Інтернет речей (IoT) став основною технологією для підключення різних пристроїв у таких сферах, як споживання, промисловість, охорона здоров’я та розумні міста. Аналітики прогнозують, що до 2030 року більше 25 мільярдів пристроїв потребуватимуть надійного та масштабованого доступу до мережі.
Як під’єднати ці пристрої економічно ефективним,-енергозберігаючим і стабільним способом – це складне завдання. Традиційні бездротові технології, такі як Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee та LTE/5G, не можуть повністю задовольнити ці специфічні вимоги.
NB-Інтернет речей має на меті подолати цей розрив. NB-Інтернет речей був визначений 3GPP у LTERelease13 і постійно оптимізувався в наступних версіях. Це глобальна мережа низької{6}}потужності (LPWAN), що працює на ліцензованому спектрі. NB-Інтернет речей спеціально розроблено для підтримки зв’язку масового машинного-типу (mMTC). Наразі NB-IoT застосовується в таких сферах, як розумні міста, комунальні послуги, логістика, сільське господарство та охорона здоров’я.
Проблеми підключення, з якими стикається розширення Інтернету речей
Розширення розгортання Інтернету речей (iot) стикається з кількома ключовими проблемами:
Енергоспоживання: багато пристроїв Інтернету речей (iot) працюють від-батареї, але зазвичай їх установлюють у місцях, де заміна батареї є дорогою або недоцільною. Цим пристроям потрібен термін служби батареї від 5 до 10 років протягом фактичного циклу передачі.
Зона покриття: обладнання зазвичай встановлюється в підвалах, тунелях або сільській місцевості, де такі технології, як Wi-Fi та Low Energy Bluetooth (BLE), не можуть забезпечити надійне з’єднання. Таким чином, велике покриття та можливості глибокого проникнення в приміщення є життєво важливими.
Вартість і масштабованість: розгортання в містах може включати сотні тисяч термінальних вузлів. Модулі обладнання мають бути недорогими (в одно-цифрових доларах), а мережа має підтримувати кожну базову станцію для підключення десятків тисяч пристроїв одночасно.
Wi-Fi споживає надто багато енергії та не підходить для-тривалого живлення від акумулятора. Відстань передачі BLE та Zigbee обмежена. Хоча LTE/5G має чудову продуктивність, він не був оптимізований для типового низького обсягу даних і низьких-частот передачі багатьох програм Інтернету речей.
Технічна основа NB-IoT
NB-Інтернет речей базується на існуючій інфраструктурі LTE, але спрощує її, тим самим зменшуючи складність і енергоспоживання. Він працює в трьох режимах:
Автономний режим мережі: розгортається в перерозподіленому спектрі GSM.
У-діапазонному режимі: розгорнуто в межах блоку ресурсів існуючого оператора LTE.
Режим захисної смуги: розгортається у невикористаних захисних смугах між операторами LTE.
NB-Радіомодуль IoT є простішим і дешевшим із смугою пропускання каналу лише 180 кГц. Основні особливості включають:
Розширене покриття: розширений бюджет зв’язку дозволяє працювати в складних середовищах, таких як підвали та віддалені райони.
Режими-збереження енергії (PSM і eDRX): пристрій може підтримувати статус реєстрації в мережі, але залишатися в неактивному стані протягом тривалого часу, виходячи лише тоді, коли потрібна передача даних. Це може зменшити споживання енергії в режимі очікування до мікроамперного рівня та продовжити термін служби батареї до понад 10 років.
Ефективне планування: використання вузькосмугової висхідної лінії зв’язку з повторенням сигналу забезпечує стабільну передачу невеликих корисних даних (від байтів до кілобайтів). Діапазон затримки становить від кількох сотень мілісекунд до кількох секунд, що підходить для більшості програм телеметрії.
Щільність пристроїв: одна комірка NB-IoT може підтримувати до 50 000 пристроїв, що забезпечує високу-розгортання в містах.
Безпека: NB-Інтернет речей успадковує потужну систему безпеки 3GPP, включаючи автентифікацію-на основі SIM-карти, шифрування та захист цілісності.
Пропускна здатність: швидкість передачі даних становить десятки кбіт/с, оптимізована для невеликих і нечастих даних.
Практичне застосування
Інтелектуальне вимірювання
Комунальні підприємства є однією з основних сфер застосування технології NB-IoT. Лічильники води та газу, які підтримують NB-IoT, замінили ручне зчитування лічильників і можуть надійно передавати дані навіть у глибоких закритих приміщеннях, таких як підвали. Це підвищує точність виставлення рахунків, полегшує виявлення витоків і максимально мінімізує ручні операції. Vodafone та інші європейські оператори розгорнули мільйони розумних лічильників NB-IoT.
Відстеження активів і логістика
NB-Датчики IoT можуть відстежувати місцезнаходження та стан товарів, зокрема моніторинг навколишнього середовища. Порівняно з рішеннями, які використовують лише GPS, термін служби батареї цих датчиків значно подовжено. Наприклад, China Mobile розгорнула технологію NB-IoT на тисячах вантажівок холодового ланцюга, зменшивши втрати вантажу більш ніж на 15%.
Екологічний моніторинг
Міста встановлюють датчики NB-IoT для моніторингу якості повітря, шумового забруднення та рівня води. В Індії NB-датчики рівня води IoT можуть попереджати про повені, демонструючи потенціал цієї технології з точки зору низьких витрат на обслуговування та розгортання-муніципального масштабу.
Розумна інфраструктура
NB-Інтернет речей інтегрується в розумні вуличні ліхтарі, паркомати та сміттєві баки. У Відні розумні вуличні ліхтарі використовують NB-IoT, щоб регулювати освітлення відповідно до умов діяльності, таким чином зменшуючи споживання електроенергії на 30%. Розумний сміттєвий бак повідомить службу вивезення сміття, коли він заповнений, тим самим оптимізуючи маршрут і заощаджуючи паливо.
Охорона здоров'я та пристрої для носіння
NB-Інтернет речей можна під’єднати до таких пристроїв, як дистанційні монітори рівня глюкози в крові, кардіостимулятори та персональні екстрені кнопки. У пілотному проекті телемедицини в сільській місцевості використовується NB-IoT для моніторингу пацієнтів у районах із недостатнім широкосмуговим покриттям, що зменшує потребу пацієнтів у відвідуванні лікарень.
Сільське господарство
Датчики вологості ґрунту допомагають фермерам розробляти плани зрошення, щоб мінімізувати використання води та підвищити врожайність. Нашийники для худоби можуть відстежувати-місце розташування та стан здоров’я тварин у реальному часі, завдяки чому досягається більш ефективне керування стадом.
Порівняння з іншими технологіями глобальної мережі малої потужності (LPWAN).
LoRaWAN і Sigfox — це дві основні технології LPWAN, які працюють у неліцензійному спектрі. LoRaWAN дуже підходить для розгортання в виділених мережах, тоді як Sigfox пропонує широке покриття через своїх мережевих операторів. Однак, порівняно з ліцензованою технологією спектру, обидві вразливі до перешкод і можуть мати обмеження щодо пропускної здатності висхідної лінії зв’язку та довгострокової-підтримки з боку операторів.
На відміну від цього, NB-IoT використовує ліцензований спектр, забезпечуючи надійність операторського-класу, глобальну стандартизацію та довгострокову-підтримку від операторів мобільних мереж, зберігаючи його у відповідності з напрямком розвитку LTE-M і 5G. Таким чином, NB-IoT дуже підходить для публічних мереж, якими керують оператори, тоді як LoRaWAN зазвичай пропонує більшу гнучкість для мереж приватних підприємств.
Міркування інженерного проектування
NB-IoT є доповненням, а не заміною інших бездротових стандартів, таких як BLE, Wi-Fi або Thread, і зазвичай співіснує з ними в гібридних розгортаннях. Інженери повинні зважити переваги та обмеження NB-IoT:
Затримка: затримка в кілька секунд не застосовується до програм, які вимагають керування-в реальному часі.
Мобільність: підтримка між-перемикання сот обмежена, тому -IoT найбільше підходить для фіксованих або мало{2}}мобільних пристроїв.
Пропускна здатність: швидкість передачі даних обмежена десятками Кбіт/с, тому вона не підходить для програм із великим-даними-.
Залежність від оператора: покриття та функціональна доступність залежать від оператора та регіону.
NB-Ефективне розгортання IoT вимагає особливої уваги до таких аспектів:
Хімічний склад батареї: потрібен ретельний вибір, наприклад, використання- літій-тіонілхлоридних батарей або суперконденсаторів для підтримки передачі імпульсів енергії.
Конструкція антени: хоча невеликі антени можна використовувати, їх потрібно ретельно відрегулювати, якщо вони розміщені під землею або в металевому корпусі, щоб досягти найкращих характеристик.
Вибір модуля: інженери повинні узгодити функції модуля та підтримувані діапазони частот з інфраструктурою оператора мережі.
Оновлення мікропрограми: Оновлення--по повітрю (OTA) мають виконуватися поступово й ефективно, щоб заощадити енергію та пропускну здатність.
Якщо ви розробляєте нові інтегральні схеми або модулі NB-IoT, T2M має IP-підтверджену кремнієм, що може скоротити час виходу ваших продуктів на ринок і зменшити ризики розробки.
Регулювання та розгортання
NB-Інтернет речей використовує ліцензований спектр і потребує співпраці з операторами мобільних мереж. Інженери повинні бути знайомі з розподілом спектру, місцевими правилами та дозволами на розгортання. Ліцензування спектру забезпечує передбачувану продуктивність і зменшує перешкоди, що є ключовою перевагою в порівнянні з рішеннями LPWAN без дозволу. Крім того, угоди з оператором і гарантії рівня обслуговування мають вирішальне значення для розгортання-важливих-міських-розгортань у таких галузях, як комунальні послуги, охорона здоров’я та промисловість.
Інтеграція з новими технологіями
NB-Інтернет речей усе більше інтегрується з іншими технологіями для створення потужних гібридних рішень:
Гібридне підключення: пристрої можуть використовувати NB-IoT для доступу до хмари та поєднувати протоколи короткого-діапазону, такі як BLE, Matter або Thread, для досягнення локальної сумісності пристроїв.
Граничний інтелект: NB-пристрої IoT, інтегровані з-прискорювачами штучного інтелекту з низькою потужністю, можуть обробляти дані локально. Наприклад, промислові датчики вібрації можуть аналізувати моделі вібрації на-майданчику та надсилати лише аномальні сповіщення, тим самим значно заощаджуючи пропускну здатність.
Супутникова інтеграція: NB-Модулі IoT тестуються з супутниками на низькій навколоземній орбіті (LEO), щоб забезпечити з’єднання для морських, гірничодобувних і віддалених сільськогосподарських програм.
Еволюція безпеки: дослідження пост-квантової криптографії спрямовані на розробку легких квантово-стійких алгоритмів, які можуть працювати на пристроях NB-Інтернету речей, тим самим підвищуючи здатність мережі протистояти новим загрозам.
Індустрія 4.0: масштабованість і висока енергоефективність NB-IoT дозволяють створювати щільні сенсорні мережі на розумних фабриках, включаючи датчики моніторингу стану, лічильники електроенергії та логістичні мітки.
Перспективи на майбутнє
Примітка-Інтернет речей включено до дорожньої карти 5G MTC, що забезпечує його постійний розвиток і еволюцію. Її інтеграція з гібридними мережами, периферійними обчисленнями, супутниковим зв’язком і Industry 4.0 робить її фундаментальною технологією для масштабованої екосистеми Інтернету речей із низьким-споживанням енергії. У міру впровадження розумнішої інфраструктури в містах і галузях промисловості очікується, що в найближчі десятиліття-Інтернет речей стане потужним і-рентабельним рішенням для підключення.
Застосування NB-IoT у широкомасштабному-розгортанні iot
NB-Інтернет речей спеціально розроблений для задоволення основних вимог-масштабних додатків Інтернету речей: висока енергоефективність, широке покриття, широкомасштабна-масштабованість і надійна безпека. Він заповнює ключову прогалину між традиційними бездротовими протоколами та пропрієтарною LPWAN, надаючи глобально стандартизовані рішення операторського-класу.
Його практичне застосування в таких сферах, як інтелектуальне вимірювання, моніторинг навколишнього середовища, логістика, охорона здоров’я та сільське господарство, довело свою ефективність у різних сценаріях застосування. Незважаючи на обмеження щодо затримки, мобільності та пропускної спроможності, NB-IoT залишається важливою додатковою технологією для побудови велико-масштабних,-енергоефективних і безпечних мереж Інтернету речей.
Оскільки до мережі підключено мільярди пристроїв, для інженерів, які розробляють стабільні-орієнтовані на майбутнє системи, вкрай важливо розуміти переваги та недоліки, технології розгортання та потенціал інтеграції NB-IoT.
