поле Payload CRC (Контрольная сумма полезных данных)

Поле Payload CRC содержит контрольную сумму незашифрованного содержимого поля Payload и поля Header. Поле Payload CRC должно иметь размер 2 байта. Поле Payload CRC используется также при вычислении частоты отправки пакета. Программный код реализации функции вычисления данного параметра на языке Си приведен в разделе Б.3 приложения Б.

6.2.5 Поле Packet CRC (Контрольная сумма пакета данных)

Поле Packet CRC содержит контрольную сумму полей Node ID, Header, Payload CRC и зашифрованного содержимого поля Payload. Используются три младших байта данного значения. Программный код реализации функции вычисления данного параметра (CRC32) на языке Си приведен в разделе Б.4 приложения Б.

6.2.6 Поле Zigzag code

Поле Zigzag code должно содержать помехоустойчивый код, вычисляемый на основании данных поля Zigzag source. Используемые таблицы данных для кодирования и декодирования, а также исходные коды программной реализации помехоустойчивого кодирования на языке Си приведены в приложении В.

6.3 DOWNLINK-пакет

Пакеты данного типа формируются при помощи аппаратной реализации используемого радиотрансивера. Внутри поля полезных данных пакета, сформированного средствами используемого радиотрансивера, должны быть размещены поле адреса, поле данных транспортного уровня и поле контрольной суммы.

Структура поля данных транспортного уровня DOWNLINK-пакета приведена в таблице 5.

Таблица 5

Структура поля данных транспортного уровня DOWNLINK-пакета

6.3.1 Поле Node ID (Идентификатор, присвоенный устройству)

Поле Node ID содержит идентификатор, присвоенный устройству. Поле Node ID должно иметь размер 32 бита [для номерной емкости сети, составляющей 232 (4 294 967 296) устройств]. Порядок следования байт — от старшего к младшему.

6.3.2 Поле Data (Данные)

Поле Data обрабатывается транспортным уровнем. Поле Data является составным и должно содержать два поля: поле Header (Заголовок) и поле Payload (Полезные данные).

6.3.2.1 Поле Header (Заголовок)

Поле Header является заголовком пакета. Поле Header должно иметь размер 1 байт. Поле Header должно состоять из трех системных флагов и поля ITER (см. раздел 5).

6.3.2.2 Поле Payload (Полезные данные)

Поле Payload должно иметь размер от 8 до 128 байт, кратно 8 байтам. Данное поле может быть зашифровано при помощи блочного кода «Магма» (см. раздел 6.4).

6.3.3 Поле Payload CRC (Контрольная сумма полезных данных)

6.4 Шифрование поля Payload

7 Транспортный уровень (Transport layer)

7.1 Общие положения

Также на транспортном уровне реализованы алгоритмы анализа качества сигнала и выбора оптимальной скорости передачи данных. Дополнительно на транспортном уровне реализован механизм конфигурирования всех параметров функционирования устройства NB-Fi.

Ключевые особенности транспортного уровня NB-Fi, позволяющие протоколу в наибольшей степени соответствовать задачам построения LPWAN-сетей:

• низкое количество «накладных» данных, используемых для транспортного уровня;
• организация группового квитирования пакетов, позволяющего экономить использование канала связи при подтверждении приема;
• реализация специальных режимов работы для устройств с батарейным питанием.

Для передачи данных от устройства к базовой станции используются UPLINK-пакеты. Для передачи данных от базовой станции к устройству применяются DOWNLINK-пакеты либо UPLINK-пакеты для устройств, построенных на специализированных радиотрансиверах. Допускается работа в режиме передачи данных от устройства к устройству («peer-to-peer»), при этом используются DOWNLINK-пакеты либо UPLINK-пакеты для устройств, построенных на специализированных радиотрансиверах.

Реализация функций транспортного уровня предполагает буферизацию пакетов данных в виде программного стека. Минимальная глубина приемного буфера составляет 32 пакета. Это обусловлено разрядностью поля ITER (итератор), равной 5 бит, которое используется для циклической нумерации всех пакетов и их последующей идентификации при запросах повторной отправки. Таким образом, передающий узел должен хранить по крайней мере 32 последних отправленных пакета для их возможной переотправки при последующем обмене данными.

Основные режимы работы транспортного уровня и их описание приведены в таблице 6.

Таблица 6

Основные режимы работы транспортного уровня и их описание

7.2 Описание пакетов данных транспортного уровня

7.2.1 Формат пакета транспортного уровня в общем виде

Структура формата пакета транспортного уровня в общем виде приведена в таблице 7.

Таблица 7

Структура формата пакета транспортного уровня в общем виде

Описание полей:

• SYS — флаг системного пакета;
• ACK — флаг, информирующий о том, что данный пакет требует подтверждения;
• MULTI:

1. флаг групповой посылки;

2. флаг, информирующий приемную сторону о том, что за данным пакетом будет отправлен другой;

• ITER — итератор пакета;
• DATA — поле данных пакета;
• MAXLEN — максимальная длина передачи поля данных.

Пакеты транспортного уровня разделяются:

• на пользовательские пакеты;
• системные пакеты.

Системные пакеты используют для передачи служебной информации, для реализации механизмов транспортного протокола, а также для передачи полезной информации (при передаче пакетов типа GROUP и SHORT).

Полезные данные, длина которых равна параметру MAXLEN, передаются внутри пользовательского пакета.

Полезные данные длиной более чем MAXLEN передаются путем дробления пакетов и объединения их в групповую посылку. При этом первый пакет в группе является системным (GROUP), а остальные — пользовательскими.

Полезные данные, длина которых меньше параметра MAXLEN, передаются внутри системного (SHORT) пакета.

Параметр MAXLEN равен 8 для UPLINK-пакетов и может иметь значения от 8 до 128 для DOWNLINK-пакетов. Параметр MAXLEN не должен изменяться в процессе обмена данными и должен иметь одинаковые значения как у передающего, так и у приемного узла.

Структура формата пользовательского пакета приведена в таблице 8, структура формата системного пакета — в таблице 9.

Таблица 8

Структура формата пользовательского пакета

Таблица 9

Структура формата системного пакета

Описание полей:

• SYS — флаг системного пакета;
• ACK — флаг, информирующий о том, что данный пакет требует подтверждения;
• MULTI:

1. флаг групповой посылки;

2. флаг, информирующий приемную сторону о том, что за данным пакетом будет отправлен другой;

• ITER — итератор пакета;
• DATA — поле данных пакета;
• TYPE — тип системного пакета;
• SYS_PAYLOAD — полезная информация;
• MAXLEN — максимальная длина передачи поля данных.

7.2.2 Типы системных пакетов

Основные типы системных пакетов, используемые в протоколе NB-Fi, приведены в таблице 10.

Таблица 10

Основные типы системных пакетов

Таблица 11

Структура формата пакета SHORT

Примечание — Допустимые значения LENGTH (длины полезных данных пакета): от 1 до 127 байт.

7.2.2.2 Пакет ACK_P (подтверждение приема)

а) MASK

Структура формата поля MASK приведена в таблице 13.

Таблица 13

Структура формата поля MASK

UL_SPEED_NOT_MAX уведомляет устройство о том, что текущая скорость передачи UPLINK-пакетов является немаксимальной для данной базовой станции. Активное значение — 1.

DL_SPEED_NOT_MAX уведомляет устройство о том, что текущая скорость приема DOWNLINK-пакетов является немаксимальной для данной базовой станции. Активное значение — 1.

DL_POWER_STEP_UP уведомляет сервер о необходимости повысить мощность передатчика базовой станции для данного устройства. Активное значение — 1.

TX_PWR соответствует уровню текущей мощности передатчика устройства. Допустимые значения — от 0 до RF_MAX_POWER дБм.

7.2.2.3 Пакет HEARTBEAT (информация о параметрах работы устройства)

Данный системный пакет предназначен для передачи информации о параметрах работы устройства.

Допустимые значения: от минус 128 °C до плюс 128 °C.

в) AVER_RX_SNR (Среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника устройства)

Среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника устройства определяют по нескольким последним принятым пакетам. Допустимые значения: от 0 до 127 дБ.

г) AVER_TX_SNR (Среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции)

Среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции определяют по нескольким последним принятым пакетам и вычисляют на основании данных, получаемых в поле SNR ACK_P пакета. Допустимые значения: от 0 до 127 дБ.

д) NOISE (Уровень шума на входе приемника устройства)

Допустимые значения: от 0 до 255. Данные значения соответствуют уровням шума от минус 150 до плюс 105 дБм.

е) TX_PWR (Уровень текущей мощности передатчика устройства)

Допустимые значения: от минус 10 до RF_MAX_POWER дБм.

7.2.2.4 Пакет CLEAR (сигнал завершения сеанса передачи данных)

7.2.2.5 Пакет GROUP (первый пакет в группе)

Данный системный пакет предназначен для определения заголовка (первого пакета) групповой посылки.

Структура формата пакета GROUP приведена в таблице 18.

Таблица 18

Структура формата пакета GROUP

7.2.2.6 Пакет CONF (настройка параметров NB-Fi)

Поле CONF_DATA определено в 7.2.2.6, перечисления г) - х).

а) CMD&PARAM

Структура формата поля CMD&PARAM приведена в таблице 20.

Таблица 20

Структура формата поля CMD&PARAM

Таблица 24

Описание поля NBFI_MODE

2 UL_CARRIER используют для диагностических целей.

NBFI_RX_PHY_CHANNEL — параметр, определяющий тип и скорость пакетов при приеме DOWNLINK-пакетов. Описание поля NBFI_RX_PHY_CHANNEL приведено в таблице 26.

Таблица 26

Описание поля NBFI_RX_PHY_CHANNEL

NBFI_TX_PWR — уровень выходной мощности передатчика. Тип параметра: int8_t. Допустимые значения: от минус 10 до RF_MAX_POWER дБм.

NBFI_NUM_OF_RETRIES — максимальное количество повторных отправок пакетов в течение одного сеанса отправки данных. Допустимые значения: от 0 до 255.

д) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_HANDSHAKE (PARAM = 0x01)

Описание поля NBFI_HANDSHAKE_MODE

NBFI_MACK_MODE — параметр группового квитирования (multiple ack) данных при отправке. Допустимые значения: от 0 до 32.

е) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_MAXLEN (PARAM = 0x02)

MAXLEN — параметр, определяющий размер полезных данных одного пакета, передаваемого на MAC-уровне. Для UPLINK-пакетов данный параметр соответствует значению 8.

ж) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_TXFREQ (PARAM = 0x03)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_TXFREQ приведено в таблице 30.

TXFREQ — параметр, определяющий частоту отправки данных. При TXFREQ = 0 частоту отправки данных вычисляют по формуле

f = fbase_ul + ((ID + CRC8)%226)100,

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_RXFREQ приведено в таблице 31.

Таблица 31

RXFREQ — параметр, определяющий частоту, на которой выполняется прием данных. При RXFREQ = 0 частоту f вычисляют по формуле

к) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_ANT (PARAM = 0x05)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_ANT приведено в таблице 32.

NBFI_RX_ANT — параметр, определяющий, какой из RF-трактов используется при приеме. Значения параметра и соответствующие им варианты RF-трактов зависят от конкретной реализации устройства.

л) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_DL_ADD (PARAM = 0x06)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_DL_ADD приведено в таблице 33.

Таблица 33

NBFI_DL_ADD — параметр, использующийся для адресации при отправке и приеме DOWNLINK-пакетов. По умолчанию равен ID-адресу устройства. Может быть изменен на адрес другого устройства для приема пакетов только от заданного узла.

м) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_HEART_BEAT (PARAM = 0x07)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_HEART_BEAT приведено в таблице 34.

Таблица 34

Структура формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_HEART_BEAT

NBFI_HEARTBEAT_NUM — параметр, определяющий количество HEARTBEAT-пакетов, которые будут отправлены после сброса устройства. При NBFI_HEARTBEAT_NUM = 255 отправка HEARTBEAT-пакетов выполняется неограниченное количество раз.

NBFI_HEARTBEAT_INTERVAL — параметр, определяющий периодичность отправки HEARTBEAT-пакетов. Допустимые значения: от 0 до 65 535. Порядок следования байтов в поле параметра: старшим байтом вперед. Порядок расчета периодичности отправки HEARTBEAT-пакетов при разных режимах работы транспортного уровня протокола NB-Fi (NBFI_MODE) приведен в таблице 35.

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_TX_BRATES приведено в таблице 36.

Таблица 36

Структура формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_TX_BRATES

NBFI_RX_BRATES — в данном поле перечислены все поддерживаемые устройством скорости приема данных, которые используются при автоматическом выборе оптимальной скорости. Данные представлены в формате значений параметра NBFI_RX_PHY_CHANNEL [см. 7.2.2.6, г)]. Максимально возможное количество поддерживаемых скоростей равно шести. Поддерживаемые скорости перечислены начиная с младшего байта данного поля. Если число скоростей менее шести, старшие (неиспользуемые) байты данного поля равны 0xFF.

Примечание — Параметр NBFI_PARAM_RX_BRATES доступен только для чтения.

р) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_VERSION (PARAM = 0x0A)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_ VERSION приведено в таблице 38.

NBFI_REV — версия транспортного протокола NB-Fi. Текущее значение равно 2.

NBFI_SUBREV — дополнительная версия транспортного протокола NB-Fi — в данный момент не используется.

COMP_CRC — контрольная сумма CRC8 даты и времени компиляции программного обеспечения устройства — используется для автоматического контроля модификаций программного обеспечения.

для параметра NBFI_ADD_FLAGS

NBFI_ADDITIONAL_FLAGS — параметр, представляющий собой совокупность дополнительных флагов, управляющих определенными функциями протокола, сгруппированных в виде битовой маски. Активное значение каждого флага — 1.

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_QUALITY приведено в таблице 41.

DL_TOTAL — общее количество принятых пакетов с момента сброса устройства. Тип данного параметра: _uint16_t. Порядок следования байтов в данном поле — старшим байтом вперед.

AVER_RX_SNR — среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника устройства, определяемое по нескольким последним принятым пакетам. Допустимые значения: от 0 до 127 дБ.

AVER_TX_SNR — среднее значение соотношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции, определяемое по нескольким последним принятым пакетам, вычисляется на основании данных, получаемых в поле SNR ACK_P пакета. Допустимые значения: от 0 до 127 дБ.

UL_BASE_FREQ — параметр соответствует базовой частоте, используемой при расчете частоты, на которой отправляются данные.

UL_RATING — показатель уровня сигнала на входе приемника, вычисляется на основании текущего режима скорости и среднего значения соотношения сигнал/шум на входе приемника. Допустимые значения: от 0 до 10.

DL_RATING — показатель уровня сигнала от данного устройства на входе приемника базовой станции, вычисляется на основании текущего режима скорости и среднего значения соотношения сигнал/шум на входе базовой станции. Допустимые значения: от 0 до 10.

UL_SUCCESS_TOTAL — общее количество успешно доставленных пакетов с момента сброса устройства. Тип данного параметра: uint16_t. Порядок следования байтов в данном поле — старшим байтом вперед. Для режима работы NRX либо в случае NBFI_HANDSHAKE_MODE = HANDSHAKE_NONE данный параметр равен общему количеству отправленных пакетов.

UL_FAULT_TOTAL — общее количество недоставленных пакетов с момента сброса устройства. Тип данного параметра: uint16_t. Порядок следования байтов в данном поле: старшим байтом вперед. Пакет считается недоставленным, если его не удалось доставить в результате сеанса передачи данных.

Примечания

1 Параметр NBFI_QUALITY_EX доступен только для чтения.

2 Параметры UL_RATING, DL_RATING, UL_FAULT_TOTAL актуальны только для режимов работы DRX и CRX с NBFI_HANDSHAKE_MODE = HANDSHAKE_SIMPLE.

7.2.2.7 Пакет RESET (сброс устройства)

Данный системный пакет предназначен для выполнения процедуры программного перезапуска устройства.

Структура формата пакета RESET приведена в таблице 46.

Таблица 46

Структура формата пакета RESET

7.2.2.8 Пакет CLEAR_T. Сигнал завершения сеанса передачи данных со значением Unix Timestamp

Структура формата пакета CLEAR_T приведена в таблице 47.

UTS — 4-байтное значение системного времени в формате Unix Timestamp (количество секунд от 1 января 1970 года), соответствующее часовому поясу UTC.

7.2.2.9 Пакет SENDTIME. Сигнал синхронизации системного времени

Структура формата пакета SENDTIME приведена в таблице 48.

Таблица 48

Структура формата пакета SENDTIME

UTS — 4-байтное значение системного времени в формате Unix Timestamp (количество секунд от 1 января 1970 г.), соответствующее часовому поясу UTC.

7.2.2.10 Пакет GETNEWKEY. Запрос на выделение устройством нового ключа шифрования

Структура формата пакета GETNEWKEY приведена в таблице 49.

Таблица 49

Структура формата пакета GETNEWKEY

7.2.2.11 Пакет KEYn. Значение ключа шифрования

Структура формата пакета KEYn приведена в таблице 50.

Таблица 50

Структура формата пакета KEYn

Примечание — Параметр n принимает значения от 0 до 4.

8 Уровень представления (Presentation layer)

8.1 Общие положения

На данном уровне реализованы механизмы, обеспечивающие совместимость устройств на уровне приложения, а также обеспечивающие защиту данных уровня приложений, идентификацию устройств и чтение/запись типов данных специального назначения.

Пакет данных уровня представления передается в обоих направлениях внутри поля Payload транспортного уровня.

Описанные ниже форматы пакетов представляют собой соглашения, выполнение которых обязательно требуется в системах, к которым предъявляются требования в части безопасности передачи данных. В этих системах должен быть использован алгоритм шифрования «Магма».

При наличии достаточных оснований на использование другого алгоритма шифрования или в зависимости от требований безопасности в стране применения стандарта возможен выбор другого алгоритма симметричного блочного шифрования с размером ключа шифрования 256 бит.

8.2 Описание пакетов данных уровня представления

8.2.1 Формат пакета уровня представления

Структура формата пакета уровня представления в общем виде приведена в таблице 51.

Таблица 51

Структура формата пакета уровня представления в общем виде

Описание полей:

- 0xE0: признак пакета уровня представления;

- CMD: код команды, который определяет назначение пакета; типы команд приведены в таблице 52;

- ITER: итератор пакета — 16-битный параметр, который должен увеличиваться на 1 для каждого нового пакета, позволяет идентифицировать уникальность пакета и реализовать защиту от атаки повторного воспроизведения;

- ENC: тип используемого шифрования; типы шифрования приведены в таблице 53;

- TYPE: тип данных пакета, который определяет тип содержимого поля DATA; типы данных приведены в таблице 54; программный код реализации функции вычисления данного параметра на языке Си приведен в разделе Б.3 приложения Б;

- DATA: поле полезных данных пакета, которое может быть зашифровано одним из видов блочного шифрования, приведенных в таблице 53.

8.2.2 Типы команд уровня представления

Таблица 52

Типы команд уровня представления

8.2.3 Типы шифрования уровня представления

Таблица 53

Типы шифрования уровня представления

8.2.4 Типы данных уровня представления

Таблица 54

Типы данных уровня представления

Приложение А (справочное)

ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА КОМПЕНСАЦИИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТ ЗАДАЮЩЕГО ГЕНЕРАТОРА

Отправка UPLINK-пакетов устройствами осуществляется на известной (предполагаемой) частоте fexp_ul, вычисляемой по формуле

где fbase_ul — граничная частота диапазона частот, на которых выполняется отправка UPLINK-пакетов;

ID — идентификационный номер модема;

CRC8 — одно из полей UPLINK-пакета, равное контрольной сумме поля PAYLOAD.

Отправка DOWNLINK-пакетов базовой станцией осуществляется на известной (предполагаемой) частоте fexp_dl, вычисляемой по формуле

fexp_dl = fbase_dl + (ID%276)363, (А.2)

где fbase_dl — граничная частота диапазона частот, на которых выполняется отправка DOWNLINK-пакетов;

ID — идентификационный номер модема.

Базовая станция, принимая пакет, вычисляет частоту приема frx₁ с разрешением в несколько десятков герц (для скорости 50 бит/с) и затем выполняет вычисление обобщенной ошибки частоты \Delta f_{1} по формуле

\Delta f_{1} = f_{exp_ul} - f_{rx1} . (А.3)

В состав данной ошибки входят как погрешность передатчика удаленного модема \Delta f_{modTX} , так и ошибка измерения частоты базовой станцией \Delta f_{bsRX} , таким образом

\Delta f_{1} = \Delta f_{modTX} + \Delta f_{bsRX} . (А.4)

Данные погрешности имеют достаточно стабильные значения, вызванные начальной неточностью генераторов, и при использовании термокомпенсированных осцилляторов незначительно изменяются при колебаниях температуры.

Передатчик базовой станции, используемый для отправки DOWNLINK-пакетов, также с определенной периодичностью (например, каждые 5 мин) отправляет UPLINK-пакеты на фиксированной частоте ftest_dl, которая попадает в полосу частот приема базовой станции. Базовая станция, принимая данный пакет, вычисляет частоту приема frx2 и затем значение обобщенной ошибки частоты \Delta f_{2} по формуле

\Delta f_{2} = f_{test_dl} - f_{rx2} . (А.5)

В состав данной ошибки входят как погрешность передатчика базовой станции \Delta f_{bsTX} , так и ошибка измерения частоты базовой станцией \Delta f_{bsRX} , таким образом

\Delta f_{2} = \Delta f_{bsTX} + \Delta f_{bsRX} . (А.6)

При отправке DOWNLINK-пакетов каждый раз вносится поправка в частоту передачи базовой станции прибавлением обобщенной ошибки \Delta f_{1} и вычитанием обобщенной ошибки \Delta f_{2} по формуле

f_{tx} = f_{exp_dl} + \Delta f_{1} - \Delta f_{2} . (А.7)

Подставляя в формулу (А.7) выражения (А.4) и (А.6), а также добавляя ошибку передатчика базовой станции \Delta f_{bsTX} , вычисляют фактическое значение частоты отправки ffactTX по формуле

f_{factTX} = f_{exp_dl} + \Delta f_{modTX} + \Delta f_{bsRX} - \Delta f_{bsTX} - \Delta f_{bsRX} + \Delta f_{bsTX} = f_{exp_dl} + \Delta f_{modTX} . (А.8)

Для успешного приема сообщения данная частота ffactTX должна соответствовать фактической частоте приема модема ffactRX, которая равна:

\Delta f_{factRX} = f_{exp_dl} + \Delta f_{modRX} . (А.9)

Когда частота приема и частота передачи модема совпадают либо имеют близкие значения, ошибки приема и передачи также приблизительно равны:

\Delta f_{modTX} \approx \Delta f_{modRX} . (А.10)

Таким образом, по формуле (А.7) вычисляют необходимую компенсацию ошибок генераторов для случая

fbase_ul ~= fbase_dl. (А.11)

В общем случае формула компенсации погрешностей частот имеет следующий вид:

f_{tx} = f_{exp_dl} + \frac{f_{base_dl}}{f_{base_ul}} (\Delta f_{1} - \Delta f_{2}) . (А.12)

Подставив в формулу (А.12) формулы (А.3) и (А.5), получаем полную формулу расчета частоты отправки DOWNLINK-пакетов, при которой выполняется коррекция ошибок всех генераторов:

f_{tx} = f_{exp_dl} + \frac{f_{base_dl}}{f_{base_ul}} (f_{exp_ul} - f_{rx1} - f_{test_{dl}} + f_{rx2}) . (А.13)

Приложение Б (справочное)

ФРАГМЕНТЫ ИСХОДНЫХ КОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ MAC-УРОВНЯ

Б.1 Функция формирования и отправки UPLINK-пакета

Б.2 Функция вычисления контрольной суммы (CRC8)

Б.3 Функция вычисления контрольной суммы (CRC16)

Б.4 Функция вычисления контрольной суммы (CRC32)

Приложение В (справочное)

ТАБЛИЦА И ФУНКЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ZIGZAG-КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ

Приложение Г (справочное)

ОПИСАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ФУНКЦИЙ И СЦЕНАРИЕВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Г.1 Обеспечение надежной доставки данных

Для обеспечения надежной доставки данных применяется отправка пакетов в режиме HANDSHAKE_SIMPLE. Отправка выполняется посредством сеансов обмена данными между передающим и приемным узлами. При отправке пользовательских пакетов (длина данных равна параметру MAXLEN) количество пакетов, входящих в сеанс отправки, определяется параметром MACK. Значения MACK более единицы позволяют уменьшить количество отправляемых пакетов подтверждения приема. При групповой отправке количество пакетов, входящих в сеанс отправки, равно количеству пакетов в группе. Каждый отправляемый пакет содержит в своем заголовке HEADER поле ITER, которое инкрементируется для каждого последующего пакета. Значения поля ITER изменяются в диапазоне 0 — 31. Передающий узел (устройство или сервер), выполняя отправку последнего пакета из группы, выставляет в нем флаг ACK в заголовке пакета. Данный флаг сигнализирует приемной стороне, что необходимо отправить в ответ системный пакет ACK_P.

ACK_P содержит 32-битную маску, каждый бит которой содержит информацию об успешном приеме пакета с номером итератора, соответствующим позиции бита в маске.

Передающий узел обрабатывает ACK_P-пакет и повторно отправляет один или несколько пакетов, которые не были доставлены и которые соответствуют данному сеансу отправки.

Если передающий узел не получает ACK_P-пакет в ответ на запрос, он повторяет отправку последнего пакета по истечении заданного интервала времени (тайм-аута) NBFI_RX_TIMEOUT, вычисляемого по формуле

NBFI_RX_TIMEOUT = NBFI_UL_DELAY + NBFI_DL_LISTEN_TIME + + random()%NBFI_DL_ADD_RND_LISTEN_TIME (Г.1)

Параметры NBFI_UL_DELAY, NBFI_DL_LISTEN_TIME и NBFI_DL_ADD_RND_LISTEN_TIME зависят от выбранных режимов скорости передачи данных. Их значения приведены в таблицах Г.1 - Г.3.

Таблица Г.1

Значение параметра NBFI_UL_DELAY в зависимости от режима скорости передачи данных

Таблица Г.2

Значение параметра NBFI_DL_LISTEN_TIME

Значение параметра NBFI_DL_ADD_RND_LISTEN_TIME

Повторные отправки пакетов выполняются до тех пор, пока не будет получен ответ либо не будет превышено число повторных отправок, заданное параметром NUM_OF_RETRIES. Повторная отправка пакетов, вызванная получением ACK_P-пакета, также входит в расчет общего числа повторов и ограничена параметром NUM_OF_RETRIES.

CLEAR-пакет не является строго обязательным для каждого сеанса отправки, по сути, для успешной работы протокола получателю данных достаточно одного CLEAR-пакета на один полный оборот итератора входных пакетов (32 пакета). Поэтому для снижения объема отправляемых данных можно не выполнять отправку CLEAR-пакетов для одиночных пакетов либо небольших групп пакетов.

Данный режим предназначен для устройств, которые должны обладать очень малыми значениями среднего потребления энергии (например, устройства с батарейным питанием). Проблема реализации радиосвязи в таких устройствах заключается в невозможности выполнения приема данных в непрерывном режиме. DRX — это режим, который специально разработан с целью решить данную проблему максимально эффективно.

Отличие от режима CRX состоит в том, что устройство кратковременно переходит в режим приема сразу после окончания передачи последнего пакета из группы пакетов, отправляемых непрерывно друг за другом. Сервер выполняет отправку данных только во время действия данного «временного окна».

Таким образом, сеанс обмена данными происходит по инициативе устройства. Сервер может инициировать дополнительные сеансы обмена, используя флаг MULTI в заголовке последнего пакета, отправляемого устройству в рамках предыдущего сеанса.

Сеанс отправки данных от устройства к серверу выполняется в полном объеме до подтверждения приема всех пакетов. Следующий за ним сеанс отправки данных от сервера к устройству может быть прерван из-за потерь данных при плохом уровне сигнала и затем продолжен при следующем «выходе устройства на связь».

Г.6 Синхронизация системного времени

При обмене данными в режиме подтверждения доставки возможна реализация механизма синхронизации времени между сервером и конечными устройствами. Сценарий взаимодействия между сервером и устройством следующий:

• конечное устройство, выполнив отправку данных и получив пакеты, подтверждающие их доставку, отправляет системный пакет CLEAR_T, информирующий приемный узел (сервер) о том, что все данные переданы и можно выполнить очистку истории принятых данных. Помимо этого, в данном пакете содержится значение текущего (на момент отправки пакета) времени системных часов передающего узла (устройства). Время передается в виде 4-байтного значения, соответствующего формату времени Unix Timestamp (количество секунд от 1 января 1970 года) и часовому поясу UTC.

Сервер сравнивает полученное время с собственным системным временем и в том случае, если разница превышает значение 8191 с, отсылает системный пакет SENDTIME, содержащий значение текущего времени в формате Unix Timestamp. Пакет отсылается без запроса подтверждения.

Г.7 Смена ключа шифрования MAC-уровня

Для идентификации типа устройства необходимо использовать три строковых идентификатора, длина которых не должна превышать 128 байт:

• идентификатор производителя — параметр, уникальный для каждого производителя устройств;
• идентификатор устройства — параметр, уникальный для каждого типа устройств;
• идентификатор протокола — параметр, однозначно определяющий формат данных и логику работы устройства на уровне приложения.

Данные идентификаторы сервер приложений запрашивает у устройства при их отсутствии в базе данных сервера либо устройство отправляет их самостоятельно при первом включении периодически или при изменении значений.

Для получения значений идентификаторов сервер должен отправить пакет уровня представления с командами NBFI_PL_GET_MAN_ID, NBFI_PL_GET_HW_ID и NBFI_PL_GET_PROT_ID. Устройство должно прислать ответный пакет с таким же кодом команды и со значением соответствующего идентификатора в поле DATA.

Сервер приложений использует данные идентификаторы для определения, поддерживается ли данное устройство и каким образом необходимо выполнять взаимодействие с данным устройством.

Г.9 Описание механизма изменения типа шифрования и смены ключа на уровне представления

Возможно использование трех режимов работы шифрования на уровне представления: без шифрования, «Магма», а также режим шифрования с использованием другого выбранного алгоритма (два варианта выбора). Тип шифрования, который использован для шифрования поля DATA, всегда должен быть указан в поле ENC.

Для систем, к которым предъявляются требования в части безопасности передачи данных, включенный режим шифрования на уровне представления является обязательным, поскольку он обеспечивает достоверную идентификацию устройства и целостность данных.

Для смены типа используемого шифрования либо его включения или отключения сервер приложения должен отправить одну из команд:

NBFI_PL_ENC_SET_NONE, NBFI_PL_ENC_SET_MAGMA, NBFI_PL_ENC_SET_CUSTOMCRYPTO1, NBFI_PL_ENC_SET_CUSTOMCRYPTO2.

Если устройство не поддерживает данный тип шифрования, то оно не меняет режим шифрования, и данные продолжают поступать с прежним значением поля ENC.

Выделение нового ключа шифрования выполняет конечное устройство по запросу от сервера при помощи пакета с кодом команды NBFI_PL_ENC_NEW_KEY. Устройство генерирует случайное число размером 32 байта и отправляет его на сервер внутри поля DATA.

Сервер, получив ключ шифрования, выполняет отправку пакета с кодом команды NBFI_PL_ENC_APPLY_KEY, содержащего в поле DATA контрольную сумму ключа размером 4 байта. Устройство, получив этот пакет, сверяет контрольную сумму и в случае совпадения применяет новый ключ.

Приложение Д (справочное)

ОПИСАНИЕ МЕХАНИЗМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Устройства, работающие в режимах DRX и CRX, выполняют автоматический контроль качества радиосигнала (как приема, так и передачи) и производят смену скоростей передачи данных, опираясь на средние значения соотношений сигнал/шум (SNR) для UPLINK-пакетов и DOWNLINK-пакетов.

Расчет SNR на входе приемника устройства выполняется при приеме пакетов, используя данные, предоставляемые аппаратурой радиотрансивера, входящего в состав устройства. Расчет SNR выходного сигнала выполняется на основании данных, которые измеряет базовая станция на входе своего приемника и которые передаются устройству в одном из полей ACK_P-пакета.

Решения о смене скорости передачи данных UPLINK-пакетов либо DOWNLINK-пакетов принимает устройство, анализируя уровни SNR.

При достаточно высоком значении SNR (>= SNRLEVEL_FOR_UP + TXSNRDEG либо >= SNRLEVEL_FOR_UP + RXSNRDEG) выполняется перевод скорости на один уровень выше. Так как сервер принимает одновременно все поддерживаемые скорости передачи UPLINK-пакетов, смена скоростей UPLINK осуществляется без уведомления сервера. При смене скорости DOWNLINK-пакетов выполняется отправка системного CONF-пакета с полем данных NBFI_PARAM_MODE, содержащим новые параметры скоростного режима. Данный пакет формируется с флагом ACK и требует подтверждения приема. Прием пакета ACK_P устройство выполняет уже на новой скорости. В отсутствие ответного пакета выполняются повторные отправки CONF-пакетов. Если после определенного числа повторных попыток доставки CONF-пакета, равного NUM_OF_RETRIES, пакет ACK_P так и не был получен, устройство возвращает свой скоростной режим в предыдущее состояние, отсылая CONF-пакет с полем данных NBFI_PARAM_MODE, содержащим предыдущие значения параметров скорости. В этот раз CONF-пакет отсылается единожды без запроса подтверждения.

Повышение скорости UPLINK либо DOWNLINK выполняется при условии, что базовая станция поддерживает более высокие скоростные режимы. Об этом сервер уведомляет устройство, выставляя флаги UL_SPEED_NOT_MAX и DL_SPEED_NOT_MAX, содержащиеся в пакете ACK_P.

Устройство повышает скорость передачи данных до тех пор, пока уровень SNR не снизится до значения, не позволяющего выполнять дальнейшее повышение, либо пока не будет достигнуто максимальное значение скорости.

Если при достижении максимального уровня скорости передачи UPLINK-пакетов уровень SNR имеет достаточное значение (>= SNRLEVEL_FOR_UP + TXSNRDEG), устройство выполняет постепенное (с шагом 3 дБ) снижение мощности передатчика.

Если при достижении максимального уровня скорости приема DOWNLINK-пакетов уровень SNR имеет достаточное значение (>= SNRLEVEL_FOR_UP + RXSNRDEG), устройство уведомляет сервер о необходимости снижения выходной мощности передатчика базовой станции, выставляя флаг DL_POWER_STEP_DOWN в пакете ACK_P, отправляемом от устройства к серверу.

Если уровень SNR снижается ниже заданного значения (SNRLEVEL_FOR_DOWN), устройство выполняет обратные действия. Сначала повышается выходная мощность передатчиков устройства или базовой станции, затем выполняется ступенчатое снижение скорости передачи либо приема данных.

Для уведомления сервера о необходимости повышения выходной мощности используется флаг DL_POWER_STEP_UP в пакете ACK_P, отправляемом от устройства к серверу.

Пороговые уровни для повышения и понижения скоростей либо мощности и поправочные коэффициенты для различных скоростей приведены в таблицах Д.1 - Д.3.

Таблица Д.1

Пороговые уровни для повышения и понижения скоростей либо мощности

Таблица Д.2

скоростей передачи

Рисунок Д.1 — Пример сеанса обмена пакетами, выполняющий повышение скоростей передачи и приема

НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ NB-Fi

Режимы функционирование протокола NB-Fi конкретного устройства определены совокупностью параметров, объединенных в единую структуру данных NBFI_SETTINGS. Некоторая часть данных параметров должна быть известна серверу для обеспечения нормальной работы протокола. В частности, такими параметрами являются следующие: режим работы устройства, текущие скорости передачи данных, перечень поддерживаемых устройством скоростей, рабочий диапазон частот и т.д. Данные параметры записываются в базу данных сервера при выделении лицензии на конкретные устройства и затем в процессе работы синхронизируются с соответствующими значениями этих параметров в устройстве посредством отправки системных пакетов.

Все параметры NB-Fi устройства доступны для чтения и записи при помощи системных CONF-пакетов. Формат данных пакетов и наименование параметров описаны в 7.2.

(справочное)

Шифрование данных выполняется на двух уровнях — MAC-уровне и на уровне представления.

Шифрование на MAC-уровне предназначено для защиты механизма обмена данными на транспортном уровне.

Шифрование данных выполняется как для UPLINK-пакетов, так и для DOWNLINK-пакетов.

Для шифрования данных на MAC-уровне применяется алгоритм «Магма», используются уникальные ключи длиной 256 бит.

Пакеты данных UPLINK и DOWNLINK содержат поле, соответствующее контрольной сумме незашифрованных данных. Это позволяет, выполнив дешифрование пакета, проверить валидность полученных данных и отбросить пакет в случае несовпадения ключей сервера и модема. Данный механизм делает систему связи устойчивой не только к попыткам несанкционированного получения данных, но и к попыткам злонамеренного заполнения эфира пакетами со случайным содержанием в поле Payload с целью нарушения нормальной работы устройств.

Возможны два сценария присвоения ключей устройствам — «прошивка» ключей при производстве либо выделение новых ключей при подключении устройства к сети.

В первом варианте ключи шифрования генерируются случайным образом при выделении лицензии на сервере оператора сети. Каждому ID (идентификатору) NB-Fi сопоставляется персональный ключ, который сохраняется на сервере и в выходном файле лицензии, используемом впоследствии при «прошивке» программ в модемы устройств. Данный вариант обеспечивает контроль над уникальностью идентификаторов NB-Fi, выполняет защиту от несанкционированной передачи под «чужим» ID на любом этапе взаимодействия устройства с сервером. Возможен также сценарий «прошивки» в устройство временного ключа шифрования, который при подключении устройства к сети будет изменен по инициативе сервера или устройства.

Во втором варианте устройства изначально не содержат ключ шифрования, и при подключении к сети используется «открытый» обмен данными. По инициативе устройства выполняется регистрация нового идентификатора на сервере и выделяется ключ шифрования. Данная процедура выполняется успешно только в случае отсутствия на сервере информации об уже зарегистрированном устройстве с таким идентификатором.

Шифрование данных на уровне представления позволяет выполнять дополнительное шифрование пользовательских данных с целью сделать их недоступными для оператора сети, обслуживающего транспортный сервер, но не владеющего сервером приложений для данного устройства.

Выделение ключей шифрования выполняется сервером приложений по инициативе сервера.

Используемые алгоритмы шифрования: «Магма», другой выбранный алгоритм (см. 8.1, 8.2.3).

Размер ключа шифрования — 256 бит.

Помимо шифрования на уровне представления выполняется присвоение каждому следующему пакету данных нового идентификатора (итератора) размером 16 бит, что позволяет реализовать защиту данных от атаки повторного воспроизведения.

(справочное)

В настоящем приложении приведен пример создания решения по удаленному сбору данных на протоколе NB-Fi для жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и городского хозяйства [2].

И.1 Описание системы

LPWAN-сеть, использующая протокол связи NB-Fi в нелицензируемом диапазоне частот, разработана российской компанией и успешно применяется в России и за рубежом, с суммарным числом установленных устройств в 2017 году более 100 тыс. шт. Компания реализовала проекты по созданию удаленного сбора данных с приборов учета ресурсов ЖКХ в более чем 50 городах России.

Высокая дальность связи и большая емкость сети позволяют обеспечивать сбор данных с большого количества устройств при помощи одной базовой станции.

Например, типовой случай использования данной технологии — установка базовой станции на крыше одного из зданий микрорайона и счетчиков воды и электроэнергии в каждую квартиру близлежащих домов в радиусе нескольких километров. При этом осуществляется 100%-ный сбор данных со всех устройств, включая данные с устройств, установленных в металлические щиты и полуподвальные помещения.

И.2 Архитектура системы

Архитектура системы состоит из четырех уровней и включает в себя:

1. устройства, отправляющие и принимающие данные по протоколу стандарта NB-Fi;

2. базовые станции, осуществляющие прием, обработку и передачу сообщений от устройств (UPLINK-пакеты) на телеком-сервер, а также отправку нисходящих сообщений на устройства (DOWNLINK-пакеты);

3. телеком-сервер, осуществляющий прием, обработку и хранение сообщений от всех базовых станций для всех устройств, а также обеспечивающий интеграцию исходных данных с сервером приложений и со сторонними программно-техническими комплексами;

4. сервер приложений, осуществляющий отображение данных от устройств клиентам и предоставляющий возможность выгрузки отчетов в требуемом виде.

И.3 Описание устройств

Компания самостоятельно производит и разрабатывает все компоненты системы: устройства, базовые станции, серверное программное обеспечение. В настоящий момент компания использует микроконтроллер STM32 с радиотрансивером компании ON Semiconductor AX5043, разработав для данной аппаратной платформы ПО с реализацией протокола передачи данных по стандарту NB-Fi.

Компания производит устройства, отправляющие и принимающие данные по протоколу стандарта NB-Fi, среди которых:

• счетчики воды с накладным внешним модемом;
• счетчики воды со встроенным в основную плату модемом;
• однофазные и трехфазные счетчики электрической энергии со встроенным модемом;
• теплосчетчики со встроенным и внешним модемом;
• счетчики газа со встроенным модемом;
• радиомодемы, подсоединяющиеся к импульсным или цифровым выводам внешних устройств.

Перечисленные выше устройства выпускаются с автономным питанием (от батареи), при этом существует возможность использовать и внешнее питание.

Счетчики воды, газа, тепла отправляют сообщения два раза в сутки и содержат внутри себя данные о почасовом потреблении энергоресурсов.

Счетчики воды с накладным модемом получают показания о потреблении при помощи оптического датчика, который считывает вращение бегунка. Накопленное число вращений передается на сервер приложений, где складывается с начальными показаниями данных счетчика.

Аналогично работает радиомодем, считывающий импульсы с импульсных выходов устройств: накопленные значения импульсов передаются на сервер приложений, где суммируются с начальными показаниями.

Счетчики воды, тепла, газа со встроенным радиомодулем два раза в сутки передают актуальные показания с почасовой разбивкой. Счетчики со встроенным модемом имеют жидкокристаллический дисплей, отображающий показания, и именно эти показания и передаются на сервер приложений.

Счетчики тепла, электроэнергии с внешним радиомодемом с цифровым (RS-485) выходом считывают показания с прибора учета по цифровому интерфейсу. Для отдельных приборов учета разработаны индивидуальные радиомодемы, позволяющие осуществить монтаж радиомодема под крышку устройства. Радиомодемы с батарейным питанием в зависимости от конфигурации отправляют данные с периодичностью от одного раза в месяц до двух раз в сутки. Существует модель радиомодема для электросчетчика с питанием от сети, что позволяет увеличить срок службы радиомодема.

Указанные выше устройства отправляют на сервер только восходящие (UPLINK) сигналы без подтверждения доставки. В случае пропуска сигнала в определенный период на сервере приложений данных за этот период не окажется, и при следующем получении сигнала на сервере приложений будут отображены только имеющиеся данные (последнее значение потребления на приборе учета и почасовая разбивка потребления за периоды, по которым данные переданы).

Выпускаемые компанией электросчетчики осуществляют отправку сообщений на сервер один раз в час. Сообщения содержат данные о потреблении электроэнергии по каждой фазе, а также прочие параметры сети. Устройства работают в режиме CRX (Continuous RX) и обеспечивают постоянный прием нисходящих (DOWNLINK) сообщений от сервера. Отправка данных на электросчетчик с сервера возможна в любой момент. Данный режим работы позволяет отправлять подтверждение доставки сигнала, а также конфигурировать электросчетчик и осуществлять управление реле электросчетчика.

Мощность излучения устройств, как правило, составляет 15 мВт при максимально разрешенном уровне излучения 25 мВт. Расчетный срок работы устройств от батареи составляет свыше 10 лет. Рабочий температурный диапазон устройств составляет от минус 40 °C до плюс 70 °C.

Примеры реализации конечных устройств (импульсного модема и платы комплекта разработчика), включающие проекты печатных плат и программное обеспечение в исходных кодах, а также библиотеку реализации протокола NB-Fi, содержатся в файловом архиве [3].

И.4 Описание базовых станций

Базовая радиостанция представляет собой стационарный приемопередатчик радиосигнала. Для приема восходящих (UPLINK) пакетов данных со стороны базовой станции применяется принцип SDR-систем (software-defined radio), где входной радиосигнал оцифровывается во всей полосе приема 50 кГц и в дальнейшем подвергается программной обработке. Прием пакетов выполняется базовой станцией по всей полосе частот, при этом выделяются одновременно пакеты, имеющие различные скорости. Теоретическое количество каналов составляет 1024 для скорости 50 бит/с, и 128, 16 и 2 для скоростей 400, 3200 и 25600 бит/с соответственно.

Передача нисходящих (DOWNLINK) пакетов выполняется при помощи цифрового модулятора сигнала, позволяющего передавать одновременно несколько узкополосных каналов, если суммарная мощность передачи не превышает установленного значения. Передача осуществляется в полосе 100 кГц.

За счет разнесения полос приема и передачи по частоте и развязки приемной и передающих антенн по поляризации достигается одновременный прием и передача (полный дуплекс) без ухудшения характеристик радиосвязи.

Габаритные размеры корпуса базовой станции (высота x ширина x глубина, мм) составляют 200 x 120 x 75. Рабочие условия эксплуатации базовой радиостанции позволяют устанавливать базовую станцию на улице — температура окружающей среды от минус 50 °C до плюс 70 °C, относительная влажность (без конденсации влаги) от 40 до 98%. Степень защиты корпуса от проникновения пыли и воды соответствует IP67 по ГОСТ 14254.

Базовая станция имеет вычислительное ядро FPGA Artix 100. Характеристики производительности базовой станции:

• число арифметических операций — свыше 7500 MFLOPS (млн операций/с);
• скорость произвольного доступа к памяти — свыше 100 Гбит/с;
• производительность декодера помехоустойчивого кода — не более 40 000 гипотез/с;
• суммарная информационная скорость декодера помехоустойчивого кода — свыше 5 Мбит/с;
• чувствительность базовой станции — минус 150 dBm (для скорости 50 бит/с).

В зависимости от комплекта поставки базовая станция может комплектоваться одной или несколькими антеннами: принимающая коллинеарная антенна (для приема UPLINK-пакетов), антенна, передающая петлевой вибратор (для отправки DOWNLINK-пакетов), двухдиапазонная секторная антенна (для UPLINK- и DOWNLINK-пакетов).

В зависимости от исполнения телеком-сервер и сервер приложения могут быть реализованы прямо на базовой станции, что обуславливается требованиями заказчиков к автономности и изолированности используемых систем.

Пример реализации базовой станции, построенной на базе простого SDR-приемника и одноплатного встраиваемого микрокомпьютера Raspberry PI, содержится в файловом архиве [3].

В данном решении прием UPLINK-пакетов выполняется при помощи программной обработки записанного сигнала с поддержкой скоростей приема 50 и 400 бит/с. Передача DOWNLINK-пакетов выполняется при помощи радиотрансивера компании ON Semiconductor AX8052F143 с поддержкой всех описанных в настоящем стандарте скоростей передачи.

В файловом архиве содержатся проект печатной платы SDR-приемника и программное обеспечение базовой станции в исходных кодах, написанное на языке программирования C++ с использованием библиотеки Qt5.

И.5 Описание телеком-сервера

Функциями телеком-сервера являются:

• хранение в базе данных информации об устройствах (идентификаторы, ключи шифрования MAC-уровня, режимы работы транспортного уровня);
• получение восходящих пакетов с данными от множества базовых станций;
• дешифрование данных MAC-уровня и отбрасывание пакетов, не прошедших проверку целостности данных;
• выделение уникальных пакетов (фильтрация и отбрасывание копий одного и того же пакета, принятого разными станциями);
• реализация функций транспортного уровня NB-Fi;
• выбор наилучшей базовой станции для отправки нисходящих пакетов для каждого устройства;
• сохранение пакетов в базу данных;
• взаимодействие с серверным ПО уровня приложений посредством API-интерфейса.

Использование центрального телеком-сервера в качестве ответного узла для всех конечных устройств сети NB-Fi позволяет организовать сеть передачи данных большого радиуса действия, содержащей огромное количество устройств (от сотен тысяч до десятков миллионов). Преимуществом реализации транспортного уровня на стороне сервера является простое разрешение коллизий между пересекающимися по покрытию базовыми станциями при отправке нисходящих пакетов на устройства. В подобной централизованной архитектуре масштабирование сети по расширению покрытия либо по увеличению плотности установки устройств выполняется максимально легко, простым добавлением базовых станций и устройств без необходимости конфигурирования.

Установка телеком-сервера возможна в том числе и на базовые станции. Это позволяет организовать получение/отправку данных непосредственно с базовых станций и на них. При этом возникает необходимость конфигурирования каждой станции в части загрузки в нее информации об устройствах, что делает масштабирование сети проблематичным.

И.6 Описание сервера приложений

Функциями сервера приложений являются:

• поддержка механизма защиты данных уровня представления NB-Fi;
• поддержка конкретных моделей устройств:

а) преобразование пакетов от телеком-сервера в данные для отображения потребителю;

б) преобразование команд от потребителя в пакеты для отправки через телеком-сервер;

в) конфигурирование устройств, обновление ПО, диагностика исправности;

• длительное хранение данных;
• предоставление данных и управление устройствами через API-интерфейс;
• предоставление данных и управление устройствами при помощи графического интерфейса пользователя;
• аналитический и статистический анализ данных, выгрузка отчетов;
• другие функции, зависящие от предметной области данного приложения.

Сервер приложений является верхним уровнем телекоммуникационной системы, построенной на базе сети передачи данных NB-Fi. Данный компонент не является стандартным решением со строго определенным перечнем функций. Его задачи зависят от предметной области, для которой используется система (мониторинг ресурсов ЖКХ, система охранной сигнализации, контроль технологических процессов, мониторинг сельского хозяйства и т.д.). Возможна одновременная работа различных серверов приложения, взаимодействующих с единым телеком-сервером.

Сервер приложений может использовать механизм защиты данных уровня представления, обеспечивая дополнительное шифрование данных приложения, делая их недоступными поставщику телекоммуникационных услуг (владеющему телеком-сервером).

Библиография