Czym jest wąskopasmowy IoT (NB-IoT)?

Czym jest NB-IoT?

Wraz z wprowadzeniem niekomórkowych LPWAN (Low Power Wide Area Network), takie jak LoRa oraz SigfoxBranża komórkowa odpowiedziała na te pojawiające się technologie za pomocą NB-IoT (Narrowband Internet of Things) dla aplikacji IoT i M2M (Machine-to-Machine). Został on wprowadzony jako część wydania (13) organu ds. standardów komórkowych 3GPP, który jest również znany jako LTE CAT-NB. Głównym celem wprowadzenia NB-IoT było wprowadzenie długiego czasu pracy na baterii, niskiego opóźnienia, niskiego poboru mocy i lepszego zasięgu wewnątrz budynków. Inną interesującą cechą wdrożeń NB-IoT jest możliwość współistnienia z 2G, 3G i LTE. 4G sieci komórkowych, również 3GPP wprowadziła już przepisy dotyczące włączenia NB-IoT do 5G standardy. Przejdźmy teraz do bardziej szczegółowych informacji na temat działania NB-IoT i jego funkcji.

Jak to działa?

NB-IoT wykorzystuje mobilną sieć nośną do transmisji danych. Dane z czujników są zbierane i przesyłane do węzłów transmisyjnych lub stacji bazowych NB-IoT. Te węzły transmisyjne są podłączone do Brama IoT i serwery aplikacji w chmurze IoT do dalszego przetwarzania.

Istnieją trzy główne tryby operacyjne wdrażania NB-IoT, a mianowicie: In-band, Guard-band i Standalone. W trybie pracy w paśmie, pojedynczy blok źródłowy o szerokości pasma 180 KHz w przydzielonym paśmie GSM jest używany dla NB-IoT. Pasmo ochronne to miejsce, w którym nośna NB-IoT jest transmitowana przez wykorzystanie nieużywanego pasma ochronnego w ramach nośnej LTE. Wreszcie, nośna NB-IoT jest transmitowana jako samodzielna nośna w trybie pracy autonomicznej.

Tryb pracy autonomicznej zapewnia najlepszą wydajność, ale jednak większość wdrożonych przypadków użycia wykorzystuje tryb pracy w paśmie ochronnym, co z drugiej strony wpływa na wydajność LTE. Ta druga metoda jest jednak prawdopodobnie bardziej opłacalna. Z drugiej strony, tryb pracy w paśmie ogranicza wydajność zarówno LTE, jak i NB-IoT, ponieważ pakuje nośną NB-IoT w przydzielone widmo LTE.

Transmisja danych z NB-IoT w kanale uplink odbywa się wydajnie, ponieważ NB-IoT jest półdupleksem. W tym przypadku najpierw nawiązywane jest połączenie z siecią komórkową, następnie następuje alokacja zasobów sieciowych do węzła, a na końcu odbywa się transmisja danych. Kontynuując proces, urządzenie będzie początkowo odłączone od sieci, dopóki nie będzie miało danych do przesłania. Po nawiązaniu połączenia urządzenie utrzymuje kontrolę zasobów radiowych (RRC) przez konfigurowalny czas, aż RRC będzie bezczynne, a następnie rozłączy się. NB-IoT umożliwił imm natychmiastowe zakończenie połączenia po otrzymaniu potwierdzenia danych, zmniejszając nadmierne zużycie energii odziedziczone w sieciach LTE, które zakładają aktywne połączenia. Ponadto, w celu wysyłania danych do aplikacji, w NB-IoT zdefiniowano dwie optymalizacje dla komórkowego Internetu rzeczy (CIoT) w Evolved Packet System (EPS), które są stosowane do płaszczyzny użytkownika i płaszczyzny sterowania.

Funkcje i zalety NB-IoT

Przyjrzyjmy się teraz kilku interesującym funkcjom i zaletom NB-IoT.

• Niskie zużycie energii: NB-IoT zmniejsza zużycie energii przez zasilane bateryjnie węzły brzegowe, wykorzystując funkcje takie jak tryb oszczędzania energii (PSM) i rozszerzony odbiór nieciągły (eDRX). PSM to funkcja urządzenia użytkownika (UE), w której UE zgłasza, jak często i jak długo musi być aktywna w celu przesyłania danych. Jest to podobne do wyłączania zasilania, ale UE pozostanie zarejestrowany w sieci, co eliminuje potrzebę ponownego nawiązywania połączenia. eDRX jest rozszerzoną funkcją już istniejącej funkcji nieciągłego odbioru (DRX) w LTE, w której UE jest odłączony od sieci na niezauważalny okres czasu. Obie te funkcje mają na celu zapewnienie ponad 10-letniej żywotności baterii dla urządzeń węzłów brzegowych o pojemności baterii 5 Wh.
•  Lepszy zasięg: maksymalna utrata sprzężenia (MCL) dla NB-IoT wynosi 164 dB, umożliwiając głęboki zasięg w tunelach, piwnicach, obszarach wiejskich i otwartych środowiskach. Jest to poprawa o 20 dB w stosunku do LTE i 7-krotny wzrost obszaru zasięgu.
• Niski koszt urządzeń o niskiej szybkości transmisji danych: Ze względu na mniejszą złożoność urządzeń, ich ceny wahały się w okolicach $6 za moduł. Innym czynnikiem, który przyczynia się do mniejszej złożoności urządzeń, jest tryb komunikacji półdupleksowej comm wdrożony w NB-IoT.
•  Możliwość podłączenia ogromnej liczby urządzeń o niskiej przepustowości: Obsługa co najmniej 50 000+ podłączonych urządzeń w jednym sektorze sieci komórkowej. Przewidywana szybkość transmisji danych dla łącza w górę i w dół wynosi około 160 bps.
• Węższe kanały: Szerokość kanału dla NB-IoT wynosi 180 kHz. Zmniejsza to złożoność projektu urządzenia, a także zmniejsza moc i koszt urządzeń. NB-IoT przypisuje każdemu UE jedną lub więcej podnośnych 15 kHz w przydzielonym bloku zasobów 180 kHz. Istnieje możliwość zawężenia tej częstotliwości do 3,75 kHz, co pozwala większej liczbie urządzeń na współdzielenie przestrzeni.
• Mniejsze opóźnienia: NB-IoT dąży do opóźnień poniżej 10 sekund.
• Zwiększona przepustowość: Funkcje takie jak optymalizacja sygnalizacji, transmisja wąskopasmowa, hybrydowe automatyczne żądanie powtórzenia (HARQ) i modulacja adaptacyjna umożliwiają podłączenie milionów urządzeń NB-IoT na danym obszarze.
• Dziedziczone zabezpieczenia: NB-IoT dziedziczy funkcje bezpieczeństwa z funkcji bezpieczeństwa LTE, w tym uwierzytelnianie oparte na karcie SIM.
• Brak mobilności: NB-IoT nie obsługuje przekazywania, a zatem musi pozostać powiązany z jedną komórką lub pozostać nieruchomy.

Zastosowanie NB-IoT

Poniżej wymieniono niektóre z interesujących obszarów zastosowań NB-IoT:

• Inteligentne systemy pomiarowe: Ze względu na zwiększone możliwości penetracji i zwiększony zasięg NB-IoT, dobrze nadaje się do podziemnych systemów pomiarowych i zdalnych systemów pomiarowych.
• Mniej mobilne śledzenie: NB-IoT jest idealny do śledzenia mniej mobilnych asystentów, gdzie mobilność jest mniejsza.
• Inteligentne miasta: NB-IoT może łączyć ze sobą miliony urządzeń o niskiej przepustowości, co ma kluczowe znaczenie w projektowaniu bardziej złożonych systemów, takich jak inteligentne miasta.
• Inteligentne budynki i przemysłowe aplikacje IoT (IIoT): NB-IoT może monitorować dane środowiskowe i konserwacyjne za pośrednictwem ustanowionych połączeń szerokopasmowych w budynkach i fabrykach.

Kiedy warto rozważyć NB-IoT?

NB-IoT dobrze nadaje się do uśpionych urządzeń o niskim zużyciu energii. Jest również odpowiedni dla IoT i M2M Przypadki użycia, w których wymagane są niskie szybkości transmisji danych i mniejsza mobilność przy niskich kosztach, silnym zasięgu i dużej gęstości podłączonych urządzeń dla danego zakresu działania. Według [1], największy udział w rynku NB-IoT w Europie mają odpowiednio sektory infrastruktury i rolnictwa, a następnie motoryzacja i opieka zdrowotna. Daje to wyobrażenie o tym, kiedy warto rozważyć NB-IoT w swojej aplikacji.

NB-IoT vs LTE-M

Zarówno NB-IoT, jak i LTE-M zostały wprowadzone w 2016 roku przez 3GPP Release 13. Po pierwsze, LTE-M zapewnia wyższe prędkości transmisji danych i niższe opóźnienia niż NB-IoT. Ponadto LTE-M może obsługiwać zarówno komunikację głosową, jak i transmisję danych, podczas gdy NB-IoT może obsługiwać tylko transmisję danych. Co więcej, ze względu na odziedziczenie po LTE, LTE-M jest wyposażony w możliwość roamingu out-of-box, umożliwiając wykorzystanie w większej liczbie aplikacji mobilnych.

NB-IoT zapewnia jednak większy zasięg i zdolność penetracji niż LTE-M. Ponadto NB-IoT ma wsteczną kompatybilność z sieciami komórkowymi 2G i 3G, co jest wadą LTE-M, ponieważ te sieci komórkowe są nadal w powszechnym użyciu. Wreszcie, NB-IoT jest bardziej opłacalną alternatywą dla LTE-M ze względu na niską przepustowość i niskie szybkości transmisji danych.

Sprawdź Różnica między NB-IoT a LoRa w IoT, jeśli jesteś zainteresowany.

Wnioski

Według [1], globalny rynek NB-IoT jest wyceniany na 578,0 mln USD w 2018 roku i oczekuje się, że będzie rósł w tempie 3GPP wprowadziła już przepisy dotyczące NB-IoT również w łączności komórkowej 5G. Umożliwi to większy zasięg i wiele połączonych ze sobą urządzeń, prowadząc do masowych wdrożeń IoT. Dlatego warto rozważyć NB-IoT w statycznej aplikacji IoT o niskim poborze mocy.