Интернет вещей (IoT) стал основной технологией для подключения различных устройств в таких областях, как потребление, промышленность, здравоохранение и умные города. Аналитики прогнозируют, что к 2030 году более 25 миллиардов устройств будут нуждаться в надежном и масштабируемом доступе к сети.
Задача состоит в том, как соединить эти устройства экономически эффективным,-энергосберегающим и стабильным способом. Традиционные беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee и LTE/5G, не могут полностью удовлетворить эти конкретные требования.
Обратите внимание:-Интернет вещей призван восполнить этот пробел. Обратите внимание: -IoT был определен 3GPP в LTERelease13 и постоянно оптимизировался в последующих версиях. Это глобальная сеть малой-мощности (LPWAN), работающая в лицензированном спектре. Обратите внимание:-Интернет вещей специально разработан для поддержки массовой коммуникации машинного-типа (mMTC). В настоящее время NB-IoT применяется в таких областях, как умные города, коммунальное хозяйство, логистика, сельское хозяйство и здравоохранение.
Проблемы подключения, с которыми сталкивается расширение Интернета вещей
Расширение развертывания Интернета вещей (iot) сталкивается с несколькими ключевыми проблемами:
Энергопотребление. Многие устройства Интернета вещей (iot) питаются от аккумулятора-, но обычно их устанавливают в местах, где замена аккумулятора обходится дорого или нецелесообразно. Этим устройствам требуется срок службы батареи от 5 до 10 лет в течение фактического цикла передачи.
Зона покрытия. Оборудование обычно устанавливается в подвалах, туннелях или сельской местности, где такие технологии, как Wi-Fi и Low Energy Bluetooth (BLE), не могут обеспечить надежное соединение. Поэтому широкое покрытие и возможность глубокого проникновения в помещения имеют жизненно важное значение.
Стоимость и масштабируемость. Развертывание в городах может включать сотни тысяч терминальных узлов. Модули оборудования должны быть недорогими (в однозначных числах долларов), а сеть должна поддерживать каждую базовую станцию для одновременного подключения десятков тысяч устройств.
Wi-Fi-потребляет слишком много энергии и не подходит для длительного-питания от аккумулятора. Дальность передачи BLE и Zigbee ограничена. Хотя LTE/5G имеет превосходную производительность, он не оптимизирован для типичного небольшого объема данных и низкочастотной-передачи многих приложений Интернета вещей.
Техническая основа NB-IoT
Примечание.-Интернет вещей основан на существующей инфраструктуре LTE, но упрощает ее, тем самым снижая сложность и энергопотребление. Он работает в трех режимах:
Автономный сетевой режим: развертывается в перераспределенном спектре GSM.
Внутри-режим: развертывается в блоке ресурсов существующего оператора LTE.
Режим защитной полосы: развертывается в неиспользуемых защитных полосах между операторами LTE.
Радиомодуль NB-IoT проще и дешевле, с полосой пропускания канала всего 180 кГц. Основные особенности включают в себя:
Расширенное покрытие: увеличенный бюджет канала связи позволяет ему работать в сложных условиях, таких как подвалы и отдаленные районы.
Режимы энергосбережения-(PSM и eDRX): устройство может сохранять статус регистрации в сети, но оставаться в спящем состоянии в течение длительного времени, просыпаясь только тогда, когда необходима передача данных. Это может снизить энергопотребление в режиме ожидания до уровня микроампер и продлить срок службы батареи более чем до 10 лет.
Эффективное планирование: использование узкополосной восходящей линии связи с повторением сигнала обеспечивает стабильную передачу небольших объемов данных (от байтов до килобайтов). Диапазон задержки составляет от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд, что подходит для большинства приложений телеметрии.
Плотность устройств. Одна ячейка NB-IoT может поддерживать до 50 000 устройств, что обеспечивает высокую-плотность городских сетей.
Безопасность. Обратите внимание:-IoT унаследовал мощную систему безопасности 3GPP, включая аутентификацию на основе SIM-карты-, шифрование и защиту целостности.
Пропускная способность: Скорость передачи данных составляет десятки кбит/с, оптимизирована для небольшой и нечастой передачи данных.
Практическое применение
Интеллектуальный учет
Коммунальные предприятия — одна из основных областей применения технологии NB-IoT. Счетчики воды и газа, поддерживающие NB-IoT, заменили ручное считывание показаний счетчиков и могут надежно передавать данные даже в глубоких помещениях, таких как подвалы. Это повышает точность выставления счетов, облегчает обнаружение утечек и максимально сводит к минимуму ручные операции. Vodafone и другие европейские операторы установили миллионы интеллектуальных счетчиков NB-IoT.
Отслеживание активов и логистика
Примечание.-Датчики Интернета вещей могут отслеживать местонахождение и состояние товаров, включая мониторинг окружающей среды. По сравнению с решениями, использующими только GPS, срок службы батареи этих датчиков значительно увеличен. Например, компания China Mobile внедрила технологию NB-IoT на тысячах грузовиков с холодильной цепью, что позволило сократить потери грузов более чем на 15 %.
Экологический мониторинг
Города развертывают датчики NB-IoT для мониторинга качества воздуха, шумового загрязнения и уровня воды. В Индии датчики уровня воды NB-IoT могут предупреждать о наводнениях, демонстрируя потенциал этой технологии с точки зрения низких затрат на обслуживание и развертывания в муниципальном-масштабе.
Интеллектуальная инфраструктура
Примечание.-Интернет вещей интегрируется в умные уличные фонари, паркоматы и мусорные баки. В Вене умные уличные фонари используют NB-IoT для регулировки освещения в зависимости от условий активности, тем самым снижая энергопотребление на 30 %. Умный мусорный бак оповестит службу вывоза мусора о его заполнении, тем самым оптимизируя маршрут и экономя топливо.
Здравоохранение и носимые устройства
Примечание.-Интернет вещей можно подключать к таким устройствам, как удаленные мониторы уровня глюкозы в крови, кардиостимуляторы и персональные аварийные кнопки. Пилотный проект телемедицины в сельской местности использует NB-IoT для мониторинга пациентов в районах с недостаточным покрытием широкополосной связи, тем самым снижая потребность пациентов в посещении больниц.
Сельское хозяйство
Датчики влажности почвы помогают фермерам составлять планы орошения, чтобы минимизировать потребление воды и повысить урожайность. Ошейники для скота могут отслеживать в реальном времени-местоположение и состояние здоровья животных, тем самым обеспечивая более эффективное управление стадом.
Сравнение с другими технологиями малой-глобальной сети (LPWAN)
LoRaWAN и Sigfox — две основные технологии LPWAN, работающие в нелицензионном спектре. LoRaWAN отлично подходит для развертывания в выделенных сетях, а Sigfox предлагает обширное покрытие через своих сетевых операторов. Однако по сравнению с технологией лицензированного использования спектра обе уязвимы к помехам и могут иметь ограничения с точки зрения пропускной способности восходящей линии связи и долгосрочной-поддержки со стороны операторов.
Напротив, NB-IoT использует лицензированный спектр, обеспечивая надежность операторского-уровня, глобальную стандартизацию и долгосрочную-поддержку со стороны операторов мобильных сетей, что соответствует направлению развития LTE-M и 5G. Таким образом, NB-IoT отлично подходит для общедоступных сетей, управляемых операторами, тогда как LoRaWAN обычно обеспечивает большую гибкость для сетей частных предприятий.
Аспекты инженерного проектирования
Обратите внимание:-IoT — это дополнение, а не замена других стандартов беспроводной связи, таких как BLE, Wi-Fi или Thread, и обычно сосуществует с ними в гибридных развертываниях. Инженеры должны взвесить преимущества и ограничения NB-IoT:
Задержка. Задержка в несколько секунд не применима к приложениям, требующим управления в-режиме реального времени.
Мобильность. Поддержка коммутации между-сотами ограничена, поэтому NB-IoT наиболее подходит для стационарных устройств или устройств с низкой-мобильностью.
Пропускная способность. Скорость передачи данных ограничена десятками кбит/с, поэтому она не подходит для приложений с большими-данными-объемами.
Зависимость от оператора: покрытие и функциональная доступность зависят от оператора и региона.
Эффективное развертывание Интернета вещей-требует особого внимания к следующим аспектам:
Химический состав аккумуляторов. Требуется тщательный выбор, например, использование литий-тионилхлоридных аккумуляторов-с длительным сроком службы или суперконденсаторов для обеспечения передачи импульсов мощности.
Конструкция антенны. Хотя можно использовать небольшие антенны, их необходимо тщательно отрегулировать при размещении под землей или в металлическом кожухе для достижения наилучших характеристик.
Выбор модуля: инженеры должны согласовать функции модуля и поддерживаемые диапазоны частот с инфраструктурой оператора сети.
Обновление встроенного ПО. Обновления по-по-беспроводной сети (OTA) должны выполняться поэтапно и эффективно для экономии энергии и пропускной способности.
Если вы разрабатываете новые интегральные схемы или модули NB-IoT, T2M имеет-верифицированную интеллектуальную собственность, что может сократить время вывода вашей продукции на рынок и снизить риски разработки.
Вопросы регулирования и развертывания
Примечание.-Интернет вещей использует лицензированный спектр и должен сотрудничать с операторами мобильных сетей. Инженеры должны быть знакомы с распределением спектра, местными правилами и разрешениями на развертывание. Лицензирование спектра обеспечивает предсказуемую производительность и снижает помехи, что является ключевым преимуществом по сравнению с не требующими разрешения решениями LPWAN. Кроме того, соглашения с операторами и гарантии уровня обслуживания имеют решающее значение для развертываний на уровне-критических городов-в таких отраслях, как коммунальные услуги, здравоохранение и промышленность.
Интеграция с новыми технологиями
Примечание.-Интернет вещей все чаще интегрируется с другими технологиями для создания мощных гибридных решений:
Гибридное соединение. Устройства могут использовать NB-IoT для доступа к облаку и комбинировать протоколы-ближнего радиуса действия, такие как BLE, Matter или Thread, для обеспечения совместимости локальных устройств.
Периферийный интеллект: обратите внимание:-устройства Интернета вещей, интегрированные с маломощными-ускорителями искусственного интеллекта, могут обрабатывать данные локально. Например, промышленные датчики вибрации могут анализировать шаблоны вибрации на-площадке и отправлять только аномальные оповещения, тем самым значительно экономя полосу пропускания.
Интеграция со спутниками. Обратите внимание:-модули Интернета вещей тестируются со спутниками на низкой околоземной орбите (НОО) для обеспечения связи для морских, горнодобывающих и удаленных сельскохозяйственных приложений.
Эволюция безопасности. Исследования в области пост-постквантовой криптографии направлены на разработку легких, квантовых-устойчивых алгоритмов, которые могут работать на устройствах NB-IoT, тем самым повышая способность сети противостоять возникающим угрозам.
Индустрия 4.0. Масштабируемость и высокая энергоэффективность NB-IoT позволяют создавать плотные сенсорные сети на «умных» заводах, включая датчики мониторинга состояния, счетчики электроэнергии и логистические теги.
Перспективы на будущее
Примечание.-Интернет вещей включен в дорожную карту 5G MTC, что обеспечивает его постоянное развитие и развитие. Интеграция с гибридными сетями, периферийными вычислениями, спутниковой связью и Индустрией 4.0 делает ее фундаментальной технологией для масштабируемой экосистемы Интернета вещей с низким энергопотреблением. Ожидается, что по мере того, как города и отрасли внедрят более интеллектуальную инфраструктуру, NB-Интернет вещей, как ожидается, в ближайшие десятилетия станет мощным и экономически-эффективным решением для подключения.
Применение NB-IoT в крупномасштабном-развертывании Интернета вещей
Обратите внимание:-Интернет вещей специально разработан для удовлетворения основных требований крупномасштабных-приложений Интернета вещей: высокая энергоэффективность, широкий охват, крупномасштабная-масштабируемость и надежная безопасность. Он заполняет ключевой пробел между традиционными беспроводными протоколами и собственными LPWAN, предоставляя глобально стандартизированные решения операторского уровня-.
Его практическое применение в таких областях, как интеллектуальные измерения, мониторинг окружающей среды, логистика, здравоохранение и сельское хозяйство, доказало свою эффективность в различных сценариях применения. Несмотря на свои ограничения с точки зрения задержки, мобильности и пропускной способности, NB-IoT остается важной дополнительной технологией для построения крупномасштабных-энергоэффективных-и безопасных сетей Интернета вещей.
Учитывая, что к сети подключены миллиарды устройств, инженерам, разрабатывающим стабильные и ориентированные на будущее системы, крайне важно понимать преимущества и недостатки, технологии развертывания и потенциал интеграции NB-IoT.
