Интернет на нещата (IoT) се превърна в основна технология за свързване на различни устройства в области като потребление, индустрия, здравеопазване и интелигентни градове. Анализаторите прогнозират, че до 2030 г. повече от 25 милиарда устройства ще изискват надежден и мащабируем достъп до мрежата.
Как да свържете тези устройства по икономически ефективен,-енергоспестяващ и стабилен начин е предизвикателство. Традиционните безжични технологии като Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee и LTE/5G не могат напълно да отговорят на тези специфични изисквания.
NB-IoT има за цел да преодолее тази празнина. NB-IoT е дефиниран от 3GPP в LTERelease13 и е непрекъснато оптимизиран в следващите версии. Това е ниско{6}}разширена мрежа (LPWAN), работеща на лицензиран спектър. NB-IoT е специално проектиран да поддържа масивна комуникация от машинен-тип (mMTC). Понастоящем NB-IoT се прилага в области като интелигентни градове, комунални услуги, логистика, селско стопанство и здравеопазване.
Предизвикателствата при свързването, пред които е изправено разширяването на Интернет на нещата
Разширяването на внедряването на интернет на нещата (iot) е изправено пред няколко ключови предизвикателства:
Консумация на енергия: Много устройства за Интернет на нещата (iot) се захранват-от батерии, но обикновено се инсталират на места, където смяната на батерията е скъпа или непрактична. Тези устройства изискват живот на батерията от 5 до 10 години по време на действителния цикъл на предаване.
Зона на покритие: Оборудването обикновено се инсталира в мазета, тунели или селски райони, където технологии като Wi-Fi и Low Energy Bluetooth (BLE) не могат да осигурят надеждни връзки. Следователно широкото покритие и възможностите за дълбоко проникване на закрито са от жизненоважно значение.
Цена и мащабируемост: Градското внедряване може да включва стотици хиляди терминални възли. Модулите на оборудването трябва да са евтини (в едно-цифрени долари) и мрежата трябва да поддържа всяка базова станция за свързване на десетки хиляди устройства едновременно.
Wi-Fi консумира твърде много енергия и не е подходящ-за дългосрочно захранване от батерията. Разстоянието на предаване на BLE и Zigbee е ограничено. Въпреки че LTE/5G има отлична производителност, той не е оптимизиран за типичния нисък обем данни и предаване с ниска-честота на много приложения за Интернет на нещата.
Техническата основа на NB-IoT
NB-IoT се основава на съществуващата LTE инфраструктура, но я опростява, като по този начин намалява сложността и консумацията на енергия. Работи в три режима:
Самостоятелен мрежов режим: Разположен в преразпределения GSM спектър.
В-бандов режим: Внедрено в ресурсния блок на съществуващ LTE оператор.
Режим на защитна лента: Разполага се в неизползвани защитни ленти между LTE носители.
NB-IoT радиомодулът е по-прост и по-евтин, с честотна лента на канала от само 180kHz. Основните характеристики включват:
Разширено покритие: Подобреният бюджет за връзки му позволява да работи в сложни среди като мазета и отдалечени райони.
Енерго{0}}спестяващи режими (PSM и eDRX): Устройството може да поддържа състоянието си на мрежова регистрация, но остава в пасивно състояние за дълго време, като се събужда само когато е необходимо предаване на данни. Това може да намали консумацията на енергия в неактивен режим до нивото на микроампера и да удължи живота на батерията до повече от 10 години.
Ефективно планиране: Използването на теснолентова връзка нагоре с повторение на сигнала гарантира стабилно предаване на малки полезни данни (байтове към килобайтове). Диапазонът на забавяне е от няколкостотин милисекунди до няколко секунди, подходящ за повечето телеметрични приложения.
Плътност на устройствата: Една NB-IoT клетка може да поддържа до 50 000 устройства, като по този начин позволява градско внедряване с висока-гъстота.
Сигурност: NB-IoT наследява мощната рамка за сигурност на 3GPP, включително удостоверяване, базирано на SIM карта-, криптиране и защита на целостта.
Пропускателна способност: Скоростта на данни е десетки kbps, оптимизирана за малко и рядко предаване на данни.
Практическо приложение
Интелигентно измерване
Обществените компании за комунални услуги са една от основните области на приложение на технологията NB-IoT. Водомерите и газомерите, които поддържат NB-IoT, замениха ръчното отчитане на измервателните уреди и могат надеждно да предават данни дори в дълбоки закрити помещения, като мазета. Това повишава точността на таксуването, улеснява откриването на течове и минимизира ръчните операции в най-голяма степен. Vodafone и други европейски оператори внедриха милиони интелигентни измервателни уреди NB-IoT.
Проследяване на активи и логистика
NB-IoT сензорите могат да проследяват местоположението и състоянието на стоките, включително мониторинг на околната среда. В сравнение с решенията, които използват само GPS, животът на батерията на тези сензори е значително удължен. Например China Mobile внедри NB-IoT технология на хиляди камиони с хладилна верига, намалявайки загубите на товари с повече от 15%.
Мониторинг на околната среда
Градовете внедряват NB-ioT сензори за наблюдение на качеството на въздуха, шумовото замърсяване и водните нива. В Индия NB-IoT сензорите за ниво на водата могат да предоставят предупреждения за наводнения, демонстрирайки потенциала на тази технология по отношение на ниски разходи за поддръжка и внедряване-в общински мащаб.
Интелигентна инфраструктура
NB-IoT се интегрира в интелигентни улични лампи, паркомати и кофи за боклук. Във Виена интелигентните улични лампи използват NB-IoT, за да регулират осветлението според условията на активност, като по този начин намаляват консумацията на енергия с 30%. Интелигентното кошче за боклук ще уведоми службата за събиране на боклук, когато е пълно, като по този начин оптимизира маршрута и пести гориво.
Здравеопазване и носими устройства
NB-IoT може да се свърже с устройства като дистанционни монитори за кръвна захар, пейсмейкъри и лични бутони за спешни случаи. Пилотният проект за телемедицина в селските райони използва NB-IoT за наблюдение на пациенти в райони с недостатъчно широколентово покритие, като по този начин намалява необходимостта пациентите да посещават болници.
Селско стопанство
Сензорите за влага в почвата насочват фермерите при формулирането на планове за напояване, за да намалят до минимум използването на вода и да увеличат добивите. Нашийниците за добитък могат да проследяват местоположението-в реално време и здравословното състояние на животните, като по този начин се постига по-ефективно управление на стадото.
Сравнение с други технологии за широкообхватни мрежи с ниска-енергия (LPWAN).
LoRaWAN и Sigfox са две основни LPWAN технологии, работещи в нелицензиран спектър. LoRaWAN е много подходящ за внедряване в специализирани мрежи, докато Sigfox предлага обширно покритие чрез своите мрежови оператори. Въпреки това, в сравнение с технологията за лицензиран спектър, и двете са уязвими на смущения и може да имат ограничения по отношение на капацитета на връзката нагоре и дългосрочната-поддръжка от операторите.
За разлика от това, NB-IoT използва лицензиран спектър, осигурявайки надеждност-от операторски{1}}клас, глобална стандартизация и дългосрочна-поддръжка от оператори на мобилни мрежи, поддържайки го в съответствие с посоката на развитие на LTE-M и 5G. Следователно NB-IoT е изключително подходящ за обществени мрежи, управлявани от оператори, докато LoRaWAN обикновено предлага по-голяма гъвкавост за мрежи на частни предприятия.
Съображения за инженерно проектиране
NB-IoT е по-скоро допълнение, отколкото заместител на други безжични стандарти, като BLE, Wi-Fi или Thread, и обикновено съществува паралелно с тях при хибридни внедрявания. Инженерите трябва да претеглят предимствата и ограниченията на NB-IoT:
Забавяне: Забавяне от няколко секунди не е приложимо за приложения, които изискват контрол-в реално време.
Мобилност: Поддръжката за между-клетъчно превключване е ограничена, така че NB-IoT е най-подходящ за фиксирани устройства или устройства с ниска-мобилност.
Пропускателна способност: Скоростта на данни е ограничена до десетки kbps, поради което не е подходяща за приложения с голям-данни-обем.
Зависимост от оператор: Покритието и функционалната наличност варират според оператора и региона.
Ефективното NB-внедряване на IoT изисква специално внимание към следните аспекти:
Химия на батериите: Необходим е внимателен подбор, например използване на литиево-тионилхлоридни батерии с -дълъг живот или суперкондензатори за поддържане на предаването на импулси на енергия.
Дизайн на антената: Въпреки че могат да се използват малки антени, те трябва да бъдат внимателно регулирани, когато са разположени под земята или в метален корпус, за да се постигне най-добра производителност.
Избор на модул: Инженерите трябва да съобразят функциите на модула и поддържаните честотни ленти с инфраструктурата на мрежовия оператор.
Актуализация на фърмуера: Актуализациите по--по въздуха (OTA) трябва да се извършват постепенно и по ефективен начин, за да се пести енергия и честотна лента.
Ако разработвате нови NB-IoT интегрални схеми или модули, T2M разполага със силиконово-проверено IP, което може да съкрати времето за пускане на пазара на вашите продукти и да намали рисковете при разработката.
Съображения за регулиране и внедряване
NB-IoT използва лицензиран спектър и трябва да си сътрудничи с операторите на мобилни мрежи. Инженерите трябва да са запознати с разпределението на спектъра, местните разпоредби и разрешенията за внедряване. Лицензирането на спектъра гарантира предвидима производителност и намалява смущенията, което е ключово предимство пред LPWAN решенията без разрешение. Освен това споразуменията с оператори и гаранциите за ниво на обслужване са от решаващо значение за-внедрявания на ниво-градски град-в индустрии като комунални услуги, здравеопазване и индустрия.
Интеграция с нововъзникващи технологии
NB-IoT все повече се интегрира с други технологии, за да създаде мощни хибридни решения:
Хибридна връзка: Устройствата могат да използват NB-IoT за достъп до облак и да комбинират протоколи с кратък-обхват като BLE, Matter или Thread, за да постигнат локална оперативна съвместимост на устройствата.
Edge Intelligence: NB-IoT устройствата, интегрирани с-ускорители с изкуствен интелект с ниска мощност, могат да обработват данни локално. Например индустриалните вибрационни сензори могат да анализират вибрационни модели на-сайта и да изпращат само необичайни сигнали, като по този начин значително спестяват честотна лента.
Сателитна интеграция: NB-IoT модулите се тестват със сателити с ниска земна орбита (LEO), за да осигурят връзки за морски, минни и отдалечени селскостопански приложения.
Еволюция на сигурността: Изследванията в пост-квантовата криптография имат за цел да разработят леки, квантово-устойчиви алгоритми, които могат да работят на NB-IoT устройства, като по този начин подобряват способността на мрежата да устои на възникващи заплахи.
Индустрия 4.0: Мащабируемостта и високата енергийна ефективност на NB-IoT му позволяват да изгражда гъсти сензорни мрежи в интелигентни фабрики, включително сензори за наблюдение на състоянието, електромери и логистични етикети.
Бъдеща перспектива
NB-Интернет на нещата е включен в пътната карта за 5G MTC, гарантирайки нейното непрекъснато развитие и еволюция. Нейната интеграция с хибридни мрежи, периферни изчисления, сателитна свързаност и Индустрия 4.0 я прави основна технология за мащабируема екосистема на Интернет на нещата с ниска-енергия. Тъй като градовете и индустриите приемат по-интелигентна инфраструктура, NB-IoT се очаква да се превърне в мощно и-рентабилно решение за свързване през следващите десетилетия.
Приложението на NB-IoT в широкомащабно-разгръщане на iot
NB-IoT е специално проектиран да отговаря на основните изисквания на широкомащабните-приложения за интернет на нещата: висока енергийна ефективност, широко покритие, широко-мащабируемост и силна сигурност. Той запълва ключовата празнина между традиционните безжични протоколи и патентованата LPWAN, като предоставя операторски -клас, глобално стандартизирани решения.
Практическото му приложение в области като интелигентно измерване, мониторинг на околната среда, логистика, здравеопазване и селско стопанство доказа своята ефективност в различни сценарии на приложение. Въпреки ограниченията си по отношение на латентност, мобилност и пропускателна способност, NB-IoT остава важна допълнителна технология за изграждане на широко-мащабни, енергийно-ефективни и сигурни мрежи за интернет на нещата.
С милиарди устройства, свързани към мрежата, за инженерите, разработващи стабилни и-ориентирани към бъдещето системи, е от решаващо значение да разберат предимствата и недостатъците, технологиите за внедряване и потенциала за интеграция на NB-IoT.
