NB-IoT - коммуникационная сеть следующего уровня для Интернета вещей


Интернет вещей (IoT, Internet of Things) — это технология, которая, по мнению ряда экспертов, изменит будущее, и которую мы видели в наших предыдущих проектах, основанных на IoT. Основная цель Интернета вещей — соединить устройства и упростить управление ими. Теперь, с увеличением производства и использования устройств IoT, эксперты предсказывают, что к 2025 году в мире будет около 75 миллиардов или более работающих устройств IoT.

NB-IoT - коммуникационная сеть следующего уровня для Интернета вещей

Наиболее распространенными сейчас сетями сотовой связи являются сети на основе технологии LTE, но данные сети не способны обслужить такое огромное количество устройств интернета вещей. В ходе решения данной проблемы появилось два новых вида сетей: LTE-M и NB-IoT. Данная статья будет посвящена именно технологии NB-IoT, которая является прямым конкурентом еще одной "молодой" технологии IoT - LoRa.

По сравнению с технологиями LoRa и Sigfox технология NB-IoT имеет следующие преимущества:

Преимущества NB-IoT по сравнению с технологиями LoRa и Sigfox

Стек современных технологий IoT выглядит следующим образом:

Стек современных технологий IoT

Что такое NB-IoT?

NB-IoT (NarrowBand-IoT, в пер. узкополосная IoT) представляет собой сеть LPWA (Low Power Wide Area, глобальная зона с низким энергопотреблением), специально разработанную для устройств IoT, которые будут работать в узкой полосе частот и ​​потреблять мало энергии.

Место сетей LPWA на диаграмме скорость/покрытие среди других технологий мобильной связи показано на следующем рисунке.

Место сетей LPWA на диаграмме скорость/покрытие среди других технологий мобильной связи

Основные преимущества NB-IoT по сравнению с другими аналогичными технологиями показаны на следующем рисунке.

Основные преимущества NB-IoT по сравнению с другими аналогичными технологиями

NarrowBand-IOT — это сетевая технология, разработанная 3GPP в сотрудничестве с такими крупными телекоммуникационными гигантами, как Huawei, Qualcomm, Ericsson и Vodafone.

Основные принципы данной технологии:

  1. NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) – узкополосная технология для Интернета вещей часто определяется как технология 4.5G (промежуточная между 4G и 5G).
  2. Решает одну из задач 5G - massive Machine Type Communication.
  3. Использует отдельную логическую сеть на основе технологий LTE (4G). По сути это прообраз архитектуры Slice – формируется специальная логическая подсеть для предопределенных задач.
  4. В рамках NB-IoT используется специальная структура физических каналов, специальный Scheduling, доступ и т.п.
  5. В рамках NB-IoT вводятся специальные функции Core Network (как вариант формируется отдельная часть CN со специфическим функционалом).
  6. NB-IoT вводится в стандартах 3GPP R13, описание радиочасти включено в стандарты серии 36.xxx (то есть отнесено к LTE).

Почему NB-IoT?

У LTE уже была функция подключения к нему устройств IoT, и это приводит к вопросу: почему понадобилась NarrowBand для устройств IoT?

Все устройства Интернета вещей, которые уже разработаны или будут разработаны, должны работать круглосуточно, 7 дней в неделю, чтобы отправлять данные и держать пользователя в курсе событий. Эти долгие часы работы требуют большого потребления энергии. Кроме того, поскольку потребляется больше энергии, данные должны передаваться с высокой пропускной способности для миллиардов подключенных устройств. Все это приведет к следующим факторам?

  • использование полосы пропускания для связи на большие расстояния;
  • уменьшение времени автономной работы;
  • большие затраты при использовании текущий сетей LTE.

Таким образом, чтобы соединить все миллиарды устройств и добиться большей надежности и качества обслуживания, на сцену вышел именно NarrowBand IoT, что дает неоспоримые преимущества данной технологии при взаимодействии с устройствами интернета вещей по сравнению с обычными сетями LTE.

Как работает NB-IoT

Принципы работы технологии NB-IoT на физическом уровне (PHY) показаны на следующем рисунке.

Принципы работы технологии NB-IoT на физическом уровне

Как видим из рисунка, на линии вверх возможна работа с расстоянием между поднесущими 3,75 и 15 КГц, используется сигнал SCFDMA, а на линии вниз используется OFDMA сигнал с шириной спектра 200 КГц, содержащий 12 поднесущих с расстоянием между ними 15 КГц.

Каналы PHY, MAC, RLC и PDCP уровней технологии NB-IoT показаны на следующем рисунке.

Каналы PHY, MAC, RLC и PDCP уровней технологии NB-IoT

Как показано на рисунке ниже, технология NB-IoT, поддерживает два режима модуляции в восходящей линии:

  • Single-Tone (ST) - поддержка одного канала 3,75 и 15 КГц;
  • Multi-Tone (MT) - поддержка комбинации нескольких каналов 15 КГц.

Режимы модуляции технологии NB-IoT в восходящей линии связи

Технология NB-IoT обеспечивает энергетический выигрыш в 20 дБ по сравнению с системами GSM для обеспечения лучшего покрытия.

Технология NB-IoT обеспечивает энергетический выигрыш в 20 дБ по сравнению с системами GSM

Различия между требованиями к сигнализации для устройств Интернета вещей и UE (оборудование пользователя): устройство интернета вещей отправляет только данные по восходящей линии связи и само решает, отправлять ли данные, ему не нужно находиться в режиме ожидания и ожидать вызова с другого терминала. В то время как UE всегда нужно ожидать запроса на вызов из сети.

Технология NB-IoT использует режим extended (расширенный) DRX чтобы обеспечить длительное нахождение устройства в спящем режиме, при котором его энергопотребление практически равно нулю. Этот принцип показан на следующем рисунке.

Принцип использования режима extended DRX в технологии NB-IoT

Два сценария размещения базовых станций NB-IoT показано на следующем рисунке.

Два сценария размещения базовых станций NB-IoTПреимущества NB-IoT

Преимущества NB-IoT

1. Низкое энергопотребление

Устройства NB-IoT будут потреблять меньше энергии, поскольку они будут передавать небольшой объем данных с низкой скоростью передачи данных, около 100–150 кбит/с. Подключенные устройства будут иметь цикл для отправки данных через каждый определенный промежуток времени, что означает, что энергия будет экономиться все время, за исключением случаев, когда данные отправляются в течение нескольких секунд. В результате потребляется гораздо меньше энергии, чем у устройств LTE IoT.

2. Низкая стоимость

Поскольку устройство будет потреблять мало энергии и отправлять данные на с низкой скоростью, стоимость электроники для этого устройства значительно снизится.

Основные принципы NB-IoT

3. Больше надежности

Использование диапазона частот для NB-IoT лицензируется 3GPP и всегда обеспечивает качественную связь M2M (машина-машина). В результате пользователи NB-IoT получат надежный сервис.

4. Широкое применение

Приложения IoT хорошо известны людям, интересующимся IoT, но с использованием IoT NarrowBand количество приложений NB-IoT резко увеличится. Устройство также можно использовать для связи между машинами, которые находятся под землей или там, где обычное покрытие мобильной сети невозможно. Благодаря этому его можно использовать для домашнего, промышленного и коммерческого применения. Кроме того, приложение «Умный город» получит большую пользу от технологии NB-IoT.

Применения NB-IoT

5. Безопасная сеть

Сеть NB-IoT является лицензированной сетью, что означает, что передаваемые данные безопасны. Она будет обеспечивать все функции безопасности, такие как сеть LTE, которая уже является проверенной и надежной защитой для пользователей, обеспечивая аутентификацию, целостность и конфиденциальность данных пользователя по всему миру.

6. Длительный срок службы

Электроника в устройстве IoT будет потреблять меньше энергии, чем мобильное устройство LTE. А значит, время автономной работы устройства будет больше. Говорят, что срок службы батареи при использовании данной технологии может достигать 10 и более лет для любого отдельного устройства IoT.

7. Передача данных

Передача данных в сети NB-IoT будет осуществляться двумя способами: данные могут отправляться и приниматься, а полоса пропускания сети составляет 200 кГц.

8. Больше возможностей подключения устройств

Сеть NB-IoT может быть легко развернута в существующей архитектуре сотовой сети, что означает, что мобильные устройства могут легко подключаться к устройствам NB-IoT, обеспечивая подключение примерно 1 миллиона устройств IoT на каждый сотовый телефон. Таким образом, к данным 1 миллиона устройств IoT можно получить доступ всего с одного мобильного телефона, что увеличивает общее количество подключений.

9. Большая зона покрытия

Помимо всех вышеперечисленных функций, NB-IoT получит еще одну функцию, а именно большую зону покрытия. Максимальная площадь, которую могут охватить устройства NB-IoT, составит около 20–25 км.

Примеры применения NB-IoT

1. Умная парковка

Применение NB-IoT для умной парковки

В очень известном Шанхайском Диснейленде в Китае реализовано приложение Smart Parking NB-IoT, разработанное Huawei и China Unicom. Интеллектуальная система парковки помогает клиентам определить наличие бесплатных парковочных мест, подсчитать время парковки и рассчитать стоимость, подлежащую оплате клиентом. При этом система работает надежно, потребляя мало электроэнергии.

2. Умный подвал

Умный подвал с применением NB-IoT

Во многих домах/обществах есть подвал, и, поскольку он находится под землей, ему постоянно требуется электричество. Но благодаря технологии NB-IoT освещение в подвале будет включаться только в присутствии кого-то, вместо того, чтобы включать его вручную на долгие часы.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
33 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *