http://www.microchip.com/8bitEU

Tehnologii wireless pentru reţele IoT

1 FEBRUARIE 2017

Soluţii wireless cu rază mare de acţiune. Fie că este vorba de un aparat de ras care reordonează lamele la apăsarea unui buton, fie că este vorba despre un container cu refrigerare care este monitorizat în călătoria sa între continente - IoT (Internet of Things) conectează deja multe lucruri, tendinţă ce pare să crească zi de zi. Cine ştie câte vor fi? În conformitate cu previziunile, între 200 de milioane şi 100 de miliarde de dispozitive vor fi conectate prin Internetul Lucrurilor numai până în 2020. Ceea ce este sigur, este faptul că IPv6 a crescut numărul de adrese IP suportate de la 4 miliarde, la peste 340 sexti­lioane (ceva cu 37 (!) de zerouri). Pe aceste baze se va lucra. Oricine caută să se bazeze pe ele trebuie să se concentreze pe tehnologia wireless. O privire asupra razei de acţiune curente a soluţiilor IoT este evi­dent o resursă extrem de utilă.


Tehnologiile wireless IoT cu rază mare de acţiune formează baza pentru o rețea LPWAN (Low Power Wide Area Network). În aceste tipuri de reţele, dispozitivele finale cu consum energetic redus – tipic senzori – sunt conectate la porţi care transmit datele către alte dispozitive şi servere de reţea.
Dispozitivele de reţea apreciază datele recepţionate şi controlează dispozitivele finale. În consecinţă, protocoalele sunt special proiectate pentru capabilităţi de rază mare de acţiune, dispozitive de joasă putere şi costuri de operare reduse.

Wireless celular / LTE
Rutronik_EA0117_Long_Range_shutterstock_N6Pentru mult timp, tehnologia wireless celulară a avut o poziţie de monopol în aplicaţiile de rază mare de acţiune, care pot conecta un dispozitiv la Internet fără o poartă. Mulţumită infrastructurii bine stabilite a staţiilor de bază, produsele finale necesită numai un card SIM pentru a intra în comunicație cu cloud-ul. După iniţializare şi înregistrare cu succes la furnizorul reţelei, datele pot fi trimise şi recepţionate.
Dezvoltările tehnologiilor celulare în trecut s-au concentrat în general pe viteze mai mari de transmisie a datelor. LTE Advanced, de exemplu, permite acum viteze de transmitere a datelor de până la 3,9 Gbps la descărcare şi 1,5 Gbps la încărcare. Totuşi, majoritatea lucrurilor în IoT nu transmit asemenea cantităţi uriaşe de date, majoritatea lor necesitând mai puţin de 100 bpm. De aceea, concentrarea unei tehnologii de comunicaţie de succes este asupra razei mari de acţiune, comunicaţiei sigure şi consumului energetic redus, pentru o durată de viaţă extinsă a bateriilor. Viteze mici de transmisie a datelor au un efect pozitiv asupra consumului energetic.

LTE-M
Cu acest obiectiv în minte, 3GPP (Third Generation Partnership Project), al cărui scop este dezvoltarea în continuare de standarde wireless celulare (GSM, UMTS, LTE), a creat standardul LTE-M. Este, de asemenea, cunoscut ca LTE-MTC (Machine Type Communications). LTE-M transmite în banda licenţiată sub-GHz, între 700MHz şi 900MHz. Vitezele de transfer de date pentru descărcare şi încărcare sunt de 1Mbps. Abordarea unui consum energetic redus ar trebui să ajute la extinderea duratei de viaţă a bateriilor undeva între 10 şi 20 de ani.
Un alt aspect pozitiv al LTE-M este acoperirea excelentă pe care o oferă, deoarece LTE-M utilizează infrastructura wireless celulară existentă. Un avantaj suplimentar pentru furnizori este acela că LTE-M operează într-un spectru licenţiat bine-cunoscut. De aceea, este extrem de sigur şi robust, fiind de asemenea ideal pentru servicii cu cerinţe de calitate ridicate.
Un dezavantaj al LTE-M este costul ridicat pentru utilizarea reţelelor wireless celulare licenţiate. În acest caz, fiecare dispozitiv final necesită cardul propriu SIM, care conduce la costuri suplimentare de instalare şi întreţinere. Suplimentar, există costuri de exploatare care, în medie, sunt semnificativ mai ridicate decât acela al tehnologiilor comparabile.
Mai mult, serviciul card SIM curent pentru LTE-M este mai complicat prin comparaţie. Un ajutor poate fi oferit în viitor de cardul eSIM (embedded SIM). După cum sugerează numele, el este integrat în dispozitivul final şi poate, la schimbarea furnizorului, să fie reprogramat cu uşurinţă, fără a trebui să fie deschis dispozitivul.
Familia xE910 de la Telit, de exemplu, este ideală la trecerea către noile generaţii wireless celulare. Sunt în mod curent disponibile module pentru GSM, diferite versiuni UMTS şi LTE, iar producă­torul a anunţat deja module pentru LTE-M.
Dispozitivele pot fi actualizate eficient şi efectiv cu module, mulţumită factorului de formă identic. Deasupra acestor lucruri, Telit oferă adiţional servicii precum carduri SIM specifice şi tarife pentru aplicaţii industriale.

Rutronik_EA0117_Telit_FormFactorGraphicsSigFox
SigFox este o soluţie croită pentru rază mare de acţiune (30 – 50km în zone rurale, 3 – 10km în zone urbane), viteză redusă de transfer de date (12 byte pe mesaj, max. 140 mesaje pe zi, pe dispozitiv) şi operare preferabilă de joasă putere. SigFox utilizează banda sub-GHz (868MHz în Europa) şi implică modulare BPSK cu tehnologie în bandă ultra-îngustă. Dispozitivele finale echipate cu tehnologie SigFox transmit datele către staţiile de bază SigFox, care trimit apoi datele mai departe, către servere SigFox. Aici este locul în care datele sunt procesate înainte ca rezultatele să fie trimise spre vizualizare înapoi la dispozitivele finale. Aceasta înseamnă că datele sunt gestionate de SigFox pe propriile servere cloud.
Spre deosebire de LTE, infrastructura SigFox este încă în construcţie. Compania lucrează cu marii operatori de reţea de pe glob, cu toate că ea continuă să implementeze şi să opereze propriile reţele în diferite regiuni, de exemplu în Franţa şi SUA. SigFox oferă la ora actuală acoperire cu servicii în Franţa, Portugalia, Spania, Olanda şi UK. Specialistul IoT are planuri de dezvoltare în Belgia, Danemarca, Germania, Irlanda, Italia, Luxemburg şi SUA; numai în SUA, compania cu sediul în Franţa, a planificat o extindere de la 10 la 50 de oraşe în numai şase săptămâni. Cu toate acestea, tehnologia nu este încă recomandată pentru proiecte la nivel de ţară sau internaţionale.
Pentru SigFox nu este nevoie de card SIM. Preţul depinde de câte mesaje sunt trimise pe zi şi de volumul acestora. Clienţii plătesc în general între 1 şi 10 euro pe an pentru a păstra activ un dispozitiv individual final.
Soluţiile de transmitere şi recepţionare pentru SigFox sunt oferite, de exemplu, de familia ATA8520 de la Microchip Atmel. Sistemele pe cip (SoC) vin cu modulare DBPSK integrată şi stivă de protocoale SigFox. ID-ul lor SigFox, codul PAC, şi cheile de criptare sunt stocate şi asigurate în interiorul cipului, fiind sigure la extragere. Pentru a îmbunătăţi flexibilitatea, ATA8520 pot fi conectate la fiecare tip de microcontroler.
Familia LE51-868S de la Telit conţine soluţii de module DIP şi SMD care pot fi conectate, respectiv lipite. Modulele pot opera în banda de 863MHz până la 870MHz, atât cu protocolul patentat Telit, cât şi cu poarta SigFox.

LoRa
LoRa este foarte apropiată de tehnologia SigFox: LoRa utilizează de asemenea banda sub-GHz (868MHz în Europa), atinge raze de acţiune similare (până la aproximativ 15 km), şi este foarte eco­nomică datorită vitezei mici de transfer de date, de la 0,3 la 22kbps. Spre deosebire de SigFox, LoRa utilizează tehnologie cu cip de distribuţie spectrală pentru a stabili flexibil raportul dintre lăţimea de bandă şi viteza de transfer.

Alianţa LoRa a fost stabilită în 2015 pentru a standardiza şi a dezvolta LoRa. Pe lângă dezvoltatorul LoRa, Semtech, sunt acum membri ai Alianţei LoRa numeroşi producători de cipuri şi module, operatori de reţele şi dezvoltatori de software. Printre aceştia se numără şi Microchip şi STMicroelectronics.
Oricine doreşte să îşi echipeze produsele finale cu LoRa trebuie să plătească o licenţă anuală de 3000 USD către Alianţa LoRa. Nu există alte costuri în afară de aceasta, iar LoRa, ca şi SigFox, nu necesită card SIM.
În termeni de infrastructură, situaţia pentru ambii nou veniţi este similară: membrii Alianţei LoRa lucrează intensiv la extinderea acoperirii, în special în Europa şi SUA, dar de asemenea, şi în marile oraşe din Rusia. Mulţumită unei reţele interactive, fiecare utilizator poate ajuta la extinderea infrastructurii LoRa. Utilizatorii care nu doresc să aştepte îmbunătăţirea acoperirii pot să stabilească o reţea privată utilizând tehnologia LoRa – dacă aplicaţia permite. Soluţiile cu module LoRa de la Microchip sunt disponibile pentru pieţele din Europa (RN2483) şi SUA (RN2903). Modulele înalt integrate conţin microcontrolerul, un oscilator cu cristal, EEPROM serial cu identitatea nodului EUI-64, transceiver radio cu parte frontală analogică şi circuite de adap­tare. Pentru dezvoltare, producătorul oferă plăci specifice şi un kit complet de dezvoltare poartă.

Cursă umăr la umăr
Comparativ cu LTE-M, atât LoRa, cât şi SigFox oferă beneficii de cost: la ora actuală hardware-ul pentru un modul costă aproximativ 10 USD. La aceasta se adaugă taxa pentru licenţă anuală LoRa de 3000 USD. În acest timp, utilizatorii SigFox se aşteaptă să plătească undeva între 1 şi 10 euro pe an pentru fiecare dispozitiv final. Costurile hardware pentru LTE-M sunt mult mai mari decât cele pentru SigFox şi LoRa, iar pe lângă acestea se mai adaugă cheltuielile de funcţionare pentru cardul SIM şi costurile de înlocuire.
Modulele wireless LoRa şi SigFox pentru dispozitivele finale asigură o operare cu consum energetic foarte redus, putând transmite pe distanţe mari cu caracteristici puternice de penetrare în clădiri. Cea mai mare piedică pentru ambele tehnologii este totuşi infrastructura, care este în progres.
Totul s-a transformat într-o cursă umăr la umăr între LoRa şi SigFox şi va fi interesant de văzut cine va învinge – sau poate că un nou competitor va intra în luptă. Abilitatea de a crea reţele private este un avantaj particular al LoRa. Poate că nu este potrivită pentru toate aplicaţiile, dar asigură pentru LoRa un grad de independenţă indiferent de rezultatul cursei.

Dar comunicaţiile de date utilizând tehnologie celulară wireless continuă să ofere numeroase oportunităţi. De exemplu, Nordic Semiconductor, unul dintre liderii furnizorilor de conectivitate wireless de ultra-joasă putere, a anunţat dezvoltarea seriei nRF91 cu tehnologie de joasă putere LTD în luna iulie a anului trecut. Parcursul companiei include soluţii înalt integrate pentru tehnologiile celulare viitoare NB-IoT şi 3GPP 13 LTE-M, un nou tip de comunicaţie cu “lucrurile” în bandă îngustă.

Autor: Schaal Anja, Rutronik


Rutronik |  www.rutronik.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre