Что такое узкополосный IoT (NB-IoT)?

Что такое NB-IoT?

С появлением неклеточных LPWAN (Low Power Wide Area Network) технологии, такие как LoRa и SigfoxМобильная индустрия отреагировала на эти развивающиеся технологии выпуском NB-IoT (Narrowband Internet of Things) для IoT и M2M (Machine-to-Machine) приложений. Он был представлен в рамках релиза (13) органа по стандартизации сотовой связи 3GPP, который также известен как LTE CAT-NB. Основными целями внедрения NB-IoT стали длительное время автономной работы, низкая задержка, низкое энергопотребление и улучшенное покрытие внутри помещений. Еще одной интересной особенностью развертывания NB-IoT является возможность сосуществования с сетями 2G, 3G и 4G мобильные сети, также 3GPP уже предусмотрел включение NB-IoT в 5G стандарты. Теперь давайте подробнее остановимся на работе NB-IoT и его особенностях.

Как это работает?

NB-IoT использует мобильную операторскую сеть для передачи данных. Данные с датчиков собираются и передаются на узлы передачи или базовые станции NB-IoT. Эти узлы передачи подключаются к IoT-шлюз и серверами облачных приложений IoT для дальнейшей обработки.

Существует три основных режима работы при развертывании NB-IoT, а именно: In-band, Guard-band и Standalone. В режиме работы in-band для NB-IoT используется один исходный блок с полосой пропускания 180 КГц в выделенной полосе GSM. В режиме Guard-band несущая NB-IoT передается с использованием неиспользуемой защитной полосы в несущей LTE. Наконец, в режиме автономной работы несущая NB-IoT передается как отдельная несущая.

Автономный режим работы обеспечивает наилучшую производительность, однако в большинстве случаев используется режим работы в защитной полосе, что, с другой стороны, влияет на производительность. LTE. Однако последний метод, предположительно, более экономичен. С другой стороны, внутриполосный режим работы снижает производительность как LTE, так и NB-IoT, так как при этом несущая NB-IoT попадает в выделенный LTE спектр.

Передача данных NB-IoT в восходящем канале осуществляется эффективно, так как NB-IoT является полудуплексным. Здесь сначала устанавливается соединение с сотовой сетью, затем происходит выделение сетевых ресурсов узлу, и, наконец, происходит передача данных. Если говорить более подробно, то устройство изначально отключается от сети, пока не получит данные для передачи. После установления соединения устройство поддерживает связь по управлению радиоресурсами (RRC) в течение настраиваемого времени, пока RRC не будет простаивать, а затем отключается. NB-IoT позволяет immediate завершить соединение после получения подтверждения данных, снижая избыточное потребление энергии, унаследованное от сетей LTE, которые предполагают активные соединения. Кроме того, для отправки данных в приложение в NB-IoT определены две оптимизации для сотового интернета вещей (CIoT) в Evolved Packet System (EPS), которые применяются к плоскости пользователя и плоскости управления.

Особенности и преимущества NB-IoT

Теперь давайте рассмотрим некоторые интересные особенности и преимущества NB-IoT.

• Низкое энергопотребление: NB-IoT снижает энергопотребление пограничных узлов с батарейным питанием за счет использования таких функций, как режим энергосбережения (PSM) и расширенный прерывистый прием (eDRX). PSM - это функция пользовательского оборудования (UE), в которой UE сообщает, как часто и как долго ему нужно быть активным для передачи данных. Это похоже на отключение питания, но при этом UE остается зарегистрированным в сети, что устраняет необходимость повторного установления соединения. eDRX - это расширенная функция уже существующей функции прерывистого приема (DRX) в LTE, когда UE отсоединяется от сети на незаметный период времени. Обе эти функции призваны обеспечить срок службы батарей 10 лет и более для устройств пограничных узлов с батареями емкостью 5 Вт-ч.
•  Лучшее покрытие: максимальные потери связи (MCL) для NB-IoT составляют 164 дБ, что обеспечивает глубокое покрытие в туннелях, подвалах, сельской местности и на открытых пространствах. Это на 20 дБ лучше, чем у LTE, и в 7 раз увеличивает зону покрытия.
• Низкая стоимость устройств с низкой скоростью передачи данных: Благодаря меньшей сложности устройств, их стоимость колеблется в районе $6 за модуль. Еще одним фактором, способствующим снижению сложности устройств, является полудуплексный режим связи communication, развернутый в NB-IoT.
•  Возможность подключения огромного количества устройств с низкой пропускной способностью: Поддержка не менее 50 000+ подключенных устройств в пределах одного сектора сотовой сети. Предполагаемая скорость передачи данных по восходящей и нисходящей линии составляет около 160 бит/с.
• Более узкие каналы: Ширина канала для NB-IoT составляет 180 кГц. Это снижает сложность конструкции устройств, а также уменьшает их мощность и стоимость. NB-IoT назначает каждому UE одну или несколько поднесущих частот 15 кГц в выделенном блоке ресурсов 180 кГц. Есть возможность сократить этот диапазон до 3,75 кГц, что позволяет большему количеству устройств совместно использовать пространство.
• Более низкая задержка: NB-IoT стремится к задержкам менее 10 секунд.
• Повышенная пропускная способность: Такие функции, как оптимизация сигнализации, узкополосная передача, гибридный автоматический запрос повтора (HARQ) и адаптивная модуляция, позволяют подключать миллионы устройств NB-IoT на определенной территории.
• Унаследованная безопасность: NB-IoT унаследовал функции безопасности от функций безопасности LTE, включая аутентификацию на базе SIM-карты.
• Отсутствие мобильности: NB-IoT не поддерживает хэндовер и поэтому должен оставаться связанным с одной ячейкой или оставаться неподвижным.

Применение NB-IoT

Ниже перечислены некоторые из интересных областей применения NB-IoT:

• Интеллектуальные системы учета: Благодаря повышенным возможностям проникновения и расширенному покрытию NB-IoT хорошо подходит для подземных и удаленных систем учета.
• Отслеживание менее мобильных объектов: NB-IoT идеально подходит для отслеживания менее мобильных объектов, где мобильность меньше.
• Умные города: NB-IoT может соединить миллионы устройств с низкой пропускной способностью, что имеет решающее значение при проектировании более сложных систем, таких как "умные города".
• Интеллектуальные здания и промышленные приложения IoT (IIoT): NB-IoT может отслеживать данные об окружающей среде и техническом обслуживании через установленные широкополосные соединения в зданиях и на предприятиях.

Когда стоит задуматься о NB-IoT?

NB-IoT хорошо подходит для "спящих" устройств с низким энергопотреблением. Он также подходит для IoT и M2M В случаях, когда требуется низкая скорость передачи данных и меньшая мобильность, при низкой стоимости, сильном покрытии и высокой плотности подключенных устройств для заданного диапазона работы. Согласно [1], наибольшие доли рынка NB-IoT в Европе принадлежат инфраструктурному и сельскохозяйственному секторам, соответственно, за ними следуют автомобильный и медицинский сектора. Это даст вам представление о том, когда стоит рассматривать NB-IoT в вашем приложении.

NB-IoT против LTE-M

И NB-IoT, и LTE-M были представлены в 2016 году в 3GPP Release 13. Во-первых, LTE-M обеспечивает более высокую скорость передачи данных и меньшую задержку, чем NB-IoT. Также LTE-M может поддерживать как голосовую связь, так и передачу данных, в то время как NB-IoT может поддерживать только передачу данных. Более того, унаследовав от LTE, LTE-M оснащен возможностью роуминга, что позволяет использовать его в большем количестве мобильных приложений.

Однако NB-IoT обеспечивает большую зону покрытия и проникновения, чем LTE-M. Кроме того, NB-IoT имеет обратную совместимость с сотовыми сетями 2G и 3G, что является недостатком LTE-M, поскольку эти сотовые сети все еще широко используются. Наконец, NB-IoT является более экономичной альтернативой LTE-M из-за низкой пропускной способности и низкой скорости передачи данных.

Проверьте разница между NB-IoT и LoRa в IoT, если вы заинтересованы в этом.

Заключение

По данным [1], мировой рынок NB-IoT оценивается в 578,0 млн долларов США в 2018 году и, как ожидается, будет расти как 3GPP уже предусмотрела возможность использования NB-IoT и в сотовой связи 5G. Это обеспечит большую зону покрытия и множество взаимосвязанных устройств, что приведет к массовому развертыванию IoT. Поэтому стоит рассмотреть возможность использования NB-IoT в статичных IoT-приложениях с низким энергопотреблением.