ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Информационные технологии

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала (NB-Fi)

Издание официальное

Москва

Стандартмнформ

2019

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)

©Стандартинформ, оформление. 2019

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

и

-    разбиения больших пакетов данных на фрагменты и последующего их «склеивания»;

-    буферизации отправки данных;

-    синхронизации системного времени;

-    конфигурирования режимов работы;

-    автоматического выбора режима работы (скорости, мощности передачи);

-    смены ключа шифрования МАС-уровня.

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

Режим работы Описание NRX (No RX) Передача данных от устройства к серверу Устройство передает данные при необходимости, остальное время модем находится в режиме «сон» Не поддерживаются переотправка «потерянных» данных и режим автоматического выбора оптимальной скорости связи DRX (Discontinuous RX) Передача данных в обоих направлениях Устройство передает данные при необходимости и переходит в режим приема на непродолжительное время сразу после окончания передачи Сервер буферизирует все запросы на отправку данных устройству и выполняет передачу данных во время «открытия» временного «окна», когда устройство переходит в режим приема Возможна работа в режиме переотправки «потерянных» данных и режиме автоматического выбора скоростей Данный режим используют для устройств с батарейным питанием CRX (Continuous RX) Передача данных в обоих направлениях Устройство передает данные при необходимости, в остальное время находится в режиме приема Отправка данных на устройство с сервера возможна в любой момент Все функции протокола работают в полном объеме Возможна передача данных «peer-to-peer» Данный режим используют для устройств со стационарным питанием либо для кратковременного перехода в него с целью обмена «peer-to-peer»

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

HEADER (Заголовок) DATA (Данные) SYS АСК MULTI ITER 1 бит 1 бит 1 бит 5 бит от 1 до MAXLEN байт

Описание полей:

-    SYS — флаг системного пакета;

-    АСК — 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

HEADER (Заголовок) DATA (Данные) SYS АСК MULTI ITER PAYLOAD (1 бит) (1 бит) (1 бит) (5 бит) 0 0/1 0/1 От 0 до 31 MAXLEN байт

Таблица 9 — Структура формата системного пакета

HEADER (Заголовок) DATA (Данные) SYS АСК MULTI ITER TYPE SYS_PAYLOAD 1 0/1 0/1 От 0 до 31 1 байт От 7 до (MAXLEN-1) байт

Описание полей:

-    SYS — флаг системного пакета;

-    АСК — 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

CODE (код) TYPE (тип) SYS PAYLOAD LENGTH, bytes (Длина полезных данньос. байт) Описание ОЫххххххх SHORT (см 7.2 2.1) от 7 до (MAXLEN-1) Короткий пакет данных 0x00 АСК Р (см 72.2.2) 7 Подтверждение приема 0x01 HEARTBEAT (см 7.2 2.3) 7 Информация о параметрах работы устройства 0x02 GROUP (см 7.2.2 5) 7 Первый пакет в группе 0x04 CLEAR (см 7 2 2 4) 0 Сигнал завершения сеанса передачи данных 0x06 CONF (см 7.2 2 6) 7 Настройка параметров NB-Fi 0x07 RESET (см 7.2 2.7) 7 Сброс устройства 0x08 CLEAR Т (см 7.2 2.78) 4 Сигнал завершения сеанса передачи данных со значением Unix Timestamp 0x09 SENDTIME (см 7.2 2 9) 4 Сигнал синхронизации системного времени ОхОА GETNEWKEY (см 7.2 2 10) 0 Запрос на выделение устройством нового ключа шифрования 0x10—0x14 KEY0—KEY4 (см 7.2.2 11) 7 Значение ключа шифрования

7.2.2.1 Пакет SHORT (короткий пакет данных)

Данный системный пакет предназначен для передачи пользовательских данных длиной менее чем MAXLEN.

Структура формата пакета SHORT приведена в таблице 11.

Таблица 11— Структура формата пакета SHORT

CODE (код) TYPE (тип) BYTE# (номер байта) DATA (Данные) ОЫххххххх SHORT 0 0x80 ♦ LENGTH — — 1 — (MAXLEN-1) PAYLOAD

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

7.2.2.2 Пакет АСК_Р (подтверждение приема)

Данный системный пакет предназначен для подтверждения приема пакета данных. Структура формата пакета АСК_Р приведена в таблице 12.

Таблица 12 — Структура формата пакетаАСК_Р

CODE (код) TYPE (тип) BYTE* (номер байта) DATA (Данные) 0x00 АСК_Р 0 0x00 — — 1—4 MASK [см 7 2 2 2. а)) — — 5 SNR [см 7.2 2 2. б)] — — 6 NOISE OR RTC OFS 0 7 [см 7.2.2 2. в)) “ " — — 7 MFLAGS [см 7.2.2 2. г)]

a) MASK

Структура формата поля MASK приведена в таблице 13.

Таблица 13 — Структура формата поля MASK

MASK0 MASK1 MASK2 MASK3 bit 0: статус пакета с ите- bit 0: статус пакета с ите- bit 0: статус пакета с ите- bit 0: статус пакета с ите- ратором (/ — 32) ратором (/ — 24) ратором (/—16) ратором (/' — 8) bit 7: статус пакета с ите- bit 7: статус пакета с ите- bit 7: статус пакета с ите- bit 7: статус пакета с ите- ратором (/ — 25) ратором (/—17) ратором (/ — 9) ратором (/—1)

Примечание — /-итератор АСК_Р пакета равен итератору принятого пакета, в ответ на который отправлен АСК_Р

Статус сообщения с текущим итератором / не включен в маску, так как факт получения пакета АСК_Р подтверждает успешность доставки пакета с текущим итератором.

б)    SNR (Соотношение сигнал/шум пакета)

Соотношение сигнал/шум пакета, в ответ на который отправлен АСК_Р. используют для оценки качества связи при автоматическом выборе скорости и мощности передатчика. Допустимые значения — от 0 до 127 дБ.

в)    NOISE_OR_RTC_OFS_0_7 (Уровень входного шума либо 8 младших бит поправки времени)

В данном поле передается уровень входного шума NOISE либо 8 младших бит поправки времени RTC_OFS_0_7. Первый вариант используется при передаче от устройства к серверу в качестве дополнительной информации; второй вариант — при передаче от сервера к устройству в случае применения механизма синхронизации времени. Допустимые значения — от 0 до 255. Данные значения соответствуют уровням шума от минус 150 до плюс 105 дБм либо 8 младшим битам 14-битной поправки времени.

г)    MFLAGS

Структура формата поля MFLAGS при передаче АСК_Р от сервера к устройству приведена в таблице 14.

Таблица 14 — Структура формата поля MFLAGS при передаче АСК_Р от сервера к устройству

7 бит 6 бит От 5 до 0 бит UL_SPEED_NOT_MAX DL_SPEED_NOT_MAX RTC_OFS_8_13

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.

RTC_OFS_8_13 — старшие 6 бит 14-битной поправки времени — используют при реализации механизма синхронизации системного времени конечного устройства.

Структура формата поля MFLAGS при передаче АСК_Р от устройства к серверу приведена в таблице 15.

Таблица 15 — Структура формата поля MFLAGS при передаче АСК_Р от устройства к серверу

7 бит | 6 бит От 5 до 0 бит DL_POWER_STEP_DOWN DL_POWE R_STE P_U P TX_PWR

DL_POV\tR_STEP_DOWN уведомляет сервер о необходимости снизить мощность передатчика базовой станции для данного устройства. Активное значение — 1.

DL_POV\£R_STEP_UP уведомляет сервер о необходимости повысить мощность передатчика базовой станции для данного устройства. Активное значение — 1.

TX_P\MR 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.

Структура формата пакета HEARTBEAT приведена в таблице 16.

Таблица 16 — Структура формата пакета HEARTBEAT

CODE (код) TYPE (тип) BYTE* (номер байта) DATA (Данные) 0x01 HEARTBEAT 0 0x01 — — 1 0x00 — — 2 VSUP [см 7.2 2 3, a)] — — 3 TEMP [см 7.2 2 3. 6)) — — 4 AVER RX SNR [cm 7.2.2 3. B)] — — 5 AVER TX SNR [cm 7 2 2 3. r)) — — 6 NOISE [cm 7.2.23. Д)] — — 7 TX PWR [cm 72.2.2, e)]

а)    VSUP (Напряжение питания устройства)

Должно быть представлено в следующем формате:

Старший бит: 1. если L/s ЗВ.

Младшие 7 бит: десятые доли вольта.

Формула для перевода данного поля в вольты следующая:

V = 2 + (D»7) + (D&0x7F)/100.

б)    TEMP (Температура внутри устройства)

Тип данных: int8_t.

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

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 АСК_Р 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_POV\/ER дБм.

7.2.2 4 Пакет CLEAR (сигнал завершения сеанса передачи данных)

Данный системный пакет предназначен для информирования о завершении сеанса передачи данных. Структура формата пакета CLEAR приведена в таблице 17.

Таблица 17 — Структура формата пакета CLEAR

CODE (код) TYPE (тип) BYTE# (номер байта) DATA (Данные) 0x04 CLEAR 0 0x04 1—7 Зарезервированы

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

CODE (код) TYPE (тип) BYTE# (номер байта) DATA (Данные) 0x02 GROUP 0 0x02 — — 1 GROUPJ.EN [см 7.2.2 5. а)) — — 2 GROUP_CRC [см 7.2.2 5. в)) — — 3-7 PAYLOАО_0_4 [ см 7 2 2 5, б))

а)    GROUPJ.EN

Суммарное количество байт полезных данных во всей групповой посылке.

б)    GROUP_CRC

Контрольная сумма CRC8 данных группы.

в)    PAYLOAD_0_4

Первые 5 байт полезных данных групповой посылки.

7.2.2 6 Пакет CONF (настройка параметров NB-Fi)

Данный системный пакет предназначен для выполнения настройки параметров NB-Fi. Структура формата пакета CONF приведена в таблице 19.

Таблица 19 — Структура формата пакета CONF

CODE (код) TYPE (тип) BYTE# (номер байта) DATA (Поле данных) 0x06 CONF 0 0x06 — — 1 CMD&PARAM [см 7.2.2 6. а)) — — 2—7 CONF_DATA

Поле CONF_DATA определено в 7.2.2.6. перечисления г>—х).

a) CMD&PARAM

Структура формата поля CMD&PARAM приведена в таблице 20.

Таблица 20 — Структура формата поля CMD&PARAM

От 7 до 6 бит От 5 до 0 бит CMD PARAM (см 7.2.26. б) [см. 7.2.2 6. в)]

б) CMD

Структура формата поля CMD приведена в таблице 21.

Таблица 21— Структура формата поля CMD

CODE (код) TYPE (тип) Описание 0x00 READ_CMD Команда чтения параметра(ов) 0x01 WRITE_CMD Команда записи параметра(ов) 0x02 WRITE_CMD_ACK Команда записи параметра(ов) с верификацией и сохранением в энергонезависимой памяти 0x03 WRITE_CMD_SAVE Команда записи параметра(ов) с сохранением в энергонезависимой памяти

в) PARAM

Структура формата поля PARAM приведена в таблице 22.

Таблица 22 — Структура формата поля PARAM

CODE (код) TYPE (тип) Read.Wtite (чтение/ запись) Наименование параметра(ов) 0x00 NBFI_PARAM_MODE R/W Параметры режима работы NB-Fi 0x01 NBFI_PARAM_HANDSHAKE R/W Параметры режима квитирования NB-Fi 0x02 NBFI_PARAM_MAXLEN R/W Параметр MAXLEN 0x03 NBFI_PARAM_TXFREQ R/W Параметр TXFREQ (частота передачи) 0x04 NBFI_PARAM_RXFREQ R/W Параметр RXFREQ (частота приема) 0x05 NBFI_PARAM_ANT R/W Параметры RF-фронтенда (выбор антенн и мощности передачи) 0x06 NBFI_PARAM_DL_ADD R/W Параметр DL_ADD (адресация DOWNLINK-пакетов) 0x07 NBFI_PARAM_HEART_BEAT R/W Параметры отправки HEARTBEAT-пакетов 0x08 NBFI_PARAM_TX_BRATES R Чтение поддерживаемых скоростей передачи 0x09 NBFI_PARAM_RX_BRATES R Чтение поддерживаемых скоростей приема ОхОА NBFI_PARAM_VERSION R Чтение версии исполнения устройства 0x0В N BF l_ADD_F LAGS R/W Параметр ADDITIONAL_Fl_AGS ОхОС NBFI_QUALITY R Чтение параметра QUALITY

Окончание таблиц# 22

CODE (код) TYPE (тип) ReadWTite (чтение'' запись) Наименование параметра(ов) OxOD NBFI_UL_BASE_FREQ R/W Параметр UL_BASE_FREQ (базовая частота передачи) ОхОЕ NBF l_DL_BASE_FREQ R/W Параметр DL_BASE_FREQ (базовая частота приема) OxOF NBFI_QUALITY_EX R Чтение параметра QUALITY_EXT 0x11 NBF l_APPLY_KE Y W Команда применения нового ключа

Описание поля CONF_DATAflnn каждого параметра таблицы 22 приведено в 7.2.2.6. перечисления г)—х).

г) Значение поля CONF_DATAflnn параметра NBFI_PARAM_MODE (PARAM = 0x00)

Таблица 23 — Структура формата поляCONF_DATAдля параметра NBFI_PARAM_MODE

BYTE# (номер байта) CONF_DATA 0 NBFI_MODE 1 NBFI_MACK_MODE 2 NBFI_TX_PHY_CHANNEL 3 NBFI_RX_PHY_CHANNEL 4 NBFI_TX_PWR 5 NBFI_NUM_OF_RETRIES

NBFI_MODE — режим работы транспортного уровня протокола NB-Fi. Описание поля NBFI_MODE приведено в таблице 24.

Таблица 24 — Описание поля NBFI_MODE

CODE (код) TYPE (тип) 0 NRX 1 DRX 2 CRX 3 TRANSPARENT 4 OFF

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

NBFI_TX_PHY_CHANNEL — параметр, определяющий тип и скорость пакетов при отправке UPLINK-пакетов. Описание поля NBFI_TX_PHY_CHANNEL приведено в таблице 25.

Таблица 25 — Описание поля NBFI_TX_PHY_CHANNEL

CODE (код) TYPE (тип) Описание 21 UL_DBPSK_50_PROT_E UPLINK-пакет на скорости 50 бит/с 22 UL_PSK_200 DOWNLINK-лакет на скорости 200 бит/с

Окончание таблицы 25

CODE (код) TYPE (тип) Описание 24 Ul_DBPSK_400_PROT_E UPLINK-пакет на скорости 400 бит/с 25 UL_PSK_500 DOWNLINK-пакет на скорости 500 бит/с 26 UL_DBPSK_3200_PROT_E UPLINK-пакет на скорости 3200 бит/с 27 UL_PSK_5000 DOWNLINK-пакет на скорости 5000 бит/с 28 UL_DBPSK_25600_PROT_E UPLINK-пакет на скорости 25 600 бит/с 29 UL_PSK_FASTDL DOWNLINK-пакет на скорости 57 600 бит/с 50 UL_CARRIER Формирование несущей частоты без модуляции

Примечания 1    DOWNLINK-пакеты применяют для отправки при взаимодействии «peer-to-peer» 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

CODE (код) TYPE (тип) Описание 0 DL_PSK_200 DOWNLINK-пакет на скорости 200 бит/с 1 DL_PSK_500 DOWNLINK-пакет на скорости 500 бит/с 2 DL_PSK_5000 DOWNLINK-пакет на скорости 5000 бит/с 3 DL_PSK_FASTDL DOWNLINK-пакет на скорости 57 600 бит/с

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 структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_HANDSHAKE приведено в таблице 27.

Таблица 27 — Структура формата поля CONF_DATAдля параметра NBFI_PARAM_HANDSHAKE

BYTE# (номер байта) CONF_DATA 0 NBF l_HANDSHAKE_MOD Е 1 NBFI_MACK_MOOE 2—5 Зарезервированы

NBFI_HANDSHAKE_MODE — режим квитирования данных. Описание поля NBFI_HANDSHAKE. MODE приведено в таблице 28

Таблица 28 —Описание поля NBFl_HANDSHАКЕ_МООЕ

CODE (код) TYPE (тип) 0 HANDSHAKE_NONE 1 HANDSHAKE_SIMPLE

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)

Описание структуры формата поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_MAXLEN приведено в таблице 29.

Таблица 29 — Структура формата поля СО^_ОАТАдля параметра NBFI PARAM MAXLEN

BYTE 9 (номер байта) CONF_DATA 0 MAXLEN 1—5 Зарезервированы

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

хф Значение поля CONFJDATAflnn параметра NBFI_PARAM_TXFREQ (PARAM = 0x03)

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

Таблица 30 — Структура формата поля CONF_DATAдля параметра NBFI PARAM TXFREQ

BYTE 9 (номер байта) CONF_DATA 0—3 TXFREQ 4—5 Зарезервированы

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

f= ^fbase_ui +((/O₊CRC8)%226)100.

где f_{beae ы} —базоваячастота отправки UPLINK-пакета (UL_BASE_FREQ);

Ю — идентификационный номер модема;

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

При TXFREQ = 0 чтение данного параметра возвращает значение 0 и не позволяет определить текущую частоту отправки.

При TXFREQ # 0 частота отправки равна значению TXFREQ.

Порядок следования байт в данном поле данных — старшим байтом вперед

и) Значение поля CONF_DATA для параметра NBFI_PARAM_RXFREQ (PARAM = 0x04)

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

Таблица 31 — Структура формата поля CONF_DATAflnfl параметра NBFI PARAM RXFREQ

BYTE * (номер байта) CONF_DATA 0—3 RXFREQ 4—5 Зарезервированы

Содержание

1    Область применения..................................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................................1

3    Термины и определения...............................................................1

4    Сокращения.........................................................................2

5    Физический уровень (Physical layer)......................................................2

5.1    Общие положения................................................................2

5.2    UPLINK-пакет....................................................................2

5.3    DOWNLINK-пакет.................................................................3

5.4    Режим работы LBT (Listen Before Talk)................................................4

6    МАС-уровень (Media Access Control layer. MAC)............................................4

6.1    Общие положения................................................................4

6.2    UPLINK-пакет....................................................................5

6.3    DOWNLINK-пакет.................................................................6

6.4    Шифрование поля Payload.........................................................6

7    Транспортный уровень (Transport layer)...................................................6

7.1    Общие положения................................................................6

7.2    Описание пакетов данных транспортного уровня.......................................7

8    Уровень представления (Presentation layer)..............................................23

8.1    Общие положения...............................................................23

8.2    Описание пакетов данных уровня представления......................................24

Приложение А (справочное) Описание алгоритма компенсации нестабильности частот

задающего генератора....................................................26

Приложение Б (справочное) Фрагменты исходных кодов реализации МАС-уровня...............28

Приложение В (справочное) Таблица и функции, используемые

для ZIGZAG-кодирования данных...........................................31

Приложение Г (справочное) Описание транспортных функций и сценариев взаимодействия.......33

Приложение Д (справочное) Описание механизма автоматического выбора оптимальной

скорости передачи данных.................................................37

Приложение Е (справочное) Настройка параметров NB-Fi...................................39

Приложение Ж (справочное) Защита данных в протоколе NB-Fi...............................40

Приложение И (справочное) Примеры использования протокола    NB-Fi.........................41

Библиография........................................................................44

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

'=W*⁺(^/D%276)363.

где f_base_di — базовая частота приема DL (DL_BASE_FREQ);

ID — идентификационный номер модема.

При RXFREQ = 0 чтение данного параметра возвращает значение 0 и не позволяет определить текущую частоту приема.

При RXFREQ * 0 частота приема равна значению RXFREQ.

Порядок следования байтов в данном поле данных — старшим байтом вперед,

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.

Таблица 32 — Структура формата поля CONF_DATAдля параметра NBFI_PARAM_ANT

BYTE # (номер байта) CONF_DATA 0 NBFI_TX_PWR 1 NBFI_TX_ANT 2 NBFI_RX_ANT 3—5 Зарезервированы

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

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

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 — Структура формата поля CONF_DATAдля параметра NBF l_PARAM_DL_ADD

BYTE# (номер байта) CONF_DATA 0—2 NBFI_DL_ADD 3—5 Зарезервированы

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.

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 нелицензируе-мые диапазоны частот, в которых установлены ограничения на излучаемую передатчиками мощность. В основе стандарта лежит использование сверхузкополосных (Ultra Narrow Band. UNB) фазоманипу-лированных 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-лакеты 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 (DOVWLINK) 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.

ПНСТ 354—2019

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Информационные технологии ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала

(NB-Fi)

Information technology Internet of things Wireless protocol based on narrow band RF modulation (NB-Fi)

Срок действия — с 2019—04—01 до 2022—04—01

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);

-    МАС-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

Издание официальное

компонентом в конечное устройство, применяемый для приема ипи 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

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ФМн-2 — двоичная фазовая манипуляция несущей:

ОФМн-2 — относительная двоичная фазовая манипуляция несущей;

ЧМн —частотная манипуляция несущей;

«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 °С до плюс 70 °С.

Таблица 1 —Основные технические характеристики UPLINK-пакета

Наименование параметра Значение (характеристика) параметра Полоса рабочих частот (суммарная полоса приема базовой станцией) 51.2 кГц Скорость передачи данных, выраженная в битах 50. 400. 3200. 25 600 бит/с Модуляция ОФМн-2 Предельная чувствительность приема для скорости передачи данных, бит/с - 50 Минус 150 дБм - 400 Минус 141 дБм - 3200 Минус 132 дБм - 25 600 Минус 123 дБм Метод разделения каналов Частотный Количество одновременно принимаемых каналов при скорости 50 бит/с 1024 Количество одновременно принимаемых каналов при скорости 400 бит/с 128 Количество одновременно принимаемых каналов при скорости 3200 бит/с 16

5.3 DOWNLINK-пакет

DOVWLINK-лакет представляет собой модулированные последовательности двоичных данных, сгруппированных в байты.

Описание DOWNLINK-пакета приведено в таблице 2. Значения параметров, приведенных в таблице 2. определены для диапазона рабочих температур от минус 40 *С до плюс 70 °С.

Таблица 2 — Основные технические характеристики DOWNLINK-пакета

Наименование параметра Значение (характеристика) параметра Полоса рабочих частот (суммарная полоса приема базовой станцией) 100 кГц Скорость передачи данных 200. 500, 5000, 57 600 бит/с Модуляция ФМн-2 Предельная чувствительность приема Минус 139 дБм Метод разделения каналов Частотно-временной Предельная пропускная способность приема DOWN- 10 Мбит/сут (при условии работы 100 % устройств на LINK-пакетов одной базовой станцией скорости DOWNLINK 57 600 бит/с) Коэффициент ошибочных пакетов Не более 5 %

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 МАС-уровень (Media Access Control layer, MAC)

6.1 Общие положения

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

Таблица 3 — Основные технические характеристики МАС-уровня

Наименование параметра Значение (характеристика) параметра Номерная емкость сети 4.3 млрд устройств Эффективные скорости передачи данных (UPLINK-пакет) 10. 80. 640.5120 бит/с Вид помехоустойчивого кодирования ZIGZAG Скорость помехоустойчивого кодирования 1/2 Длина полезных данных одного пакета 8 байт Эффективные скорости передачи данных (DOWNLINK-пакет) В зависимости от реализации конкретного радиотрансивера Вид помехоустойчивого кодирования (DOWNLINK-пакет) В зависимости от реализации конкретного радиотрансивера Скорость помехоустойчивого кодирования В зависимости от реализации конкретного радиотрансивера (1/2, 1/3 и т. п ) Длина полезных данных одного пакета От 8 до 128 байт Алгоритм шифрования полезных данных «Магма» Используемый размер ключа 256 бит Примечание — Вместо алгоритма шифрования «Магма» возможно использование другого алгоритма блочного симметричного шифрования со следующими параметрами размер блока данных — 64 бита, размер ключа — 256 бит. при наличии достаточных оснований для этого При этом использование других алгоритмов, не являющихся российским стандартом, может накладывать ограничения на сферу применения настоящего стандарта

6.3 DOWNLINK-пакет

Пакеты данного типа формируются при помощи аппаратной реализации используемого радиотрансивера. Внутри поля полезных данных пакета, сформированного средствами используемого радиотрансивера, долины быть размещены поле адреса, поле данных транспортного уровня и поле контрольной суммы. Структура поля данных транспортного уровня DOVWLINK-пакета приведена в таблице 5.

Таблица 5 — Структура поля данных транспортного уровня DOWNLINK-пакета

Node Ю Data (Данные) Payload CRC (Контрольная сумма полезных данных) (Идентификатор, присвоенный устройству) Header (Заголовок) Payload (Полезные данные) ID3 ID1 IDO CRC- 16 7 6 5 4—0 От 8 до 128 байт, блоками по 8 байт CRC-16 SYS ACK MULTI ITER

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)

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.З приложения Б.

6.4 Шифрование поля Payload

Шифрование данных должно быть выполнено как для UPLINK-пакетов, так и для DOWNLINK-пакетов. Для шифрования следует применять алгоритм «Магма» с использованием уникального для каждого устройства ключа длиной 256 бит.

Ключ шифрования может быть записан в устройство при производстве, выделен в процессе работы устройства или отсутствовать. Значение ключа, имеющее все нули или все единицы во всех 256 битах. означает отсутствие шифрования данных.

Ключ шифрования, выделенный устройству при производстве либо в процессе работы, также сохраняется на сервере. Наличие ключа шифрования на сервере обеспечивает возможность расшифровки поля Payload.

Шифрование поля Payload для DOWNLINK-пакетов выполняется по всей длине поля блоками по 8 байт.

Механизм выделения нового ключа шифрования МАС-уровня описан в разделе Г.7. приложения Г.

7 Транспортный уровень (Transport layer)

7.1 Общие положения

Транспортный уровень обеспечивает механизмы передачи пользовательских данных и управляющих команд между базовой станцией и устройствами в условиях нестабильной связи, реализуя следующие функции:

-    подтверждения доставки сообщений;

-    повторной отправки данных;