L'Internet de les coses (IoT) s'ha convertit en una tecnologia bàsica per connectar diversos dispositius en camps com el consum, la indústria, la salut i les ciutats intel·ligents. Els analistes prediuen que l'any 2030, més de 25.000 milions de dispositius requeriran un accés a la xarxa fiable i escalable.
Com connectar aquests dispositius d'una manera econòmicament eficient,{0}}estalvi d'energia i estable és un repte. Les tecnologies sense fil tradicionals com ara Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee i LTE/5G no poden satisfer completament aquestes demandes específiques.
NB-IoT té com a objectiu salvar aquesta bretxa. NB-IoT va ser definit per 3GPP a LTERelease13 i s'ha optimitzat contínuament en les versions posteriors. És una xarxa d'àrea àmplia de baixa-potència (LPWAN) que funciona amb un espectre amb llicència. NB-IoT està dissenyat específicament per admetre la comunicació massiva de tipus màquina- (mMTC). Actualment, NB-IoT s'ha aplicat en camps com les ciutats intel·ligents, els serveis públics, la logística, l'agricultura i la salut.
Els reptes de connexió als quals s'enfronta l'expansió de l'Internet de les coses
L'expansió del desplegament de l'Internet de les coses (iot) s'enfronta a diversos reptes clau:
Consum d'energia: molts dispositius d'Internet de les coses (iot) funcionen amb bateria-, però normalment s'instal·len en llocs on la substitució de la bateria és costosa o poc pràctica. Aquests dispositius requereixen una durada de la bateria de 5 a 10 anys durant el cicle de transmissió real.
Àrea de cobertura: l'equip s'instal·la normalment en soterranis, túnels o zones rurals, on tecnologies com ara Wi-Fi i Bluetooth de baixa energia (BLE) no poden proporcionar connexions fiables. Per tant, la cobertura àmplia i les capacitats de penetració interior profunda són de vital importància.
Cost i escalabilitat: el desplegament urbà pot implicar centenars de milers de nodes terminals. Els mòduls d'equips han de ser econòmics (en dòlars d'un sol -dígit) i la xarxa ha d'admetre cada estació base per connectar desenes de milers de dispositius simultàniament.
La Wi-Fi consumeix massa energia i no és adequada per a l'alimentació de la bateria-a llarg termini. La distància de transmissió de BLE i Zigbee és limitada. Tot i que LTE/5G té un rendiment excel·lent, no s'ha optimitzat per al baix volum de dades i la transmissió de baixa-freqüència de moltes aplicacions d'Internet de les coses.
La base tècnica de NB-IoT
NB-IoT es basa en la infraestructura LTE existent, però la simplifica, reduint així la complexitat i el consum d'energia. Funciona en tres modes:
Mode de xarxa autònom: desplegat a l'espectre GSM reassignat.
En mode-banda: desplegat dins del bloc de recursos d'un operador LTE existent.
Mode de banda de protecció: desplegat en bandes de protecció no utilitzades entre operadors LTE.
El mòdul de ràdio NB-IoT és més senzill i més barat, amb una amplada de banda de canal de només 180 kHz. Les característiques principals inclouen:
Cobertura ampliada: el pressupost d'enllaç millorat li permet operar en entorns complexos com ara soterranis i zones remotes.
Modes-d'estalvi d'energia (PSM i eDRX): el dispositiu pot mantenir l'estat de registre de la xarxa, però romandre en estat inactiu durant molt de temps, només es desperta quan cal la transmissió de dades. Això pot reduir el consum d'energia inactiva al nivell de microamperes i allargar la vida de la bateria a més de 10 anys.
Programació eficient: l'ús de l'enllaç ascendent de banda estreta amb repetició del senyal garanteix la transmissió estable de càrregues de dades petites (bytes a kilobytes). El rang de retard és d'uns centenars de mil·lisegons a uns quants segons, adequat per a la majoria d'aplicacions de telemetria.
Densitat de dispositius: una única cèl·lula NB-IoT pot suportar fins a 50.000 dispositius, la qual cosa permet un desplegament urbà d'alta-densitat.
Seguretat: NB-IoT hereta el potent marc de seguretat 3GPP, que inclou l'autenticació, l'encriptació i la protecció de la integritat basada en targeta SIM-.
Rendiment: la velocitat de dades és de desenes de kbps, optimitzada per a una transmissió de dades petita i poc freqüent.
Aplicació pràctica
Mesuració intel·ligent
Les empreses de serveis públics són un dels principals camps d'aplicació de la tecnologia NB-IoT. Els comptadors d'aigua i de gas que admeten NB-IoT han substituït la lectura manual del comptador i poden transmetre dades de manera fiable fins i tot en zones interiors profundes, com ara soterranis. Això millora la precisió de la facturació, facilita la detecció de fuites i minimitza al màxim les operacions manuals. Vodafone i altres operadors europeus han desplegat milions de comptadors intel·ligents NB-IoT.
Seguiment d'actius i logística
NB-Els sensors IoT poden fer un seguiment de la ubicació i l'estat de les mercaderies, inclosa la vigilància ambiental. En comparació amb les solucions que només utilitzen GPS, la durada de la bateria d'aquests sensors s'ha ampliat significativament. Per exemple, China Mobile ha desplegat la tecnologia NB-IoT en milers de camions de cadena de fred, reduint les pèrdues de càrrega en més d'un 15%.
Seguiment ambiental
Les ciutats estan implementant sensors IoT NB-per controlar la qualitat de l'aire, la contaminació acústica i els nivells d'aigua. A l'Índia, els sensors de nivell d'aigua de NB-IoT poden proporcionar avisos d'inundació, demostrant el potencial d'aquesta tecnologia en termes de baixos costos de manteniment i desplegament a escala municipal-.
Infraestructura intel·ligent
NB-IoT s'està integrant en fanals intel·ligents, parquímetres i papereres. A Viena, els fanals intel·ligents utilitzen NB-IoT per ajustar la il·luminació segons les condicions de l'activitat, reduint així el consum d'energia en un 30%. La paperera intel·ligent avisarà el servei de recollida d'escombraries quan estigui ple, optimitzant així el recorregut i estalviant combustible.
Dispositius sanitaris i portàtils
NB-IoT es pot connectar a dispositius com ara monitors remots de glucosa en sang, marcapassos i botons d'emergència personals. El projecte pilot de telemedicina rural utilitza NB-IoT per supervisar pacients a zones amb cobertura de banda ampla insuficient, reduint així la necessitat que els pacients visitin els hospitals.
Agricultura
Els sensors d'humitat del sòl guien els agricultors a formular plans de reg per minimitzar l'ús d'aigua i augmentar els rendiments dels cultius. Els collars de bestiar poden fer un seguiment de la ubicació-en temps real i de l'estat de salut dels animals, aconseguint així una gestió més eficaç del ramat.
Comparació amb altres tecnologies de xarxa d'àrea àmplia-de baixa potència (LPWAN).
LoRaWAN i Sigfox són dues tecnologies LPWAN principals que operen en un espectre sense llicència. LoRaWAN és molt adequat per al desplegament en xarxes dedicades, mentre que Sigfox ofereix una àmplia cobertura a través dels seus operadors de xarxa. Tanmateix, en comparació amb la tecnologia d'espectre amb llicència, tots dos són vulnerables a les interferències i poden tenir limitacions pel que fa a la capacitat de l'enllaç ascendent i al suport-a llarg termini dels operadors.
En canvi, NB-IoT utilitza espectre amb llicència, proporcionant fiabilitat de grau-operador, estandardització global i suport a llarg termini-per part dels operadors de xarxes mòbils, mantenint-lo en línia amb la direcció de desenvolupament de LTE-M i 5G. Per tant, NB-IoT és molt adequat per a xarxes públiques gestionades per operadors, mentre que LoRaWAN normalment ofereix una major flexibilitat per a xarxes d'empresa privada.
Consideracions de disseny d'enginyeria
NB-IoT és un complement més que un substitut d'altres estàndards sense fil, com ara BLE, Wi-Fi o Thread, i normalment coexisteix amb ells en desplegaments híbrids. Els enginyers han de valorar els avantatges i les limitacions de NB-IoT:
Retard: un retard d'uns quants segons no s'aplica a les aplicacions que requereixen un control-en temps real.
Mobilitat: la compatibilitat amb la commutació entre cel·les és limitada, de manera que NB-IoT és més adequat per a dispositius fixos o de baixa-mobilitat.
Rendiment: la velocitat de dades està limitada a desenes de kbps, per la qual cosa no és adequada per a aplicacions de gran volum de-dades-.
Dependència de l'operador: la cobertura i la disponibilitat funcional varien segons l'operador i la regió.
El desplegament eficaç de NB-IoT requereix una atenció especial als aspectes següents:
Química de les bateries: cal una selecció acurada, per exemple, utilitzant bateries de clorur de tionil de liti de llarga -vida o supercondensadors per suportar la transmissió de polsos de potència.
Disseny de l'antena: tot i que es poden utilitzar antenes petites, s'han d'ajustar amb cura quan es despleguen sota terra o en una carcassa metàl·lica per aconseguir el millor rendiment.
Selecció del mòdul: els enginyers han de fer coincidir les funcions del mòdul i les bandes de freqüència compatibles amb la infraestructura de l'operador de xarxa.
Actualització del firmware: les actualitzacions--per aire (OTA) s'han de dur a terme de manera incremental i eficient per estalviar energia i amplada de banda.
Si esteu desenvolupant nous circuits o mòduls integrats NB-IoT, T2M té IP verificada-de silici, que pot escurçar el temps de comercialització dels vostres productes i reduir els riscos de desenvolupament.
Consideracions normatives i de desplegament
NB-IoT utilitza espectre amb llicència i ha de cooperar amb els operadors de xarxes mòbils. Els enginyers han d'estar familiaritzats amb l'assignació de l'espectre, les normatives locals i els permisos de desplegament. La llicència d'espectre garanteix un rendiment previsible i redueix les interferències, que és un avantatge clau sobre les solucions LPWAN sense permís. A més, els acords d'operador i les garanties de nivell de servei són crucials per a les implementacions a nivell de missió-ciutat crítica-en indústries com ara serveis públics, sanitat i indústria.
Integració amb tecnologies emergents
NB-IoT s'està integrant cada cop més amb altres tecnologies per crear solucions híbrides potents:
Connexió híbrida: els dispositius poden utilitzar NB-IoT per accedir al núvol i combinar protocols-de curt abast com ara BLE, Matter o Thread per aconseguir la interoperabilitat local del dispositiu.
Intel·ligència perifèrica: NB-Els dispositius IoT integrats amb acceleradors d'IA de baixa-potència poden processar dades localment. Per exemple, els sensors de vibració industrials poden analitzar els patrons de vibració al lloc-i només enviar alertes anormals, estalviant així molt l'ample de banda.
Integració de satèl·lits: NB-s'estan provant mòduls IoT amb satèl·lits d'òrbita terrestre baixa (LEO) per proporcionar connexions per a aplicacions marítimes, mineres i agrícoles remotes.
Evolució de la seguretat: la investigació en criptografia post-quàntica té com a objectiu desenvolupar algorismes lleugers i resistents-quàntics que es puguin executar en dispositius NB-IoT, millorant així la capacitat de la xarxa per resistir les amenaces emergents.
Indústria 4.0: l'escalabilitat i l'alta eficiència energètica de NB-IoT li permeten construir xarxes de sensors denses a les fàbriques intel·ligents, com ara sensors de control de condicions, comptadors d'electricitat i etiquetes logístiques.
Perspectives de futur
NB-IoT s'ha incorporat al full de ruta 5G MTC, garantint el seu desenvolupament i evolució contínues. La seva integració amb xarxes híbrides, informàtica de punta, connectivitat per satèl·lit i la indústria 4.0 la converteixen en una tecnologia fonamental per a un ecosistema d'Internet de les coses escalable i de baixa potència-. A mesura que les ciutats i les indústries adopten una infraestructura més intel·ligent, s'espera que NB-IoT esdevingui una solució de connectivitat potent i rendible-en les properes dècades.
L'aplicació de NB-IoT en el desplegament de-iot a gran escala
NB-IoT està dissenyat específicament per satisfer els requisits bàsics de les aplicacions d'Internet de les coses-a gran escala: alta eficiència energètica, àmplia cobertura, escalabilitat a gran-escala i seguretat sòlida. Omple el buit clau entre els protocols sense fil tradicionals i el LPWAN patentat proporcionant solucions estandarditzades globalment de grau-operador.
La seva aplicació pràctica en camps com la mesura intel·ligent, la vigilància ambiental, la logística, la sanitat i l'agricultura ha demostrat la seva eficàcia en diversos escenaris d'aplicació. Malgrat les seves limitacions en termes de latència, mobilitat i rendiment, NB-IoT continua sent una tecnologia addicional important per crear xarxes d'Internet de les coses a gran-escala, eficients energèticament- i segures.
Amb milers de milions de dispositius connectats a la xarxa, és crucial que els enginyers que desenvolupin sistemes estables i orientats al futur-entenguin els avantatges i els desavantatges, les tecnologies de desplegament i el potencial d'integració de la NB-IoT.
