A dolgok internete (IoT) a különféle eszközök összekapcsolásának alapvető technológiájává vált olyan területeken, mint a fogyasztás, az ipar, az egészségügy és az intelligens városok. Elemzők azt jósolják, hogy 2030-ra több mint 25 milliárd eszköz igényel megbízható és méretezhető hálózati hozzáférést.
Kihívást jelent, hogyan lehet ezeket az eszközöket gazdaságilag hatékony,{0}}energiatakarékos és stabil módon összekapcsolni. A hagyományos vezeték nélküli technológiák, például a Wi-Fi, a Bluetooth, a Zigbee és az LTE/5G nem képesek teljes mértékben megfelelni ezeknek a speciális igényeknek.
Megjegyzés-Az IoT célja, hogy áthidalja ezt a szakadékot. Megjegyzés-Az IoT-t a 3GPP definiálta az LTERelease13-ban, és a következő verziókban folyamatosan optimalizálták. Ez egy alacsony-teljesítményű nagy kiterjedésű hálózat (LPWAN), amely licencelt spektrumon működik. Megjegyzés-Az IoT kifejezetten a masszív gépi-típusú kommunikáció (mMTC) támogatására készült. Jelenleg az NB{11}}IoT-t olyan területeken alkalmazzák, mint az intelligens városok, a közművek, a logisztika, a mezőgazdaság és az egészségügy.
A kapcsolódási kihívások, amelyekkel a tárgyak internete terjedése szembesül
A tárgyak internete (iot) elterjedése számos kulcsfontosságú kihívással néz szembe:
Energiafogyasztás: Sok Internet of Things (iot) eszköz akkumulátorról{0}} működik, de általában olyan helyekre telepítik, ahol az akkumulátor cseréje költséges vagy nem praktikus. Ezeknek az eszközöknek az akkumulátor élettartama 5-10 év a tényleges átviteli ciklus alatt.
Lefedettségi terület: A berendezést általában pincékben, alagutakban vagy vidéki területeken telepítik, ahol az olyan technológiák, mint a Wi-Fi és a Low Energy Bluetooth (BLE) nem tudnak megbízható kapcsolatot biztosítani. Ezért a kiterjedt lefedettség és a mély beltéri behatolási képesség létfontosságú.
Költség és méretezhetőség: A városi telepítés több százezer terminálcsomópontot érinthet. A berendezésmoduloknak olcsónak kell lenniük (egy-számjegyű dollárban), és a hálózatnak támogatnia kell az egyes bázisállomásokat több tízezer eszköz egyidejű csatlakoztatásához.
A Wi-Fi túl sok energiát fogyaszt, és nem alkalmas hosszú távú- akkumulátoros tápellátásra. A BLE és a Zigbee átviteli távolsága korlátozott. Bár az LTE/5G kiváló teljesítményt nyújt, nem lett optimalizálva sok Internet of Things alkalmazás jellemzően alacsony adatmennyiségére és alacsony{5}}frekvenciájára.
Az NB-IoT technikai alapjai
Megjegyzés-Az IoT a meglévő LTE infrastruktúrán alapul, de leegyszerűsíti azt, ezáltal csökkenti a bonyolultságot és az energiafogyasztást. Három üzemmódban működik:
Önálló hálózati mód: az átcsoportosított GSM-spektrumban telepítve.
Sáv-módban: egy meglévő LTE-szolgáltató erőforrásblokkjában van telepítve.
Védelmi sáv mód: Az LTE szolgáltatók közötti, használaton kívüli védelmi sávokban van telepítve.
Az NB-IoT rádiómodul egyszerűbb és olcsóbb, mindössze 180 kHz-es csatornasávszélességgel. A főbb jellemzők a következők:
Bővített lefedettség: A továbbfejlesztett link-költségvetés lehetővé teszi, hogy összetett környezetben, például pincékben és távoli területeken is működjön.
Energiatakarékos-módok (PSM és eDRX) : Az eszköz megőrizheti hálózati regisztrációs állapotát, de hosszú ideig nyugalmi állapotban marad, és csak akkor ébred fel, ha adatátvitelre van szükség. Ez az üresjárati energiafogyasztást mikroamper szintre csökkentheti, és az akkumulátor élettartamát több mint 10 évre növelheti.
Hatékony ütemezés: A keskeny sávú felfelé irányuló kapcsolat jelismétléssel biztosítja a kis adatmennyiségek (byte-ok-kilobyte) stabil átvitelét. A késleltetési tartomány több száz milliszekundumtól néhány másodpercig terjed, ami a legtöbb telemetriai alkalmazáshoz megfelelő.
Eszközsűrűség: Egyetlen NB-IoT-cella akár 50 000 eszközt is támogathat, így lehetővé válik a nagy-sűrűségű városi telepítés.
Biztonság: NB-Az IoT örökli a hatékony 3GPP biztonsági keretrendszert, beleértve a SIM-kártya-alapú hitelesítést, titkosítást és integritásvédelmet.
Átviteli sebesség: Az adatátviteli sebesség több tíz kbps, kis és ritka adatátvitelre optimalizálva.
Gyakorlati alkalmazás
Intelligens mérés
A közszolgáltató cégek az NB-IoT technológia egyik fő alkalmazási területei. Az NB-IoT-t támogató vízmérők és gázmérők felváltották a kézi mérőleolvasást, és megbízhatóan továbbíthatják az adatokat még mély beltéri területeken is, például pincékben. Ez javítja a számlázás pontosságát, megkönnyíti a szivárgás észlelését, és a lehető legnagyobb mértékben minimalizálja a kézi műveleteket. A Vodafone és más európai szolgáltatók több millió NB-IoT okosmérőt telepítettek.
Eszközkövetés és logisztika
Megjegyzés-Az IoT-érzékelők nyomon követhetik az áruk helyét és állapotát, beleértve a környezeti megfigyelést is. A kizárólag GPS-t használó megoldásokhoz képest ezeknek az érzékelőknek az akkumulátor élettartama jelentősen megnőtt. A China Mobile például több ezer hidegláncos teherautón telepítette az NB-IoT technológiát, így több mint 15%-kal csökkentette a rakományveszteséget.
Környezeti monitoring
A városok NB-IoT-érzékelőket telepítenek a levegőminőség, a zajszennyezés és a vízszint figyelésére. Indiában az NB-IoT vízszint-érzékelők árvízriasztást adhatnak, demonstrálva e technológiában rejlő lehetőségeket az alacsony karbantartási költségek és az önkormányzati-léptékű telepítés terén.
Intelligens infrastruktúra
Megjegyzés-Az IoT-t integrálják az intelligens utcai lámpákba, parkolóórákba és szemeteskukákba. Bécsben az intelligens utcai lámpák NB-IoT segítségével állítják be a világítást a tevékenység körülményei szerint, ezáltal 30%-kal csökkentik az energiafogyasztást. Az intelligens kuka értesíti a szemétszállítási szolgálatot, ha megtelik, ezáltal optimalizálja az útvonalat és üzemanyagot takarít meg.
Egészségügyi és hordható eszközök
Megjegyzés-Az IoT csatlakoztatható olyan eszközökhöz, mint a távoli vércukormérők, szívritmus-szabályozók és személyes vészhelyzeti gombok. A vidéki távorvoslás kísérleti projektje az NB-IoT segítségével figyeli a betegeket a nem megfelelő szélessávú lefedettséggel rendelkező területeken, ezáltal csökkentve a betegek kórházi látogatásának szükségességét.
Mezőgazdaság
A talajnedvesség-érzékelők segítik a gazdálkodókat az öntözési tervek elkészítésében a vízhasználat minimalizálása és a terméshozam növelése érdekében. Az állattartó nyakörvek valós idejű-követhetik az állatok helyét és egészségi állapotát, ezáltal hatékonyabb állománykezelést tesznek lehetővé.
Összehasonlítás más alacsony fogyasztású-nagy kiterjedésű hálózati (LPWAN) technológiákkal
A LoRaWAN és a Sigfox két fő LPWAN technológia, amelyek licenc nélküli spektrumban működnek. A LoRaWAN kiválóan alkalmas dedikált hálózatokban történő telepítésre, míg a Sigfox kiterjedt lefedettséget kínál hálózatüzemeltetőin keresztül. A licencelt spektrumtechnológiához képest azonban mindkettő érzékeny az interferenciára, és korlátozottak lehetnek a felfelé irányuló kapcsolati kapacitás és a hosszú távú -szolgáltatói támogatás tekintetében.
Ezzel szemben az NB-IoT licencelt spektrumot használ, amely szolgáltatói-szintű megbízhatóságot, globális szabványosítást és hosszú távú Ezért az NB-IoT kiválóan alkalmas az üzemeltetők által kezelt nyilvános hálózatokhoz, míg a LoRaWAN jellemzően nagyobb rugalmasságot kínál a magánvállalati hálózatok számára.
Mérnöki tervezési szempontok
Megjegyzés-Az IoT inkább kiegészíti, semmint helyettesíti más vezeték nélküli szabványokat, például a BLE-t, a Wi-Fi-t vagy a Thread-et, és általában együtt létezik ezekkel a hibrid telepítésekben. A mérnököknek mérlegelniük kell a NB-IoT előnyeit és korlátait:
Késleltetés: A néhány másodperces késleltetés nem vonatkozik azokra az alkalmazásokra, amelyek valós idejű{0}}vezérlést igényelnek.
Mobilitás: A cellák közötti váltás-támogatása korlátozott, ezért NB-az IoT a legalkalmasabb a fix vagy alacsony{2}}mobilitású eszközökhöz.
Átviteli sebesség: Az adatátviteli sebesség több tíz kbps-ra van korlátozva, ezért nem alkalmas nagy-adat-mennyiségű alkalmazásokhoz.
Operátorfüggőség: A lefedettség és a funkcionális elérhetőség operátoronként és régiónként eltérő.
A hatékony NB{0}}IoT bevezetése különös figyelmet igényel a következő szempontokra:
Az akkumulátor kémiája: Gondosan kell kiválasztani, például hosszú élettartamú-lítium-tionil-klorid akkumulátorok vagy szuperkondenzátorok használata a teljesítményimpulzusok átviteléhez.
Antenna kialakítása: Bár kisméretű antennák is használhatók, gondosan be kell állítani őket, ha a föld alatt vagy fém burkolatban helyezik el őket a legjobb teljesítmény elérése érdekében.
Modul kiválasztása: A mérnököknek össze kell hangolniuk a modul funkcióit és a támogatott frekvenciasávokat a hálózat üzemeltetőjének infrastruktúrájával.
Firmware frissítés: Az éteren keresztüli--OTA (OTA) frissítéseket fokozatosan és hatékonyan kell végrehajtani az energia és a sávszélesség megtakarítása érdekében.
Ha új NB{0}}IoT integrált áramköröket vagy modulokat fejleszt, a T2M szilícium{2}}ellenőrzött IP-címmel rendelkezik, ami lerövidítheti termékei piacra kerülésének idejét és csökkentheti a fejlesztési kockázatokat.
Szabályozási és telepítési szempontok
Megjegyzés-Az IoT licencelt spektrumot használ, és együtt kell működnie a mobilhálózat-szolgáltatókkal. A mérnököknek ismerniük kell a spektrumkiosztást, a helyi előírásokat és a telepítési engedélyeket. A spektrumlicenc biztosítja a kiszámítható teljesítményt és csökkenti az interferenciát, ami kulcsfontosságú előnye az engedély nélküli LPWAN megoldásokkal szemben. Ezenkívül az üzemeltetői megállapodások és a szolgáltatási szintre vonatkozó garanciák kulcsfontosságúak a küldetés -kritikus városi-szintű telepítéséhez olyan iparágakban, mint a közművek, az egészségügy és az ipar.
Integráció a feltörekvő technológiákkal
Megjegyzés-Az IoT egyre inkább integrálódik más technológiákkal, hogy hatékony hibrid megoldásokat hozzon létre:
Hibrid kapcsolat: Az eszközök használhatják az NB-IoT-t a felhőalapú hozzáféréshez, és rövid-hatótávolságú protokollokat (például BLE, Matter vagy Thread) kombinálhatnak a helyi eszközök együttműködési képességének elérése érdekében.
Edge intelligencia: NB-Az alacsony-teljesítményű AI-gyorsítókkal integrált IoT-eszközök helyileg is képesek feldolgozni az adatokat. Például az ipari rezgésérzékelők képesek elemezni a vibrációs mintákat a helyszínen,-és csak rendellenes riasztásokat küldhetnek, ezáltal jelentősen megtakaríthatják a sávszélességet.
Műholdas integráció: Megjegyzés-Az IoT-modulokat alacsony Föld körüli pályával (LEO) tesztelik, hogy kapcsolatot biztosítsanak a tengeri, bányászati és távoli mezőgazdasági alkalmazásokhoz.
Biztonsági fejlődés: A poszt{0}}kvantumkriptográfiával kapcsolatos kutatások célja könnyű, kvantum-rezisztens algoritmusok kifejlesztése, amelyek NB-IoT-eszközökön is futhatnak, ezáltal javítva a hálózat azon képességét, hogy ellenálljon a felmerülő fenyegetéseknek.
Ipar 4.0: Az NB-IoT méretezhetősége és nagy energiahatékonysága lehetővé teszi, hogy sűrű szenzorhálózatokat építsen ki intelligens gyárakban, beleértve az állapotfigyelő érzékelőket, a villamosenergia-mérőket és a logisztikai címkéket.
Jövőbeli kilátások
Megjegyzés-Az IoT bekerült az 5G MTC ütemtervébe, biztosítva annak folyamatos fejlesztését és fejlődését. A hibrid hálózatokkal, az élvonalbeli számítástechnikával, a műholdas kapcsolattal és az Ipar 4.0-val való integrációja alapvető technológiává teszi a méretezhető, alacsony fogyasztású dolgok internete ökoszisztémájában. Ahogy a városok és iparágak intelligensebb infrastruktúrát alkalmaznak, az elkövetkező évtizedekben az IoT várhatóan hatékony és költséghatékony{7}}kapcsolati megoldássá válik.
Az NB{0}}IoT alkalmazása nagy-léptékű iot bevezetésben
Megjegyzés-Az IoT kifejezetten úgy lett megtervezve, hogy megfeleljen a nagy-tárgyak internet-alkalmazásainak alapvető követelményeinek: magas energiahatékonyság, széles lefedettség, nagy-skálázhatóság és erős biztonság. A hagyományos vezeték nélküli protokollok és a szabadalmaztatott LPWAN közötti kulcshiányt pótolja azáltal, hogy szolgáltatói szintű, globálisan szabványosított megoldásokat kínál.
Gyakorlati alkalmazása olyan területeken, mint az intelligens mérés, a környezeti monitoring, a logisztika, az egészségügy és a mezőgazdaság számos alkalmazási forgatókönyvben bizonyította hatékonyságát. A várakozási idő, a mobilitás és az átviteli sebesség tekintetében fennálló korlátai ellenére az NB-IoT továbbra is fontos kiegészítő technológia a nagy-léptékű, energiahatékony-dolgok internet-hálózatainak kiépítéséhez.
Mivel több milliárd eszköz csatlakozik a hálózathoz, döntő fontosságú, hogy a stabil és jövőorientált{0}}rendszereket fejlesztő mérnökök megértsék az NB-IoT előnyeit és hátrányait, telepítési technológiáit és integrációs potenciálját.
