ما هو إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT)؟

ما هو إنترنت الأشياء الجديد؟

مع إدخال المواد غير الخلوية LPWAN (شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة) تقنيات مثل لورا و سيجفوكساستجابت صناعة الهواتف المحمولة لهذه التقنيات الناشئة من خلال إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) لتطبيقات إنترنت الأشياء وتطبيقات آلة إلى آلة (M2M). وقد تم تقديم هذا كجزء من الإصدار (13) من هيئة المعايير الخلوية 3GPP، والمعروف أيضًا باسم LTE CAT-NB. كانت الأهداف الرئيسية لإدخال NB-IoT هي تقديم عمر بطارية طويل، وزمن استجابة منخفض، وطاقة منخفضة، وتغطية داخلية محسنة. ومن المزايا الأخرى المثيرة للاهتمام لعمليات نشر إنترنت الأشياء ذات النطاق العريض هي القدرة على التعايش مع الجيل الثاني والجيل الثالث و 4G شبكات الهاتف المحمول، كما وضعت 3GPP بالفعل أحكامًا لتضمين إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق في 5G المعايير. دعنا الآن نتعمق في مزيد من التفاصيل حول تشغيل إنترنت الأشياء NB-IoT وميزاته.

كيف تعمل؟

تستخدم تقنية إنترنت الأشياء المتنقلة NB-IoT شبكة الناقل المتنقلة لنقل البيانات. يتم تجميع البيانات من المستشعرات وإرسالها إلى عقد الإرسال أو المحطات الأساسية لإنترنت الأشياء المتنقلة. يتم توصيل عقد الإرسال هذه إلى بوابة إنترنت الأشياء وخوادم التطبيقات السحابية لإنترنت الأشياء لمزيد من المعالجة.

هناك ثلاثة أنماط تشغيل رئيسية لنشر إنترنت الأشياء ذات النطاق العريض، وهي داخل النطاق، ونطاق الحراسة، والوضع المستقل. في وضع التشغيل داخل النطاق، يتم استخدام كتلة مصدر واحدة من عرض النطاق الترددي 180 كيلوهرتز ضمن نطاق GSM المخصص لإنترنت الأشياء. نطاق الحراسة هو المكان الذي يتم فيه إرسال ناقل NB-IoT من خلال استخدام نطاق الحراسة غير المستخدم داخل ناقل LTE. وأخيراً، يتم إرسال الناقل NB-IoT كحامل مستقل في وضع التشغيل المستقل.

يوفر وضع التشغيل المستقل أفضل أداء، ولكن مع ذلك فإن معظم حالات الاستخدام المنشورة تستخدم وضع تشغيل نطاق الحراسة، والذي يؤثر من ناحية أخرى على أداء LTE. ومع ذلك، يُفترض أن الطريقة الأخيرة أكثر فعالية من حيث التكلفة. من ناحية أخرى، فإن وضع التشغيل داخل النطاق يحد من أداء كل من LTE وإنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء، حيث إنه يحزم حاملة إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء في طيف LTE المخصص.

يتم نقل البيانات من إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء في قناة الوصلة الصاعدة بكفاءة، حيث إن إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء نصف مزدوج. هنا، يتم أولاً إنشاء اتصال بالشبكة الخلوية، ثم يتم تخصيص موارد الشبكة للعقدة، وأخيراً يتم نقل البيانات. ولمزيد من التفصيل في هذه العملية، سيتم فصل الجهاز في البداية عن الشبكة، إلى أن يكون لديه بعض البيانات لإرسالها. بعد إنشاء الاتصال، يحافظ الجهاز على التحكم في الموارد الراديوية (RRC) متصلاً لفترة قابلة للتكوين حتى يصبح التحكم في الموارد الراديوية خاملاً ثم يتم قطع الاتصال. وقد مكّن NB-IoT من إنهاء الاتصال في الحال بمجرد تلقي تأكيد البيانات، مما يقلل من استهلاك الطاقة الزائدة الموروثة في شبكات LTE، التي تفترض وجود اتصالات نشطة. وعلاوة على ذلك، من أجل إرسال البيانات إلى تطبيق ما، تم تحديد تحسينين لإنترنت الأشياء الخلوي (CIoT) في نظام الحزمة المتطورة (EPS) في NB-IoT، يتم تطبيقهما على مستوى المستخدم ومستوى التحكم.

ميزات وفوائد إنترنت الأشياء الجديد

والآن دعنا نلقي نظرة على بعض الميزات والفوائد المثيرة للاهتمام لإنترنت الأشياء.

• استهلاك منخفض للطاقة: يقلل إنترنت الأشياء الجديد من استهلاك الطاقة للعقد الطرفية التي تعمل بالبطارية باستخدام ميزات مثل وضع توفير الطاقة (PSM) والاستقبال المتقطع الممتد (eDRX). وضع توفير الطاقة (PSM) هي ميزة خاصة بمعدات المستخدم (UE)، حيث تقوم هذه الميزة بالإبلاغ عن عدد المرات والمدة التي تحتاجها لتكون نشطة من أجل نقل البيانات. وهذا مشابه لإيقاف التشغيل، ولكن مع ذلك، سيظل جهاز المستخدم (UE) مسجلاً في الشبكة، وبالتالي حل الحاجة إلى إعادة إنشاء الاتصال. eDRX هي ميزة موسعة لميزة الاستقبال غير المستمر (DRX) الموجودة بالفعل في LTE، حيث يتم فصل جهاز المستخدم (UE) عن الشبكة لفترة زمنية غير ملحوظة. تهدف كلتا هاتين الميزتين إلى توفير عمر بطارية يزيد عن 10 سنوات لأجهزة العقدة الطرفية بسعة بطارية تبلغ 5 وات في الساعة.
•  تغطية أفضل: يبلغ الحد الأقصى لفقدان الاقتران (MCL) لتقنية إنترنت الأشياء ذات النطاق العريض 164 ديسيبل، مما يسمح بتغطية عميقة في الأنفاق والأقبية والمناطق الريفية والبيئات المفتوحة. يُعد هذا تحسناً بمقدار 20 ديسيبل مقارنةً بتقنية LTE، وهو ما يمثل زيادة بمقدار 7 أضعاف في منطقة التغطية.
• انخفاض تكلفة الأجهزة ذات معدلات البيانات المنخفضة: نظرًا لانخفاض تعقيد الأجهزة، تراوحت أسعار الأجهزة حول $6 لكل وحدة. العامل الآخر الذي يساهم في انخفاض تعقيد الأجهزة هو وضع الاتصال المشترك نصف المزدوج mm الذي يتم نشره في NB-IoT.
•  القدرة على توصيل عدد هائل من الأجهزة منخفضة الإنتاجية: دعم ما لا يقل عن 50,000 جهاز متصل ضمن قطاع موقع خلوي. يبلغ معدل البيانات المتوقع لكل من الوصلة الصاعدة والهابطة حوالي 160 بت في الثانية.
• قنوات أضيق: يبلغ عرض القناة في إنترنت الأشياء NB-IoT 180 كيلوهرتز. وهذا يقلل من تعقيد تصميم الجهاز ويقلل أيضًا من طاقة الأجهزة وتكلفتها. يخصص إنترنت إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء لكل جهاز UE واحدًا أو أكثر من الموجات الحاملة الفرعية بتردد 15 كيلوهرتز في كتلة الموارد المخصصة البالغة 180 كيلوهرتز. هناك مرونة في تضييق هذه الكتلة إلى 3.75 كيلوهرتز، مما يسمح لمزيد من الأجهزة بمشاركة المساحة.
• زمن انتقال أقل: يهدف NB-IoT إلى زمن استجابة أقل من 10 ثوانٍ.
• سعة محسّنة: تتيح ميزات مثل تحسين الإشارات، والإرسال ضيق النطاق، وطلب التكرار التلقائي الهجين (HARQ)، والتشكيل التكيفي لملايين الأجهزة المتصلة بإنترنت الأشياء في منطقة معينة.
• الأمان الموروث: ترث NB-IoT ميزات الأمان من ميزات أمان LTE، بما في ذلك المصادقة القائمة على بطاقة SIM.
• لا يوجد تنقل: لا يدعم NB-IoT عملية التسليم، وبالتالي، يجب أن يبقى مرتبطاً بخلية واحدة أو يبقى ثابتاً.

تطبيق NB-IoT

فيما يلي بعض مجالات تطبيق إنترنت الأشياء ذات الصلة بإنترنت الأشياء المثير للاهتمام:

• القياس الذكي: نظرًا لقدرات الاختراق المعززة والتغطية المعززة لإنترنت الأشياء ذات النطاق العريض، فهي مناسبة تمامًا لأنظمة القياس تحت الأرض وأنظمة القياس عن بُعد.
• تتبع أقل حركة: تعد تقنية NB-IoT مثالية لتتبع الأجهزة الأقل حركة حيث تقل إمكانية التنقل.
• المدن الذكية: يمكن لتقنية إنترنت الأشياء ذات النطاق الضوئي المنخفض توصيل ملايين الأجهزة ذات الإنتاجية المنخفضة معًا، وهو أمر بالغ الأهمية في تصميم أنظمة أكثر تعقيدًا مثل المدن الذكية.
• تطبيقات المباني الذكية وإنترنت الأشياء الصناعية (IIoT): يمكن لتقنية إنترنت الأشياء (NB-IoT) مراقبة البيانات البيئية وبيانات الصيانة عبر اتصالات النطاق العريض القائمة في المباني والمصانع.

متى يجب التفكير في استخدام إنترنت الأشياء غير محدود النطاق إلى إنترنت الأشياء؟

تعد تقنية NB-IoT مناسبة تمامًا للأجهزة الخاملة ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة. كما أنها مناسبة لإنترنت الأشياء و M2M حالات الاستخدام التي تتطلب معدلات بيانات منخفضة وتنقل أقل مع تكلفة منخفضة وتغطية قوية وكثافة عالية من الأجهزة المتصلة لنطاق معين من التشغيل. وفقًا لـ [1]، فإن أكبر حصص السوق من إنترنت الأشياء ذات النطاق العريض في أوروبا هي من نصيب قطاعي البنية التحتية والزراعة على التوالي يليهما قطاعا السيارات والرعاية الصحية. سيزودك هذا بفكرة عن الوقت الذي يجب أن تفكر فيه في استخدام إنترنت الأشياء ذات النطاق العريض في تطبيقك.

NB-IoT مقابل LTE-M

تم تقديم كل من NB-IoT وLTE-M في عام 2016 من خلال الإصدار 13 من 3GPP. أولاً، توفر تقنية LTE-M الناطقة معدلات بيانات أعلى وأوقات استجابة أقل من NB-IoT. كما أن تقنية LTE-M لديها القدرة على دعم الاتصال الصوتي والبيانات المشتركة، في حين أن إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء لا تدعم سوى الاتصال المشترك للبيانات. علاوة على ذلك، نظرًا لوراثتها من LTE، فإن LTE-M مزودة بإمكانية التجوال خارج الصندوق، مما يتيح استخدامها في المزيد من التطبيقات المتنقلة.

ومع ذلك، توفر تقنية إنترنت الأشياء منخفضة النطاق-إنترنت الأشياء قدرة أكبر على التغطية والانتشار مقارنةً بتقنية LTE-M. وعلاوة على ذلك، تتمتع تقنية إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء بالتوافق مع شبكات الجيل الثاني والجيل الثالث الخلوية وهو جانب سلبي في LTE-M حيث لا تزال هذه الشبكات الخلوية مستخدمة على نطاق واسع. وأخيراً، تُعدّ إنترنت الأشياء غير المتصلة بإنترنت الأشياء بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لشبكة LTE-M نظراً لانخفاض عرض النطاق الترددي ومعدلات البيانات المنخفضة.

تحقق من الفرق بين NB-IoT و LoRa في إنترنت الأشياء إذا كنت مهتمًا بـ

الخاتمة

وفقًا ل [1]، بلغت قيمة السوق العالمية لإنترنت الأشياء ذات النطاق الضوئي المنخفض 578.0 مليون دولار أمريكي في عام 2018، ومن المتوقع أن تنمو 3GPP قد وفرت بالفعل أحكامًا خاصة بإنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق في اتصالات الجيل الخامس الخلوية المشتركة 1TP14 أيضًا. سيؤدي ذلك إلى تمكين المزيد من التغطية والعديد من الأجهزة المترابطة مما يؤدي إلى نشر إنترنت الأشياء على نطاق واسع. لذلك، من المفيد التفكير في تطبيق إنترنت الأشياء الثابت ومنخفض الطاقة في تطبيق إنترنت الأشياء.