Узкополосный Интернет вещей: все, что вам нужно знать о NB-IoT

От парового двигателя до заводской производственной линии – первые волны промышленной революции фундаментально изменили человеческую цивилизацию. Сегодня мы стоим на пороге следующего переломного момента – развития Интернета вещей (IoT). Однако для того, чтобы IoT-революция действительно закрепилась, необходима надёжная структура связи, способная обеспечить обширное и стабильное покрытие для ожидаемых миллиардов датчиков и конечных точек. Именно здесь на сцену выходит узкополосный IoT (NB-IoT).

Что же такое NB-IoT и какие уникальные возможности предлагает этот стандарт узкополосной сотовой связи? И как он соотносится с существующими вариантами подключения к Интернету вещей? Давайте разберёмся.

Что такое узкополосный Интернет вещей?

Узкополосный Интернет вещей (NB-IoT) — это ЛПВАН протокол, стандартизированный 3GPP для поддержки широкого спектра новых сотовых устройств и услуг Интернета вещей.

Он предлагает выделенный беспроводной канал, оптимизированный для Интернета вещей. Как следует из названия, узкополосный Интернет вещей использует очень узкую полосу пропускания, обеспечивая превосходное расширенное покрытие и максимальное время автономной работы устройств — устройства NB-IoT могут работать без подзарядки более 10 лет.

Используя лицензированные диапазоны частот, такие как диапазоны 4G LTE, технология NB-IoT оптимизирует их исключительно для подключения к Интернету вещей. Перераспределение существующих диапазонов сотовой связи для использования NB-IoT без необходимости выделения нового спектра позволяет операторам мобильной связи быстро внедрить эту технологию.

Благодаря превосходному охвату и исключительной энергоэффективности, технология NB-IoT позволяет широкому спектру новых устройств Интернета вещей предоставлять обширные данные с минимальными затратами на обслуживание, преодолевая два ключевых препятствия на пути к массовому внедрению Интернета вещей. Быстрое глобальное внедрение уже началось, особенно в Азии, Европе и Северной Америке.

Архитектура узкополосного Интернета вещей и как она работает

NB-IoT был стандартизирован в 2016 году 3GPP в версии 13 для работы в лицензированных диапазонах частот, принадлежащих операторам мобильной связи. Связь между устройствами NB-IoT и сетью осуществляется в выделенном узком диапазоне 200 кГц, в отличие от гораздо более широких диапазонов, используемых стандартной сотовой связью.

Архитектура NB-IoT состоит из конечных устройств (датчиков), базовых станций или точек доступа, базовой сети и серверов/платформ приложений. Дополнительные компоненты, такие как шлюзы, могут использоваться для соединения узлов внутри зданий или под землей, когда прямой доступ невозможен.

NB-IoT имеет три различных режима развертывания для максимального охвата различных инфраструктур:

1. Внутриполосный – использует блоки ресурсов в пределах обычного оператора LTE
2. Защитная полоса — использует неиспользуемые блоки ресурсов в пределах обычного оператора LTE.
3. Автономный – использует автономную несущую в выделенном спектре
4. 

Используя существующую сотовую инфраструктуру и спектр, NB-IoT представляет собой эффективное решение Интернета вещей, поддерживаемое ведущими мировыми производителями оборудования и чипсетов. Благодаря гибким моделям развертывания, NB-IoT может сосуществовать с другими сотовыми технологиями, такими как 2G, 3G, 4G, LTE-M и 5G.

Каковы преимущества и ограничения NB-IoT?

Узкополосный Интернет вещей (NB-IoT) предоставляет огромные возможности подключения, но также имеет ряд технических ограничений. Понимание преимуществ и текущих недостатков позволяет правильно определить ожидания и принять обоснованное решение о том, когда NB-IoT лучше всего подходит для конкретного приложения.

Преимущества узкополосного Интернета вещей

• Низкое энергопотребление– Сверхнизкое энергопотребление достигается за счёт малой полосы пропускания и энергосберегающих функций в периоды бездействия, таких как PSM и eDRX. Это обеспечивает более длительный срок службы аккумулятора, что крайне важно для удалённых устройств с ограниченным доступом к питанию.
• Расширенное покрытие и дальность действия– Используя узкополосный сигнал и ретрансляцию пакетов, NB-IoT обеспечивает надёжное соединение внутри помещений и под землёй. Радиус действия достигает около 1 км в городе и около 10 км в сельской местности — идеально для удалённых устройств.
• Огромное количество соединений– Базовая станция NB-IoT может поддерживать более 50,000 XNUMX устройств одновременно благодаря эффективному планированию окон передачи и сна. Такая масштабируемость обеспечивает возможность массового развертывания, что крайне важно для крупномасштабных сетей IoT в масштабах всей инфраструктуры.
• Низкая стоимость устройства и развертывания– Благодаря минимизации сложности устройства до уровня самых необходимых подключений, оборудование NB-IoT стоит в разы дешевле модемов 4G/5G. Тарифные планы на небольшие данные также обходятся дешевле. Отсутствие шлюза и использование существующих диапазонов значительно снижают стоимость развертывания по сравнению с созданием выделенных сетей LPWAN.

Ограничения узкополосного Интернета вещей

• Более низкая скорость передачи данных– NB-IoT имеет меньшую пропускную способность и скорость, чем LTE-M, что не позволяет передавать большие объемы данных. Он не поддерживает приложения для передачи голоса и видео, требующие высокой пропускной способности.
• Более высокая задержка– По сравнению с 4G и 5G, в NB-IoT наблюдается большая задержка между передачей и получением пакетов данных. NB-IoT не подходит для случаев, где требуется связь в режиме реального времени с малой задержкой.
• Ограниченная мобильность устройства– NB-IoT с низкой пропускной способностью и низкой скоростью восходящего/нисходящего канала лучше всего подходит для стационарных или маломобильных устройств. Быстрые передачи данных между сетевыми ячейками, такими как 4G-LTE и 5G, поддерживаются неэффективно.
• Менее глобальный охват– Внедрение NB-IoT продолжает набирать обороты во многих регионах мира. В настоящее время для обеспечения бесперебойного покрытия по всему миру требуется меньше роуминговых соглашений для сетей NB-IoT, чем для сетей мобильной связи.

Безопасен ли NB-IoT или его можно взломать?

NB-IoT использует проверенную структуру безопасности, разработанную 3GPP для сетей LTE. Она включает в себя взаимную аутентификацию устройства и сети, беспроводное шифрование данных с помощью сеансовых ключей и подписанные обновления прошивки. Дополнительные стратегии на уровне устройства, такие как защита от несанкционированного доступа и обнаружение аномалий, дополнительно усиливают безопасность.

Еще одним преимуществом соответствия стандартам 3GPP является то, что NB-IoT поддерживает как текущие протоколы безопасности, используемые в сотовых сетях, так и любые новые функции, которые будут добавлены в будущем.

Хотя ни одна технология не защищена полностью от несанкционированного доступа или взлома, NB-IoT предлагает надежные стандартизированные меры безопасности наравне с существующими мобильными сетями для защиты от целого ряда киберугроз, которые распространяются вплоть до периферийных устройств IoT.

Основные варианты использования и применения NB-IoT

Благодаря длительному времени автономной работы, большому радиусу действия, передаче небольших пакетов данных и надежной системе безопасности NB-IoT является идеальной технологией для подключения датчиков, мониторов и исполнительных механизмов в инфраструктурных системах, что позволяет:

Smart Metering

Удалённое считывание показаний расхода газа, электроэнергии и воды в режиме реального времени без необходимости ручного контроля. Полученные данные позволяют эффективнее экономить энергию и обнаруживать утечки. Низкое энергопотребление и увеличенный радиус действия NB-IoT подходят даже для сложных условий.

Умные города

Датчики окружающей среды для контроля качества воздуха/воды, звука, переполненности мусорных баков, отслеживания парковочных мест, мониторинга инфраструктуры и интеллектуального освещения, которое регулируется в зависимости от условий окружающей среды и потока людей.

Мониторинг окружающей среды

Мониторинг сельскохозяйственных полей, рек, дикой природы и охраняемых природных зон на предмет состояния, работы оборудования, вторжений и т. д. возможен без использования обширной энергетической или коммуникационной инфраструктуры.

Умное Сельское хозяйство

Недорогие датчики влажности, мониторы оборудования, анализаторы питательных веществ в почве, подключенные через NB-IoT, обеспечивают лучшую видимость для оптимизации полива, внесения удобрений и отслеживания урожая.

Отслеживание активов и управление ими

Доступные по цене NB-IoT-метки с питанием от аккумуляторов отслеживают местоположение и состояние транспортных средств, тяжелой техники, возвратных транспортных средств (поддонов, контейнеров) и удаленной инфраструктуры активов.

Умные дома

Датчики отслеживают присутствие людей в помещении, температуру, влажность, уровень шума и освещенности, а контроллеры автоматически регулируют работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещения и бытовых приборов в зависимости от условий и особенностей использования, чтобы повысить комфорт, безопасность и энергоэффективность.

Умное здравоохранение

Низкое энергопотребление и широкополосное подключение NB-IoT идеально подходят для улучшения качества ухода за пациентами посредством удалённого мониторинга во время лечения. Система обнаружения падений, основанная на NB-IoT, позволяет заблаговременно оповещать пациентов из группы риска о попытках встать или передвигаться самостоятельно. Медицинский персонал может быть оповещён для оперативной помощи пациенту.

Сфера применения охватывает практически все отрасли: от транспорта до энергетики, образования, розничной торговли и других. Практически любые технологии, требующие долгосрочного подключения для передачи данных с низкой пропускной способностью, потенциально подходят для NB-IoT.

Сравнение NB-IoT и других LPWAN

NB-IoT против LTE-M

NB-IoT и LTE-M — это сотовые технологии LPWAN, стандартизированные 3GPP для Интернета вещей. Однако LTE-M поддерживает более широкую полосу пропускания на частоте 1.4 МГц с более высокой пиковой скоростью передачи данных до 1 Мбит/с. В отличие от NB-IoT, LTE-M также обеспечивает полную мобильность и поддержку голосовой связи. Однако LTE-M потребляет больше энергии, несмотря на такие оптимизации, как PSM и eDRX.

В целом, LTE-M подходит для приложений, чувствительных к задержкам и требующих более высокой пропускной способности, в то время как NB-IoT идеально подходит для статичных или медленно движущихся устройств, передающих небольшие объёмы данных, не критичных ко времени. LTE-M требует выплаты роялти держателям патентов, но NB-IoT позволяет избежать затрат на шлюзы, используя существующий спектр сотовой связи. Стандарты являются взаимодополняющими для различных вариантов использования Интернета вещей: LTE-M — для надёжной связи, а NB-IoT — для сверхэкономного энергопотребления.

NB-IoT против Lora

Ключевые отличия заключаются в том, что NB-IoT работает в лицензируемом спектре сотовой связи, таком как 4G LTE, тогда как LoRa использует нелицензируемый спектр в диапазонах ISM. Это означает, что NB-IoT использует преимущества безопасности и надежности сотовых сетей, в то время как LoRa обеспечивает большую гибкость, поскольку любой может развернуть собственную сеть LoRa.

NB-IoT также имеет меньшую задержку и более высокую пропускную способность, чем LoRa. Однако LoRa имеет большую дальность связи, меньшее энергопотребление и более низкую стоимость модулей. LoRaWAN делает ставку на минимизацию энергопотребления, обеспечивая срок службы аккумулятора до 15 лет и более.

NB-IoT против Sigfox

Sigfox — ещё одна конкурирующая технология LPWAN, использующая нелицензируемый спектр в диапазонах ISM. Она использует сверхузкополосную модуляцию для обеспечения связи на больших расстояниях при очень низком энергопотреблении.

Ключевое отличие NB-IoT от Sigfox заключается в том, что NB-IoT обладает большей пропускной способностью, более высокой скоростью передачи данных и меньшей задержкой по сравнению с Sigfox. NB-IoT может обеспечить пропускную способность до 250 кбит/с с задержкой менее 10 с. Максимальная пропускная способность Sigfox составляет 100 бит/с, а типичная задержка — от 1 до 30 с. Кроме того, передача данных не предполагает использования обратного канала к устройствам.

Однако у Sigfox есть некоторые преимущества с точки зрения простоты и глобального покрытия. Сети Sigfox проще в развертывании и уже достигли широкого глобального покрытия. Покрытие NB-IoT зависит от развития сетей LTE, поэтому может быть более ограниченным.

Часто задаваемые вопросы о NB-IoT

Взимается ли плата за использование узкополосного Интернета вещей?

Да, тарифные планы приобретаются у мобильных операторов, как и тарифы на смартфоны. Однако, учитывая небольшие размеры пакетов, стоимость может составлять значительно меньше 1 доллара США за устройство в месяц. Тарифы различаются у разных операторов в зависимости от таких факторов, как количество устройств и объём трафика.

Ориентирован ли NB-IoT на энергоэффективность?

Безусловно – срок службы батареи может достигать более 10 лет, что позволяет создавать конечные устройства, работающие исключительно от аккумулятора. В сочетании с расширенным покрытием это открывает возможности для применения, ранее недоступного.

Какова задержка узкополосных передач IoT?

Большинство данных передаются в течение 1–10 секунд. Для случаев, когда задержка составляет менее 1 секунды, LTE-M, вероятно, лучше подойдёт.