11 mitów na temat komórkowego Internetu rzeczy

Martin Lesund, techniczny kierownik produktu — komórkowy Internet rzeczy, Nordic Semiconductor

Według IoT Analytics na koniec 2023 r. istniało prawie 1,3 miliarda globalnych połączeń LPWAN IoT, przy czym technologie NB-IoT (58%) i LTE-M (15%) stanowiły 73% zainstalowanej bazy. Mimo to nadal istnieją mity dotyczące zasięgu, poboru mocy, złożoności i wytrzymałości technologii. Oto fakty.

1. Projektowanie komórkowego Internetu rzeczy jest skomplikowane

W przeszłości projektowanie sieci komórkowych wymagało skomplikowanej układanki komponentów: modemu jednego dostawcy, mikrokontrolera MCU innego, oddzielnego układu scalonego zarządzania zasilaniem (PMIC), układu front-end dla częstotliwości radiowych (RF) i ewentualnie modułu GNSS. Ta fragmentacja powodowała koszmary związane z dopasowaniem impedancji, zarządzaniem zasilaniem i debugowaniem. Współczesna rzeczywistość to układy SiP (System-in-Package). Urządzenia takie jak nRF9151 firmy Nordic łączą w sobie procesor aplikacji, modem wielomodowy, układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC) i układ front-end na częstotliwości radiowe (RF) w jednej, wstępnie certyfikowanej obudowie. Eliminuje to złożoność sprzętową etapu radiowego i pozwala deweloperom pisać kod aplikacji bezpośrednio na zintegrowanym mikrokontrolerze MCU przy użyciu zunifikowanego zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK), co upraszcza drogę od prototypu do produkcji masowej.

2. Urządzenia komórkowego Internetu rzeczy wymagają fizycznej karty SIM

Każde urządzenie komórkowe wymaga modułu tożsamości subskrybenta (SIM) do uwierzytelniania w sieci, jednak czasy obowiązkowej plastikowej karty wsuwanej już minęły. Nowoczesne rozwiązania, takie jak nRF9151 firmy Nordic, obsługują standardowe karty SIM 4FF/Nano i MFF2 (lutowane eSIM), ale co najważniejsze, obsługują również SoftSIM i nuSIM. Karta nuSIM implementuje funkcje karty SIM w bezpiecznym środowisku przetwarzania aplikacji (Arm TrustZone), całkowicie eliminując potrzebę stosowania fizycznego sprzętu SIM. Zmniejsza to wykaz materiałów (BOM), zwalnia miejsce na płytce i eliminuje gniazdo SIM — miejsce, które może powodować uszkodzenia mechaniczne w środowiskach drgających lub korozyjnych.

3. Komórkowy Internet rzeczy jest zbyt energochłonny

Ten mit wywodzi się ze starszych modemów M2M. Nowoczesne modemy LPWA (Low Power Wide Area) LTE-M oraz NB-IoT (zwłaszcza nRF9151) są przeznaczone do różnych stanów uśpienia i aktywności. W przypadku korzystania z trybu oszczędzania energii (PSM) urządzenia serii nRF91 mogą pracować w trybie uśpienia z mocą 2,7 µA, zachowując rejestrację w sieci bez komunikacji. W przypadku zastosowań wymagających niższej latencji rozszerzony nieciągły odbiór (eDRX) pozwala urządzeniu na nasłuchiwanie przywołania w odstępach czasu przy zachowaniu niskiego średniego prądu (np. ~18 µA w zależności od długości cyklu). Zapewnia to wieloletni czas pracy baterii porównywalny z niekomórkowymi technologiami LPWAN, a w niektórych przypadkach o dużym natężeniu ruchu lepszy.

4. Komórkowy Internet rzeczy jest zbyt drogi, aby go wdrożyć na skalę masową

Założenie, że sieć komórkowa jest warstwą „tylko premium”, jest przestarzałe. Spadające koszty produkcji układów SiP w połączeniu z eliminacją komponentów zewnętrznych (kryształów, przełączników obciążenia, gniazd SIM) drastycznie obniżyły punkt wyjścia dla sprzętu. Co więcej, mikrokontroler nRF9151 obsługuje niższe klasy mocy wyjściowej (klasa mocy 5), co zmniejsza szczytowe zapotrzebowanie na prąd. Pozwala to na stosowanie w projektach tańszych technologii bateryjnych lub baterii kompaktowych, które wcześniej nie nadawały się do stosowania w sieciach komórkowych. W połączeniu z planami przesyłu danych, które obecnie są tanie w przypadku rzadkich danych, komórkowy Internet rzeczy jest konkurencyjny cenowo w przypadku masowych wdrożeń, takich jak inteligentne opomiarowanie i śledzenie w logistyce.

5. Komórkowy Internet rzeczy jest odpowiedni tylko dla urządzeń statycznych

To błędne przekonanie wynika z wczesnych wdrożeń wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT), które zostały zaprojektowane dla czujników stacjonarnych i brakowało im płynnych funkcji przekazywania. Jednak technologia LTE-M została zaprojektowana specjalnie z myślą o mobilności. Obsługuje ona przełączanie pomiędzy stacjami bazowymi oraz ponowne podłączanie o niskiej latencji, podobnie jak smartfon, dzięki czemu idealnie nadaje się do śledzenia aktywów, zarządzania flotą i urządzeń ubieralnych. Nawet wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) ewoluował; choć nadal najlepsze do zastosowań statycznych, nowoczesne wersje obsługują mechanizmy ponownego wyboru, które pozwalają na „koczownicze” przypadki użycia, w których urządzenie porusza się, a następnie osadza się w nowym miejscu.

6. Komórkowy Internet rzeczy nie działa pod ziemią

W przeciwieństwie do tego przekonania, NB-IoT i LTE-M wykorzystują tryby „Coverage Enhancement” (tryby CE), które wykorzystują techniki takie jak powtarzanie do dekodowania sygnałów znacznie poniżej poziomu szumów. Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) zapewnia maksymalną tłumienność sprzężenia (MCL) dochodzącą do 164 dB, oferując o około 20 dB lepsze wzmocnienie niż standardowe LTE. Dzięki temu sygnały przenikają głęboko do piwnic, garaży podziemnych i otworów dostępowych do mediów, umożliwiając takie zastosowania, jak inteligentne pomiary wody i monitorowanie kanałów ściekowych, gdzie inne technologie radiowe zawodzą.

7. Komórkowy Internet rzeczy nie ma zasięgu globalnego

Według stanu na 2024 r. GSMA raportuje na całym świecie ponad 115 sieci LTE-M i 137 sieci NB-IoT. Mając do dyspozycji wielomodowy układ SiP, który obsługuje obie te funkcje, pokrywamy znakomitą większość stref ekonomicznych świata. Co najważniejsze, nowoczesne wdrożenia rzadko opierają się na jednym operatorze. Korzystanie z technologii iSIM/eSIM lub kart SIM w roamingu globalnym pozwala urządzeniom na podłączanie się do najsilniejszej dostępnej sieci w regionie, zapewniając redundancję, której nie mogą zapewnić lokalne sieci zastrzeżone. A teraz, wraz z wprowadzeniem NB-NTN (wąskopasmowych sieci nienaziemnych) nagle mamy obsługę komunikacji satelitarnej, która otwiera globalny zasięg w dowolnym miejscu na linii wzroku do nieba.

8. Komórkowy Internet rzeczy nie działa w odległych lokalizacjach

Wprowadzenie na rynek układu SiP nRF9151 zapewnia obsługę NB-IoT NTN (wąskopasmowe sieci nienaziemne), zgodnych z wydaniem 17 3GPP. Dzięki temu ten sam sprzęt może komunikować się z satelitami na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) i na orbicie geostacjonarnej (GEO), wypełniając lukę na pustyniach, w oceanach i w odległych miejscach, gdzie wieże nie istnieją. Łącząc naziemną technologię LTE-M/NB-IoT dla obszarów miejskich i sieci nienaziemne dla obszarów odległych, deweloperzy mogą tworzyć prawdziwie globalne rozwiązania śledzenia, które dynamicznie przełączają profile w zależności od zasięgu.

9. Komórkowy Internet rzeczy ma słabe zabezpieczenia

W rzeczywistości komórkowy Internet rzeczy wykorzystuje solidne standardy uwierzytelniania i szyfrowania. Bezpieczeństwo jest dodatkowo wzmacniane na poziomie urządzenia. Na przykład seria nRF91 wykorzystuje technologie ARM TrustZone i CryptoCell. Tworzy to system „Root of Trust”, w którym klucze i certyfikaty są przechowywane w bezpiecznym środowisku, niedostępnym dla oprogramowania aplikacyjnego. W połączeniu z usługami w chmurze zapewniającymi bezpieczeństwo, komórkowy Internet rzeczy oferuje wyższe poziomy bezpieczeństwa niż alternatywne rozwiązania dla pasma ISM.

10. Komórkowy Internet rzeczy nie zapewnia wystarczającej przepustowości danych

Chociaż technologia LTE-M nie jest zaprojektowana do strumieniowego przesyłania wideo 4K, jest zaskakująco sprawna. Praktyczne prędkości wysyłania/pobierania ~300–375 kbps. W terminologii Internetu rzeczy (IoT) jest to potok „szerokopasmowy”. Jest to więcej niż wystarczające do bezprzewodowych aktualizacji oprogramowania układowego (OTA), przesyłania odrębnych fragmentów głosu lub przekazywania dzienników historii z maszyn przemysłowych. Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) jest wolniejszy i przeznaczony do obsługi niewielkich obciążeń, jednak technologia LTE-M stanowi pomost pomiędzy czujnikami niskiej mocy a aplikacjami bogatymi w dane.

11. Alternatywy technologii LPWAN są tańsze i łatwiejsze niż komórkowy Internet rzeczy

Zastrzeżone sieci LPWAN (takie jak LoRaWAN lub Sigfox) często wydają się tańsze w arkuszu danych, ale ukrywają „dług infrastrukturalny”. Wdrożenie ich często wymaga budowania, zasilania i utrzymywania własnych bram lub polegania na operatorach zewnętrznych z różnymi umowami o poziomie usług (SLA). Komórkowy Internet rzeczy (IoT) działa w regulowanym widmie z infrastrukturą utrzymywaną przez firmy telekomunikacyjne o wartości wielu miliardów dolarów. Nie trzeba planować widma, instalować bram ani martwić się zakłóceniami powodowanymi przez inne nielicencjonowane urządzenia. Po obliczeniu całkowitego kosztu posiadania (TCO), w tym konserwacji, niezawodności i zapewnienia zasięgu, komórkowy Internet rzeczy jest często najbardziej ekonomicznym wyborem w przypadku skalowalnych wdrożeń profesjonalnych.