Prezentace ze semináře Aplikace NB-IoT, BLE a GNSS

v komunikaci s "věcmi" , ČVUT Praha, 13. 4. 2018: 

3GPP implementuje standardy v celulárních sítích 2G, 3G a 4G tak, aby byly jednotně využitelné v jakékoliv oblasti se signálem GSM, UMTS, LTE atd. Nové vydání, definuje standard pro zařízení s extrémně nízkou spotřebou pracující v sítích LTE.

Tato technologie nemá pouze nahradit sítě 2G/3G, které přestávají dostačovat současným požadavkům IoT, ale zejména otevírá nové možnosti využití celosvětově dostupných sítí LTE v aplikacích napájených bateriemi vyžadujících dlouhodobý nepřetržitý provoz, velké množství obsloužených zařízení a výbornou dostupnost signálu. Aplikace s těmito technologiemi tak nově nabídnou životnost baterie více než 10 let, řádově vyšší počet zařízení připojených na jednu BTS a až o 20dB je také lepší přenosová bilance, takže konektivita nebude ohrožena ani např. ve sklepě hustě obydlených míst, kde v některých případech již selhávají klasické spojení, jako je GPRS nebo jiná současná řešení LPWA, jejichž sítě mají zpravidla navíc nízkou hustotu.

Nesrovnatelnou výhodou LTE Low Cat. je ve srovnání se současnými řešeními LPWA celosvětová dostuponost sítě s výborným pokrytím licenocovanou sítí, která zajišťuje bezpečný přenos vašich dat, a využití zkušeností s vývojem aplikací využívající standardní moduly GSM, UMTS, LTE a další v souladu s 3GPP.

Následující graf znázorňuje vývoj technologií LTE. Současná implementace 3GPP rozděluje LTE na dva hlavní směry:

- LTE high speed (Cat. 4, Cat. 6 a vyšší) zajistí rychlé přenosy dat za cenu vyšší spotřeby, větších rozměrů a vyšší ceny

- LTE low speed (LPWA, nyní Cat. 1, Cat. M1 a Cat. NB1) se orientuje na nízkou spotřebu, lepší dostupnost signálu, malé rozměry, nízkou cenu a datový tok, který postačuje typickým aplikacím IoT.

 Kompatibilita modulů u-blox pro celulární sítě

Tak jako u všech technologií firmy u-blox, jako jsou moduly GNSS, WiFi a Bluetooth, také celulární moduly nabízí jednoduchý přechod mezi jednotlivými standardy 3GPP s minimálními nároky na změnu návrhu DPS. Výrobce nabízí podrobnou dokumentaci, tzv. Nested design, který umožňuje na stejném místě osadit modul 2G, 2G/3G, LTE Cat. 1 nebo např. LTE Cat. 4 a další. Moduly 2G, 2G/3G Global, LTE Cat. M1 a Cat. NB1v pouzdru SARA a LTE Cat. 1 v pouzdru LARA jsou dokonce pinově kompatibilní, takže vývoj hardware můžete zahájit již nyní a používat je také s již dostupnými technologiemi:

Moduly LTE Cat. 1 a Cat. M1

Moduly v těchto kategoriích nabízí střední rychlost datového toku s obousměrnou komunikací a podporu hlasu (VoLTE) pro aplikace vyžadující prodlouženou životnost baterie a lepší dostupnost signálu. Oproti modulům LTE Cat. 4 jsou nabízeny v pouzdrech velikostí srovnatelných s pouzdry modulů GSM a UMTS.

Obě technologie si ve srovnání s běžnými sítěmi LPWA zachovávají plnou mobilitu avšak s komunikací běžnou v těchto sítích lze dosáhnout životnosti baterie 5 až 10 let.

Pro datovou komunikaci je k dispozici IP stack s protokoly UDP/IP, TCP/IP, FTP, HTTP, SSL a výhodou je podpora hlasu VoLTE.

Technologie LTE Cat. M1 pracuje s maximálním útlumem spojení 156dB. Ve srovnání s GSM tak nabízí o 15dB lepší dostupnost, která je také srovnatelná s jinými sítěmi LPWA (např. LoRa), které však nelze použít v mobilních aplikacích. V husté síti BTS s podporou LTE je tak technologie vhodná i v hůře dostupných místech s hustou zástavbou. V licencovaném pásmu zaručuje vysokou spolehlivost komunikace a poskytnutých služeb operátor.

Základní vlastnosti modulů LTE Cat. 1 a M1:

*      Plánováno v budoucí verzi FW

**    Porovnání s GSM, UMTS a LTE Cat. 4

***  Moduly jsou pinově kompatibilní

Moduly LTE Cat. NB1 (NB-IoT)

NB-IoT je novou technologií LPWA a revolučním řešením pro levné miniaturní aplikace vyžadující dostupnost kdekoliv ve světě, velmi nízkou spotřebu, výbornou dostupnost signálu a postačí jim bezpečný a spolehlivý obousměrný přenos menších objemů dat, který umožní i případnou aktualizaci firmware.

V aplikacích, které potřebují přenést několik Bytů několikrát za den, vystačí moduly NB-IoT s 5Wh baterií více než 10 let. Technologie však navíc umožňuje i přenos většího objemu dat, jako např. nový firmware pro aplikaci, s rychlostmi srovnatelnými v GPRS. Moduly NB-IoT můžete použít i v mobilních aplikacích, protože modul není vázán na jedinou BTS, jak je tomu u jiných technologií LPWA.

Pro přesnos dat moduly podporují IP Small Data over NAS s protokolem UDP. Lze také využít Non-IP Small Data over NAS s adresováním konkrétního modulu.

S maximálním útlumem spojení 164dB je ve srovnání s GSM dostupnost signálu o více než 20 dB lepší. Vzhledem k relativně husté síti BTS s podporou LTE je tedy technologie vhodná i v hůře dostupných místech s hustou zástavbou (např. sklepy, ve kterých se často nacházejí přístroje pro odečet spotřeby apod.). Opět není snad již potřeba uvádět výhody kvalitní komunikace, které poskytuje licencované pásmo.

Srovnání technologií LPWA:

**   Porovnání s GSM, UMTS a LTE Cat. 4

*** Moduly SARA-N2 jsou pinově kompatibilní s moduly 2G, 2G/3G, LTE Cat. 1 a Cat. M1 fy u-blox 

Přehled aplikací

Doprava a transport - LTE Cat. 1 a LTE Cat. M1 podporují úplný management BTS, který je pro pohybující se vozidlo nezbytný. Technologie je ideální pro případy, ve kterých nejsou vyžadovány přenosy velkých objemů dat, jako je sledování vozidel a předmětů, telematika, knihy jízd a systémy Pay as You Drive (PAYD).

Vzdálený sběr dat - Tyto aplikace jsou zpravidla statické a přístroje pro odečet dat jsou často umístěny v uzavřených prosotorech nebo pod úrovní terénu, kde je zhoršená dostupnost signálu. Nelze ani opomenout množství zařízení v hustě obydlených oblastech, kde může být problémem dostupnost BTS pro takový počet zařízení. Tyto problémy výborně řeší moduly LTE Cat. NB1, případně také při potřebě přenosu větších objemů dat LTE Cat. M1. Tak, jako u stávajících celulárních technologií, také v případě LTE Cat. NB1 je plánováno provedení s certifikací ATEX pro výbušná prostředí.

Chytrá města - Indrastruktura moderních měst poskytuje stále více služeb, které zvyšují nároky na komunikaci vyžadující okamžitou interakci. LTE Cat. NB1 a LTE Cat. M1 jsou ideálním řešením pro ovládání pouličního osvětlení a osvětlení v domech, dále pro sledování a optimalizace provozu na komunikacích, optimalizace svozu odpadu, monitorování životního prostředí atd.

Chytré budovy - Senzory propojené pomocí LTE Cat. NB1 mohou posílat upozornění na potřebu údržby a změny provozu a mohou tak automatizovat úlohy, jako je ovládání osvětlení a klimatizace. Technologie LTE Cat. 1 a případně LTE Cat. M1 podporují VoLTE a lze je tak využít i pro lze využít pro záchranné a bezpečnostní systémy, a také jako nouzové datové připojení.

Zdravotnictví - Moduly LTE Cat. M1 se zvýšeným dosahem signálu, podporou VoLTE a nízkou spotřebou lze s výhodou použít v bateriovém zařízení pro sledování zdravotního stavu pacientů v domácím léčení s možností urgentního přivolání odborné pomoci.

Životní prostředí a zemědělství - Senzory vybavené moduly NB-IoT mohou např. farmářům odeslat upozornění na mimořádný pohyb hospodářských zvířat. Senzory s LTE Cat. NB1 lze také využít ke sledování teploty a vlhkosti půdy a obecně ke sledování atributů půdy, znečištění ovzduší, hluku, deště atd.