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

Implementarea de soluții LPWAN de succes pentru piețele globale

5 SEPTEMBRIE 2018

Acum când primii operatori de rețele mobile au elaborat la nivel național rețelele de comunicații LTE Cat M1 și NB-IoT, producătorii de dispozitive sunt ocupați cu dezvoltarea de soluții pentru a răspunde cerinței piețelor emergente. Soluțiile de succes vor beneficia de pe urma dispozitivelor inteligente capabile global, configurabile celor mai potrivite tehnologii celulare, rețele, cu management de optimizare energetică și protocoale de comunicație care simplifică implementarea, operarea și întreținerea.

Peisajul conectivității
Tehnologiile de comunicație celulară la nivel global evoluează și se multiplică, iar tehnologiile de arie largă și consum energetic redus (LPWA) croite pentru necesitățile Internetului Lucrurilor nu fac excepție. Utilizând hardware optimizat pentru putere, acoperire, cost și siguranță în funcționare în detrimentul volumului de date și a întârzierii, tehnologiile celulare LPWA se poziționează drept competitori puternici cu cele proprietare într-o varietate de cazuri de utilizare predominant profesionale și comerciale. Datorită faptului că tehnologiile celulare LPWA beneficiază de calitatea garantată a serviciului, este foarte probabil să își extindă conectivitatea către noi piețe, lărgind sfera de acoperire și impactul IoT.
Tehnologiile celulare LPWA – LTE-M și NB-IoT– oferă câteva avantaje față de cele proprietare precum SigFox, LoraWAN, RPMA, și altele. Ele operează pe porțiuni licențiate ale spectrului de comunicații mobile, care garantează că acestea nu sunt aglome­rate. Ele sunt standardizate prin 3GPP, simplificând certificarea hardware pe piețele majore. De asemenea, ele operează pe infrastructuri de rețea mobilă deja existente, adesea necesitând numai o actua­lizare minoră a software-ului pentru a deveni operaționale. Cele de mai sus fac ca tehnologiile celulare LPWA să fie sigure în funcționare, să ofere siguranță și să fie ușor de implementat și întreținut.

Comparație tehnologie LPWA Note: 1. 3GPP – spectru licențiat în 450 MHz și 700 MHz – 3.5 GHz 2. ISM (industrial, științific, medical) – spectru nelicențiat 3. Rețele private și publice LoRa operate de entități în zone specifice, nu sunt garanții de operare între rețele

În vreme ce tehnologiile celulare LPWA pot oferi soluția de comunicare cea mai directă pentru aplicațiile globale IoT, producătorii de dispozitive se văd repede confruntați cu un peisaj foarte fragmentat din punct de vedere tehnologic, comercial și al regulamentelor. Susținut de operatorii majori, LTE-M a fost implementat la nivel național în SUA și Mexic, precum și în alte țări. Asia, inclusiv China, și-a arătat preferința pentru NB-IoT, precum și Europa 1. Și astfel, s-a ajuns la un punct de vârf. Conform cu GSMA, este posibil să existe în acest an mai multe extinderi de rețele, deoarece rețelele mobile IoT se scalează 2.

Cea mai bună tehnologie pentru sarcina dorită
După cum rețelele LPWA s-au dezvoltat în jurul globului, acoperirea continuă să fie un factor cheie ce îi ghidează pe proiectanții de produse în alegerea tehnologiei de comunicație. LTE-M și NB-IoT au fiecare câteva caracteristici distinctive care impun ca tehnologiile să fie o alegere bună pentru aplicații specifice.
Elementele cheie de diferențiere între tehnologii sunt (i) sensibilitatea, (ii) raza de acțiune, (iii) suport voce, (iv) viteza de transfer a datelor, (v) mobilitate și (vi) durata de viață a bateriilor.

2G: Oferă suport voce, manevrare completă de la o celulă de rețea la următoarea, cu o întârziere în domeniul de la secunde la milisecunde, dar îi lipsesc capabilități precum FOTA (actualizare firmware prin aer) și penetrare adâncă. De asemenea, 2G răs­punde necesităților unor industrii precum: managementul flotelor, sisteme de urmărire și dispozitive de măsurare în zona utilităților. Prețul său redus aduce însă o viteză relativ mică de transfer a datelor și o iminentă retragere a acestei tehnologii.

LTE-M: Bazată pe tehnologie LTE, LTE-M oferă o conectivitate mobilă cu întârziere redusă cu rază extinsă și în subsoluri și suport pentru comunicație voce, precum și o viteză mare de transfer a datelor. Aceasta face ca LTE-M să fie ideală pentru un număr mare de aplicații, precum în clădiri inteligente și orașe inteligente, dar și în aplicații casnice, dispozitive de sănătate conectate, precum și pentru urmărire vehicule și bunuri.

NB-IoT: Complet echipată pentru comunicație M2M, NB-IoT compensează viteza sa mică de transfer a datelor și întârzierea ridicată cu o penetrare adâncă și o durată de viață a bateriilor de 10 ani. Aceste caracteristici recomandă tehnologia NB-IoT ca fiind o bună alegere pentru aplicații staționare sensibile din punct de vedere energetic, precum dispozitive de măsurare în zona utilităților, orașe inteligente și alte aplicații de ultra-joasă pu­tere, care rămân în modul de adormire majoritatea timpului, intrând în funcțiune numai după intervale lungi pentru a transmite pachete mici de date.
Juxtapunând disponibilitatea și aplicabilitatea acestor trei tehnologii, alegerea celei mai bine adaptate tehnologii devine o ghicitoare umoristică pentru proiectanții de dispozitive care caută să dezvolte o aplicație în zone fără acoperire. Ar trebui ei să aștepte dezvoltarea tehnologiei înainte de lansarea soluțiilor? Sau ar trebui în schimb să dezvolte o iterație inițială a produsului, care să ofere o tehnologie de comunicație sub-optimală pentru a își asigura locul pe piață?
Designerii care implementează în produsele lor un grad de versatilitate tehnologică, cum ar fi de exem­plu posibilitatea de a comuta pe o tehnologie optimă atunci când aceasta devine disponibilă, vor avea un avantaj competitiv față de ceilalți, care își blochează clienții într-o singură tehnologie. Acest lucru devine chiar și mai critic pentru aplicații globale care trebuie să opereze și să se actualizeze singure în medii foarte diferite.

Longevitatea dispozitivului
Pentru a avea succes în aplicațiile globale, dispozi­tivele implementate trebuie să fie sigure, actuali­zate și versatile. LWM2M, prescurtarea de la Light Weight Machine to Machine (categorie ușoară mașină la mașină), se dezvoltă ca standard de facto pentru managementul dispozitivelor cu comandă de la distanță 3 4. Lansată de Open Mobile Alliance, LWM2M a fost proiectată pentru a gestiona de la distanță și fără fir rețele senzoriale, cu aplicații de actualizări firmware, pachete de securitate cu actualizare de drivere și schimbarea configurației dispozitivului în cantități mari și fără intervenție fizică. Optimizată pentru dispozitive cu viteze mici de transfer de date și cu constrângeri energetice, se potrivește perfect pentru dispozitivele LTE-M și NB-IoT care țintesc o implementare pe 5 … 10+ ani.

Piețe și aplicații.

Folosind LWM2M, utilizatorii pot gestiona eficient dispozitive LPWA prin interacțiune cu Device Management Objects – structuri de date care păstrează valori grupate logic – stocate pe dispozitiv pentru a oferi funcții standard sau particularizate precum: observație, notificare, control, executarea unei comenzi sau declanșarea unei acțiuni. Dispozitivele de urmărire montate pe o bicicletă împrumutată, pot fi, de exemplu, interogate pentru a localiza bicicletele pierdute. Sistemele de alarmă pot fi configurate pentru a monitoriza ușile și ferestrele de acasă pentru a trimite o notificare atunci când una dintre acestea este deschisă. De asemenea și dispozitivele precum unitățile de aer condiționat pot fi pornite și oprite de la distanță. Fie, de exemplu, cazul unui panou de securitate casnic. La momentul instalării, un Mobile Network Operator (MNO) specific poate oferi cel mai bun și acceptabil plan de funcționare. Flexibilitatea de a selecta MNO la “ora zero” este puternică. Abilitatea de schimba această decizie perpetuu în viitor, fără a trebui să schimbi dispozitivul, este o schimbare a jocului.

O singură lume, un singur dispozitiv
Trecerea către globalizare crește puternic gradul de complexitate cu care proiectanții de produse se confruntă. Nu numai că trebuie să se lupte cu tehnologii în evoluție și uneori fragmentate, ci trebuie să se adreseze și unei diversități de operatori de rețea mobilă și cerințelor lor regionale.
Spectrul LTE este înalt fragmentat pe o mulțime de benzi de frecvență, solicitând ca producătorii de dispozitive să gestioneze multiple SKU (stock-keeping unit) pe glob. În vreme ce acest lucru răspunde fragmentării rețelelor din punct de vedere regional, el este nepractic ca soluție globală care necesită conectivitate peste tot pentru transmisia datelor colectate, pentru management de la distanță și pentru actualizări de securitate.
Acestei provocări i se răspunde cu dezvoltarea unor module celulare cu adevărat globale, cu vizi­unea: o lume, un modul. Aceste module permit dezvoltatorilor de produse să amâne configurarea până la ora zero, activând sau dezactivând benzi LTE, adăugând noi profiluri MNO, fără a schimba software-ul gazdă, selectând tehnologia de acces radio și actualizând continuu dispozitivul utilizând FOTA / LWM2M. În cel mai bun caz, dispozitivele vin pre-certificate pentru mai mulți MNO cu o singură versiune software.

Comunicație eficientă
Comunicațiile 3G și 4G LTE au fost croite pentru a transfera mai multe date la viteze mai mari de transfer. Durata timpului consumat pentru livrarea unui astfel de conținut este nimic în comparație cu cea a transmiterii sarcinii utile în sine de dimensiune foarte mare, aceasta din urmă putând fi orice de la un flux video, o conversație voce sau un site web. Dar acest calcul diferă în aplicațiile LPWA, în care sarcina utilă este adesea măsurată în kilobyte și poate fi chiar mai mică decât livrarea unor mesaje 3G și 4G. Deoarece transferul de date reprezintă solicitarea energetică principală în dispozitivele LPWA, protocoalele de comunicație eficiente sunt cheia extinderii duratei de viață a bateriilor.

MQTT (pe TCP) și CoAP (pe UDP)
În aplicațiile LPWA, două protocoale la nivel de aplicație devin dominante: MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), care lucrează deasupra protocolului TCP/IP, și CoAP (Constrained Application Protocol), care lucrează deasupra protocolului UDP/IP. După cum vom vedea, alegerea protocolului la nivel de aplicație este dictată puter­nic de alegerea protocolului la nivel de transport.
Protocolul de control al transmisiei (TCP) oferă un grad de control prin asigurarea că la nivelul receptorului conexiunile sunt stabilite cu succes, că datele sunt transferate sigur și reasamblate în ordinea corectă, că erorile sunt detectate și corectate și apoi că închiderea conexiunii se face elegant. Această siguranță crescută, o cerință pentru numeroase aplicații, are costul unui volum relativ ridicat de date schimbate între client și server (prin comparație cu UDP) și, prin consecință, un consum ridicat de putere.
Pe de altă parte, protocolul UDP (User Datagram Protocol), este atât fără conexiune, cât și fără stare. Aceasta înseamnă că pachetele de date sunt trimi­se simplu către receptor, fără a stabili la început o conexiune și fără a asigura că datele au fost recepționate cu succes. Nu există nicio garanție că toate pachetele au fost livrate, nicio cale de a recupera pachetele pierdute și nicio cale de a detecta duplicatele. În schimb, totuși, UDP reduce la minim durata transmisiei, cu economii subsecvente în transferul de date și necesarul energetic.

Livrare de date Non-IP
Pentru a suporta dezvoltarea Internetului Lucrurilor și volumele reduse de date utilizate de numeroase din aplicațiile sale, 3GPP versiunea 13 introduce ca parte a optimizărilor CIoT EPS 5 câteva noi metode de transfer de date de la un dispozitiv de utilizator la un server de aplicație și invers. Una dintre ele este livrarea de date non-IP (NIDD), care permite ca mici cantități de date să fie transferate direct prin planul de control utilizând API-urile serverului de siguranță în locul protocolului internet IP. Deoarece datele sunt transmise direct pe semnalul radio purtător, se elimină necesitatea de a pregăti un semnal radio purtător, economisind timp de transmisie. Ca rezultat, abordarea este ideală pentru aplicații tipice NB-IoT, care transmit rar pachete mici de date 6.
În cele din urmă, alegerea protocolului de comunicație trebuie făcută pe baza unui studiu de la caz la caz, împreună cu operatorul de rețea mobilă. Principalele criterii sunt:
1. Disponibilitatea tehnologiei de rețea
2. Dimensiunea și frecvența livrărilor de date
3. Gradul de siguranță solicitat de livrările de date
4. Consumul de putere scontat

Sumar: O soluție câștigătoare
Dezvoltarea de soluții LPWAN de succes pe termen lung necesită flexibilitate și abilitatea de a face față necesităților de siguranță și de securitate, cu o alegere optimă a protocoalelor de comunicație și a cerințelor de putere. Cu rapida evoluție tehnologică de la ora actuală, abilitatea de a selecta tehnologia optimă și operatorul la un moment dat, poate ajuta la asigurarea unor înalte performanțe la un cost optim. Soluțiile certificate la nivel global cu roaming fără probleme sunt în mod particular relevante în aplicații precum urmărirea bunurilor, dispozitive care, în lumea de astăzi, călătoresc la nivel global. Managementul dispozitivelor cu comandă de la distanță prin protocol LWM2M poate oferi o comunicație eficientă prin aer între dispozitiv și server, pentru a permite cazuri de utilizare cu rază mare de acțiune, precum și realizarea de actualizări vitale de securitate și firmware. Și, profitând de recentele optimizări IoT celulare 3GPP, acest lucru poate fi tot realizat, dar păstrând cât mai mult din energia bateriei. Rezultatul este o soluție câștigătoare care poate îndura testul timpului.

1) https://www.gsma.com/iot/deployment-map/#deployments
2) https://www.gsma.com/newsroom/press-release/multiple-mobile-operators-launch-live-commercial-low-power-wide-area-networks-in-licensed-spectrum-worldwide
3) https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp301-iot-device-management/index.html
4) https://www.slideshare.net/OpenMobileAlliance/intro-to-iot-the-role-of-lwm2m-technologies-internet-of-things-world-2017-santa-clara
5) Cellular IoT Evolved Packet System
6) Narrowband Internet of Things Whitepaper, Rohde-Schwarz, J. Schlienz, D. Raddino, 2016

Autor: Patty Felts, Principal Product Manager, Strategie de Produs, Celular

Patty a devenit Manager Principal de Produs pentru u-blox în martie 2017 și este responsabilă pentru portofoliul de produse LTE Cat M1 (seria R4). Anterior, ea a lucrat ca director de management de produs, PMP, la u-blox San Diego pentru aproape cinci ani.
Patty deține o licență în inginerie chimică la Georgia Institute of Technology și un master în administrarea afacerilor (MBA) la Universitatea din St. Edward.

u-blox | www.u-blox.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