من المحرك البخاري إلى خط إنتاج المصنع, أعادت الموجات الأولى من الثورة الصناعية تشكيل الحضارة الإنسانية بشكل أساسي. اليوم, إننا نقف على أعتاب التحول التالي الذي سيحدد العصر – ظهور إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء). ومع ذلك, لكي تترسخ ثورة إنترنت الأشياء حقًا, مطلوب نسيج اتصال يمكن الاعتماد عليه – واحدة يمكن أن توفر واسعة النطاق, تغطية موثوقة للمليارات المتوقعة من أجهزة الاستشعار ونقاط النهاية. هذا هو المكان الذي توجد فيه إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق (ملحوظة: إنترنت الأشياء) يدخل الإطار.
فما هو بالضبط NB-IoT؟, وما هي القدرات الفريدة التي يقدمها هذا المعيار الخلوي الضيق النطاق? وكيف ترتبط بخيارات اتصال إنترنت الأشياء الحالية? هيا بنا نتعمق.
ما هو إنترنت الأشياء الضيق النطاق؟?
إنترنت الأشياء ضيق النطاق (ملحوظة: إنترنت الأشياء) هو بروتوكول LPWAN موحد بواسطة 3GPP لتمكين مجموعة واسعة من أجهزة وخدمات إنترنت الأشياء المتصلة بالخلية الجديدة.
فهو يوفر مسارًا لاسلكيًا مخصصًا مُحسّنًا لإنترنت الأشياء. حسب الاسم المقترح, يستخدم إنترنت الأشياء ضيق النطاق نطاقًا تردديًا ضيقًا جدًا, مما يسمح بتغطية ممتدة ممتازة مع زيادة عمر بطارية الأجهزة إلى الحد الأقصى – يمكن لأجهزة NB-IoT تحقيق ما هو أكثر من ذلك 10 سنوات من عمر البطارية.
استخدام نطاقات الطيف المرخصة مثل نطاقات 4G LTE, تعمل تقنية NB-IoT على تحسينها حصريًا للاتصال بإنترنت الأشياء. من خلال إعادة تنظيم النطاقات الخلوية الحالية لاستخدام NB-IoT بدلاً من الحاجة إلى تخصيصات جديدة للطيف, ويمكن نشر هذه التكنولوجيا بسرعة من قبل مشغلي شبكات الهاتف المحمول.
مع امتداد تغطية ممتاز وكفاءة قصوى في استخدام الطاقة, يعمل NB-IoT على تمكين مجموعة واسعة من أجهزة إنترنت الأشياء الجديدة من تقديم بيانات غنية بأقل تكلفة للصيانة, التغلب على عائقين رئيسيين أمام التبني الشامل لإنترنت الأشياء. ويجري بالفعل النشر العالمي السريع, وخاصة في آسيا, أوروبا وأمريكا الشمالية.
بنية النطاق الضيق لإنترنت الأشياء وكيف تعمل
تم توحيد NB-IoT في 2016 بواسطة 3GPP قيد الإصدار 13 للتشغيل ضمن نطاقات الطيف المرخصة المملوكة لشركات الهاتف المحمول. يحدث الاتصال بين أجهزة NB-IoT والشبكة ضمن نطاق ضيق محدد يبلغ 200 كيلو هرتز, مقارنة بالنطاقات الأوسع التي يستخدمها الاتصال الخلوي القياسي.
تتكون بنية NB-IoT من أجهزة نهائية (مجسات), المحطات الأساسية أو نقاط الوصول, خوادم / منصات الشبكة الأساسية والتطبيقات. يمكن استخدام المكونات الاختيارية مثل البوابات لتوصيل العقد داخل المباني أو تحت الأرض عندما لا يكون الوصول المباشر ممكنًا.
يحتوي NB-IoT على ثلاثة أوضاع نشر متميزة لتحقيق أقصى قدر من التغطية عبر البنية التحتية المختلفة:
- داخل الفرقة – يستخدم كتل الموارد داخل الناقل LTE العادي
- فرقة الحرس – يستخدم كتل الموارد غير المستخدمة داخل مشغل LTE العادي
- مستقل – يستخدم الناقل المستقل في طيف مخصص
من خلال الاستفادة من البنية التحتية والطيف الخلوي الحالي, يوفر NB-IoT حلاً فعالاً لإنترنت الأشياء يدعمه كبار موردي الأجهزة والشرائح على مستوى العالم. يمكن أن تتعايش مع التقنيات الخلوية الأخرى مثل 2G, 3ز, 4ز, LTE-M و5G من خلال نماذج النشر المرنة.
ما هي فوائد وقيود NB-IoT
توفر إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق إمكانات اتصال هائلة ولكنها تأتي أيضًا مع بعض القيود التقنية. إن فهم المزايا والعيوب الحالية يسمح بتحديد التوقعات بشكل صحيح واتخاذ قرار مستنير بشأن متى يكون NB-IoT هو الأنسب للتطبيق.
فوائد إنترنت الأشياء ضيق النطاق
- استهلاك منخفض للطاقة– يتم تحقيق طاقة منخفضة للغاية عبر نطاق ترددي صغير للإرسال وميزات توفير الطاقة لفترات الإرسال غير النشطة مثل PSM وeDRX. وهذا يدعم سنوات أطول من عمر البطارية, ضروري للأجهزة البعيدة ذات الوصول المحدود للطاقة.
- تعزيز التغطية والمدى– استخدام إشارة النطاق الضيق وإعادة إرسال الحزمة, يحقق NB-IoT اتصالاً موثوقًا به في الداخل وتحت الأرض. يصل مداها إلى حوالي 1 كم في المناطق الحضرية, ~10 كم ريفية – مثالية للأجهزة البعيدة.
- عدد هائل من الاتصالات– يمكن أن تدعم المحطة الأساسية NB-IoT أكثر من ذلك 50,000 الأجهزة في وقت واحد من خلال جدولة فعالة للإرسال ونوافذ النوم. تدعم قابلية التوسع هذه عمليات النشر واسعة النطاق – حيوية لشبكات إنترنت الأشياء واسعة النطاق عبر البنية التحتية.
- انخفاض تكلفة الجهاز والنشر– من خلال تقليل تعقيد الجهاز إلى الاتصال الأساسي فقط, تكلف أجهزة NB-IoT جزءًا صغيرًا من تكلفة أجهزة مودم 4G/5G. خطط البيانات الصغيرة تكلف أيضًا أقل. مع عدم الحاجة إلى بوابة والاستفادة من النطاقات الموجودة, تعد عمليات النشر أرخص بكثير من إنشاء شبكات LPWAN مخصصة.
حدود إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق
- انخفاض نقل البيانات– يتمتع NB-IoT بنطاق ترددي وسرعة أقل من LTE-M, تفتقر إلى القدرة على نقل البيانات عالية. لا يمكنه دعم تطبيقات الصوت/الفيديو التي تتطلب إنتاجية كبيرة.
- زمن انتقال أعلى– مقارنة بـ 4G و 5G, تواجه NB-IoT مزيدًا من التأخر بين حزم البيانات التي يتم إرسالها واستقبالها. إنه ليس مثاليًا لحالات الاستخدام التي تحتاج إلى الوقت الفعلي, الاتصالات الكمون المنخفض.
- محدودية حركة الجهاز– مع عرض النطاق الترددي المنخفض ومعدلات الوصلة الصاعدة/الهابطة بطيئة, يعد NB-IoT هو الأفضل للأجهزة الثابتة أو منخفضة الحركة للغاية. لا يتم دعم عمليات النقل السريع بين خلايا الشبكة مثل 4G-LTE و5G بكفاءة.
- تغطية عالمية أقل– لا يزال نشر إنترنت الأشياء ذات الحزمة الضيقة (NB-IoT) يتزايد في العديد من المناطق على مستوى العالم. اتفاقيات تجوال أقل لشبكات NB-IoT مقارنة بالتغطية العالمية السلسة التي تحد من الاتصالات المتنقلة حاليًا.
هل NB-IoT آمن أم يمكن اختراقه؟
يستخدم NB-IoT إطار الأمان المثبت الذي تحدده 3GPP لشبكات LTE. يتضمن ذلك المصادقة المتبادلة بين الجهاز والشبكة, تشفير البيانات عبر الهواء عبر مفاتيح الجلسة, وتحديثات البرامج الثابتة الموقعة. تعمل الاستراتيجيات الإضافية على مستوى الجهاز، مثل منع التلاعب والكشف عن الحالات الشاذة، على تعزيز الأمان.
هناك فائدة أخرى من الامتثال لمعايير 3GPP وهي أن NB-IoT يدعم بروتوكولات الأمان الحالية المستخدمة عبر الشبكات الخلوية بالإضافة إلى أي ميزات جديدة تضاف في المستقبل..
بينما لا توجد تقنية محصنة تمامًا من العبث أو الاختراق, يوفر NB-IoT تدابير أمنية موحدة قوية على قدم المساواة مع شبكات الهاتف المحمول الحالية للحماية من مجموعة من التهديدات السيبرانية التي تمتد وصولاً إلى أجهزة حافة إنترنت الأشياء.
حالات الاستخدام الرئيسية وتطبيقات NB-IoT
مع عمر البطارية الطويل, نطاق واسع, نقل حزم البيانات الصغيرة, والأمن القوي – تعد NB-IoT تقنية مثالية لتوصيل أجهزة الاستشعار, المراقبين, والمحركات عبر أنظمة البنية التحتية للتمكين:
قياس ذكي
في الوقت الحقيقي القراءة عن بعد للغاز, استخدام الكهرباء والماء دون الحاجة إلى الفحص اليدوي. تتيح الرؤى توفيرًا أفضل للطاقة واكتشاف التسرب. تناسب الطاقة المنخفضة والنطاق المحسن لـ NB-IoT حتى المواقع الصعبة.
المدن الذكية
أجهزة استشعار بيئية لجودة الهواء/الماء, مراقبة الصوت, تجاوز سلة المهملات, تتبع أماكن وقوف السيارات, مراقبة البنية التحتية, والإضاءة الذكية التي يتم ضبطها بناءً على الظروف المحيطة وتدفق الأشخاص.
المراقبة البيئية
حقول المزرعة, الأنهار, البرية, ويمكن مراقبة المناطق المحمية المحمية لمعرفة الظروف, عمليات المعدات, التدخلات الخ. بدون بنية تحتية واسعة النطاق للطاقة أو الاتصالات.
الزراعة الذكية
أجهزة استشعار الرطوبة غير مكلفة, مراقبي المعدات, توفر أجهزة اختبار مغذيات التربة المتصلة عبر NB-IoT رؤية أفضل لتحسين عملية الري, اسمدة, وتتبع المحاصيل.
تتبع الأصول وإدارتها
تقوم علامات NB-IoT التي تعمل بالبطارية بأسعار معقولة بمراقبة موقع المركبات وحالتها, الآلات الثقيلة, عناصر النقل القابلة للإرجاع (المنصات, حاويات), والبنية التحتية للأصول البعيدة.
منازل ذكية
أجهزة الاستشعار تراقب إشغال الغرفة, درجة الحرارة, رطوبة, الضوضاء, مستويات الإضاءة بينما تقوم وحدات التحكم بضبط نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)., إضاءة, والأجهزة تلقائيًا بناءً على الظروف وأنماط الاستخدام لتحسين الراحة, السلامة وكفاءة الطاقة.
الرعاية الصحية الذكية
تعد احتياجات الطاقة المنخفضة والاتصال واسع النطاق لـ NB-IoT مثالية لتحسين رعاية المرضى من خلال المراقبة عن بعد أثناء العلاج. يسمح نظام الموقع المنسدل القائم على NB-IoT بالإخطار المبكر إذا حاول المرضى المعرضون للخطر الوقوف أو التحرك بمفردهم. يمكن تنبيه طاقم الرعاية لمساعدة المريض على الفور.
تمتد التطبيقات إلى كل صناعة تقريبًا بدءًا من النقل, إلى الطاقة, التعليم, قطاعي, من بين أمور أخرى. تقريبًا أي شيء يحتاج إلى اتصال طويل الأمد لنقل البيانات ذات النطاق الترددي المنخفض يعد مناسبًا لإنترنت الأشياء NB-IoT.
مقارنات بين NB-IoT وشبكات LPWAN الأخرى
في حين توجد خيارات أخرى لشبكات إنترنت الأشياء الموفرة للطاقة, تجمع NB-IoT بين نقاط القوة التي تجعلها المنافس الرائد لمجموعة واسعة من عمليات النشر. نقوم هنا بمقارنة NB-IoT مع ثلاث تقنيات أخرى للشبكات واسعة النطاق منخفضة الطاقة المستخدمة على نطاق واسع – LTE-M, سيجفوكس و لوراوان:
NB-IoT مقابل LTE-M
تعد كل من NB-IoT وLTE-M من تقنيات LPWAN الخلوية الموحدة بواسطة 3GPP لإنترنت الأشياء. ومع ذلك, يدعم LTE-M عرض نطاق ترددي أعلى يبلغ 1.4 ميجاهرتز مع معدلات بيانات أسرع تصل إلى 1 ميجابت في الثانية. يتيح LTE-M أيضًا إمكانية التنقل الكامل والدعم الصوتي على عكس NB-IoT. لكن المفاضلة هي أن LTE-M يستهلك المزيد من الطاقة على الرغم من التحسينات مثل PSM وeDRX.
شاملة, يناسب LTE-M التطبيقات الحساسة لزمن الوصول والتي تحتاج إلى نطاق ترددي أعلى, في حين أن NB-IoT مثالي للأجهزة الثابتة أو البطيئة الحركة التي ترسل كميات صغيرة من البيانات غير المهمة للوقت. يتطلب LTE-M دفع الإتاوات لأصحاب براءات الاختراع, لكن NB-IoT يتجنب تكاليف البوابة من خلال الاستفادة من الطيف الخلوي الحالي. تعتبر المعايير متكاملة لحالات استخدام إنترنت الأشياء المختلفة – LTE-M للاتصالات القوية وNB-IoT للحفاظ على الطاقة بشكل فائق.
NB-IoT مقابل لورا
تتمثل الاختلافات الرئيسية في أن NB-IoT يعمل في نطاق خلوي مرخص مثل 4G LTE, بينما تستخدم LoRa طيفًا غير مرخص في نطاقات ISM. وهذا يعني أن NB-IoT يستفيد من أمان وموثوقية الشبكات الخلوية, بينما توفر LoRa المزيد من المرونة حيث يمكن لأي شخص نشر شبكة LoRa الخاصة به.
تتمتع NB-IoT أيضًا بزمن وصول أقل وإنتاجية أعلى من LoRa. ومع ذلك, LoRa لديها مدى أطول, انخفاض استهلاك الطاقة, وخفض تكاليف الوحدة. تعطي LoRaWAN الأولوية لتقليل استهلاك الطاقة, تحقيق ما يصل إلى 15+ سنوات من عمر البطارية.
NB-IoT مقابل Sigfox
Sigfox هي تقنية LPWAN منافسة أخرى تستخدم طيفًا غير مرخص في نطاقات الراديو ISM. يستخدم تعديل النطاق الضيق للغاية لتوفير اتصالات طويلة المدى مع استخدام طاقة قليلة جدًا.
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين NB-IoT وSigfox في أن NB-IoT يتمتع بنطاق ترددي أكبر, معدلات بيانات أعلى, وزمن وصول أقل مقارنة بـ Sigfox. يمكن أن يوفر NB-IoT إنتاجية تصل إلى 250 كيلوبت في الثانية مع زمن وصول أقل من 10 ثوانٍ. يتمتع Sigfox بأقصى إنتاجية تبلغ 100 بت في الثانية وزمن وصول نموذجي يتراوح من 1 إلى 30 ثانية. لا يحتوي نقل البيانات أيضًا على قناة عودة إلى الأجهزة.
ومع ذلك, تتمتع Sigfox ببعض المزايا من حيث البساطة والتغطية العالمية. تعد شبكات Sigfox أسهل في النشر وقد حققت بالفعل تغطية واسعة النطاق على مستوى العالم. تعتمد تغطية NB-IoT على إصدارات LTE الخلوية، لذا قد تكون محدودة أكثر.
| ملحوظة: إنترنت الأشياء | LTE-M | لورا | سيجفوكس | |
| التوحيد القياسي | 3جي بي بي | 3جي بي بي | تحالف لورا | إيتسي |
| عرض النطاق | 200 كيلو هرتز | 1.4 ميغاهيرتز | 250 كيلو هرتز | 100 هرتز |
| تكرر | مرخصة | مرخصة | غير مرخصة | غير مرخصة |
| سرعة نقل البيانات | < 250 كيلو بايت في الثانية | <1 ميجابت في الثانية | < 10 كيلوبت في الثانية | <100 بت في الثانية |
| وقت الإستجابة | متوسط | منخفض | متوسط | متوسط |
| إدارة التنقل | ❌ | ✔ | ✔ | ✔ |
| تغطية ممتدة | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| استهلاك الطاقة | متوسط منخفض (أعلى من لورا) | متوسط (أعلى من NB-IoT) | منخفظ جدا | منخفض |
| الشبكات الخاصة ممكنة | لا | لا | نعم | لا |
| تكلفة الوحدة | $7-12 | $10-15 | $9-12 | $5-10 |
| تكلفة الراديو | $ | $$$ | $ | $ |
الأسئلة الشائعة حول NB-IoT
هل هناك رسوم لاستخدام Narrowband-IoT?
نعم – يتم شراء خطط البيانات من شركات الجوال المشابهة للهواتف الذكية. ومع ذلك, نظرا لأحجام الحزمة الصغيرة, يمكن أن تكون التكاليف أقل بكثير $1 لكل جهاز شهريا. تختلف الرسوم بين المشغلين بناءً على عوامل مثل عدد الأجهزة واستخدام البيانات.
هل يركز NB-IoT على كفاءة استخدام الطاقة؟?
قطعاً – 10+ يمكن تحقيق عمر البطارية لمدة عام مما يسمح بنقاط النهاية التي تعمل بالبطارية بالكامل. جنبا إلى جنب مع التغطية المحسنة, وهذا يتيح تطبيقات لم تكن ممكنة من قبل.
ما هو معدل زمن الوصول لعمليات إرسال إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق؟?
تكتمل معظم عمليات نقل البيانات داخل 1-10 ثواني. لتأخير الاحتياجات الحساسة تحت 1 ثانيا, من المحتمل أن يكون LTE-M هو الأفضل.
