reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© MICRODIS Technologie | 23 stycznia 2017

Narrow Band IoT - moda czy rewolucja?

Twórcy globalnych standardów transmisji danych przez lata myśleli raczej o systemach konsumenckich, przeznaczonych dla człowieka, niż o maszynowych zastosowaniach przemysłowych. Smartfony, tablety, laptopy itp. otrzymały efektywnie działający system przesyłania głosu i danych. Szybka sieć 4G/LTE Cat.4 oraz WiFi zapewniają dostęp do chmury, a Bluetooth Classic - lokalną transmisję dźwięku. Technologie te nie do końca spełniają jednak wymogi komunikacji pomiędzy maszynami, głównie ze względu na wysokie zużycie energii oraz koszty podzespołów.
Rozwiązaniem dla wielu aplikacji przemysłowych stała się komunikacja dwuetapowa:

Etap 1 – energooszczędna, oparta na tanich podzespołach komunikacja pomiędzy urządzeniem a koncentratorem (Gateway na rys. 1). Niestety, przez lata nie dopracowano na tyle funkcjonalnego standardu, aby stał się dominujący. Dopiero ostatnio pojawił się Bluetooth Low Energy (BLE), w nowej wersji 4.2 spełniający wymogi wielu aplikacji.

Etap 2 – koncentrator, czy brama (Gateway)– zbierający dane z lokalnych urządzeń i przekazujące je do chmury.


Tablet lub smartfon często spełniają rolę koncentratora, oraz interfejsu dla użytkownika. Każda z dostępnych w nich technologii ma jednak swoje wady:
⦁ Bluetooth Low Energy (BLE) – oferuje ograniczoną szybkość wymiany danych
⦁ Bluetooth Classic – przesyłanie danych jest zablokowane przez niektórych producentów, a w przypadku iOS kłopotliwe (wymaga podpisania umowy z Apple)
⦁ WiFi – działa ze wszystkimi telefonami, ale zużywa dużo energii
Dlatego, popularne stają się rozwiązania wielosystemowe, czego przykładem może być rodzina modułów ODIN-W2 firmy u-blox (rys.2).


Rys. 2 Moduł ODIN-W262, obsługa WiFi, BLE i Bluetooth Classic, wbudowana antena

ODIN-W2 umożliwia równoległą pracę z WiFi, BLE i Bluetooth Classic, połączy się więc z tabletem czy smartfonem, niezależnie od preferowanego standardu. Może też spełniać rolę koncentratora, utrzymując połączenie z chmurą poprzez WiFi.


Bezpośredni dostęp do chmury

Dwuetapowa realizacja dostępu do chmury jest kłopotliwa, i wymuszona brakiem odpowiednich technologii dostępu bezpośredniego.
Typowe rozwiązania, zapewniające bezpośrednią komunikację urządzenia, to 2G/GPRS oraz 3G/UMTS. Koszt modułów wspierających ten standard jest w wielu przypadkach akceptowalny, pozostają jednak znaczące wady:
⦁ wysokie zużycie energii
⦁ problemy z zasięgiem sieci przy instalacji urządzenia np. w piwnicy

Coraz szybsze technologie – jak LTE Cat 4 i LTE Cat. 6, też nie są optymalne w przypadku wielu zastosowań IoT. Bardzo szybki transfer danych najczęściej nie jest wymagany w aplikacjach przemysłowych. W przeciwieństwie do niskiego poboru energii oraz niskich kosztów podzespołów, których te standardy nie spełniają.

Dodatkowo – krytycznym parametrem, zwłaszcza ostatnio, jest zapewnienie dostępności do sieci. Inwestując w infrastrukturę, trzeba brać pod uwagę jak długo sieci 2G/GPRS będą dostępne. Zwłaszcza, że operatorzy przestają finansować nie tylko ich rozwój, ale także utrzymanie, koncentrując sią na technologii LTE.

Rozważając nowe wdrożenia stajemy przed dość dramatycznym wyborem:
⦁ standard 2G/GPRS, z modułem za kilka Euro, który prawdopodobnie za jakiś czas trzeba będzie wymienić na moduł LTE
albo
⦁ standard 4G, z modułem LTE Cat.4, który zapewnia dostępność sieci przez dłuższy czas, ale jest wielokrotnie droższy od modułu 2G

Problem dostrzegli producenci podzespołów, którzy koncentrują się na obsłudze rynku przemysłowego, a ich inwestycje w nowe rodziny produktów właśnie się materializują. Równolegle do LTE coraz wyższych kategorii, powstała druga gałąź rozwoju - LTE niższych kategorii, przedstawiona na rysunku 3.


Rys. 3 Strategia rozwoju technologii komórkowej dla IoT według firmy u-blox

Są to produkty spełniające kluczowe dla IoT założenia:
⦁ pracują w standardzie LTE, gwarantując globalny i wieloletni dostęp do sieci
⦁ umożliwiają obsługę dużej ilości urządzeń w jednej komórce sieci
⦁ koszt jest niższy od produktów LTE Cat.4

Ewolucję standardu LTE dobrze widać na przykładzie portfolio firmy u-blox, znanej z produkcji modułów przeznaczonych na przemysłowy rynek M2M, IoT czy jeśli ktoś woli IoE.

SARA-G - 2G/GPRS, dla aplikacji które powstaną w najbliższym czasie i wymagają optymalizacji kosztów. Jednak standard 2G nie jest już dostępny w niektórych rejonach świata.
SARA-U – 3G/UMTS, oferuje globalny zasięg (najmniejszy, wielopasmowy moduł SARA-U201), przy zachowaniu optymalizacji kosztów.
LARA-R – LTE Cat. 1, pierwszy krok w celu zapewnienia wieloletniego dostępu do sieci. Standard jest dostępny od zaraz, cena jest niższa od modułów LTE Cat.4, ale wciąż znacząco wyższa od 2G/3G. Dla aplikacji w których już teraz wymaga się dostępu do sieci przez długie lata.
SARA-R – LTE Cat. M1, cenowo zbliżone do modułów 2G/GPRS, ale pracujące w sieci LTE. Standard jeszcze niedostępny w sieciach komórkowych, dlatego to rozwiązanie przyszłościowe, ale ważne w portfolio już dzisiaj.
Wszystkie moduły są pinowo zgodne (rys.4), inwestując w nowy produkt można więc stworzyć platformę obsługującą dzisiaj 2G/3G albo LTE Cat.1, a jutro LTE Cat. M1.


Rys. 4 Portfolio pinowo zgodnych modułów komórkowych dla IoT

Opisane produkty nazwałem ewolucją – ponieważ są rozwinięciem już dobrze znanego standardu LTE. Zapewniają wieloletni dostęp do sieci, ale nie spełniają pozostałych wymogów wspomnianych na wstępie – niskiego zużycia energii, oraz pracy ze słabym sygnałem np. w piwnicy. To wymaga rewolucji.

Narrow Band IoT (LTE Cat.NB1) - rewolucja czy kolejna moda ?

Narrow Band IoT, przez 3GPP nazwany LTE Cat.NB1, nie jest ewolucją 4G/LTE, to zupełnie nowy standard. Oferuje ekstremalnie niskie zużycie energii (10 lat działania na baterii), oraz pracę z sygnałem o ok. 23dB słabszym niż w przypadku 2G (np. praca w piwnicy ok. dwa poziomy niżej niż moduł 2G) . Dodatkowo, działa w licencjonowanym paśmie, zapewniając nie tylko globalny zasięg w sieciach LTE, ale gwarantowaną jakość sygnału. W wielu przypadkach pozwoli zastąpić rozwiązania, które powstawały z powodu braku takiej technologii, a wymagają budowy lokalnych sieci, jak LoRa czy SigFox.


Rys. 5 Kluczowe cechy standardu Narrow Band IoT

NBIoT to nie tylko kolejne hasło, to prawdziwa rewolucja, to technologia otwierająca bezpośredni dostęp do internetu masowym aplikacjom przemysłowym. Parametry modułów LTE Cat.NB1 umożliwiają ich wbudowanie bezpośrednio w urządzenia końcowe, zamiast komunikacji dwuetapowej i rezygnację z koncentratorów.
LTE Cat.NB1 nie ma zastąpić dotychczasowych technologii. Wiele aplikacji wymaga funkcjonalności niedostępnych w tym standardzie (jak komunikacja głosowa, czy krótki czas przesłania danych przez sieć), oferowanych w 2G/3G, albo LTE Cat.1 i LTE Cat. M1. Ale to rewolucja, która zoptymalizuje niektóre aplikacje już istniejące – jak liczniki zużycia wody, gazu, energii – oraz otworzy nowe możliwości i zastosowania. Dlatego ważna jest dostępność modułów w obudowach stosowanych w pozostałych standardach. SARA-N na rysunku 4 to właśnie pierwsze moduły obsługujące standard LTE Cat.NB1.

Co ważne, nie rozważamy czysto teoretycznej implementacji LTE NB1. Wspomniana firma u-blox już w roku 2015 przeprowadziła z sukcesem pierwsze, testowe instalacje NBIoT. Zdjęcie 1 przedstawia przykład licznika zużycia wody, ze zdalnym odczytem, instalowanego wewnątrz budynków.


Zdjęcie 1 Licznik zużycia wody z modułem NBIoT firmy u-blox, instalacja z 2015r.
Aktualnie wyprodukowano kolejną serię prototypowych modułów SARA-N (rys.6), którą udostępniono operatorom sieci komórkowych. Produkcja seryjna przewidziana jest już na początek roku 2017.


Rys. 6 SARA-N - moduły LTE Cat.NB1 firmy u-blox

Co warto podkreślić, operatorzy zdają sobie sprawę jak duży, nowy rynek otwiera ta technologia. Dostosowanie sieci do obsługi LTE Cat.NB1 nie jest ani skomplikowane, ani kosztowne, dlatego deklarują szybkie wprowadzenie nowego standardu do sieci komórkowych.

Wydaje się, że po latach głoszenia haseł o rozwoju M2M czy IoT, ten rozwój właśnie teraz przyspieszył. NBIoT to przełom, który otwiera wiele możliwości, zmieni też znacząco świat komunikacji IoT.
© Robert Panufnik
Microdis Electronis Sp. z o.o.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
Załaduj więcej newsów
October 15 2018 23:56 V11.6.0-1