Czy technologia LTE oznacza, że musimy płacić więcej za moduły GSM?

Fot. 1. TOBY-L2 - moduły LTE Cat. 4 firmy u-blox, 150 Mb/s

Powszechne wprowadzenie technologii LTE spowodowało bardzo poważne zmiany na rynku GSM. Większość klientów operatorów komórkowych to użytkownicy przenośnych urządzeń wykorzystujących internet (smartfony, tablety itp.), dla których kluczowym parametrem jest wysoka szybkość wymiany danych.

Potrzeby tej grupy odbiorców były brane w pierwszej kolejności pod uwagę przy wprowadzaniu technologii LTE. W efekcie oferowane są szybkie moduły LTE, kategorii 4, z transferem danych nawet do 150 Mb/s, jak na przykład moduł TOBY-L210 albo karta Mini PCI Express MPCI-L210 firmy u-blox. W planach producenci mają produkty z jeszcze wyższą wydajnością.

Niestety, ceny szybkich produktów LTE są wielokrotnie wyższe niż wersje stosowane w aplikacjach IoT 2G/GPRS albo UMTS. Większość aplikacji przemysłowych, zarządzanie flotą pojazdów, systemy alarmowe, terminale płatnicze, liczniki itp. nie wymaga szybkiego transferu danych, ważnym parametrem jest natomiast koszt.

Po co w takim razie rozważać stosowanie LTE?

Rys. 2. Strategia rozwoju technologii LTE dla aplikacji IoT

Otóż technologia LTE ma ogromny atut - dostępność infrastruktury w dłuższej perspektywie. Po zbudowaniu sieci 4G oraz sukcesie LTE w zastosowaniach konsumenckich operatorzy GSM bardzo chętnie pozbyliby się kosztów utrzymania starszej infrastruktury 2G/GPRS. Tylko kwestią czasu jest, jak szybko to nastąpi w poszczególnych regionach świata (niektóre kraje już zrezygnowały z 2G/GPRS). Wydaje się, że mamy do wyboru:

• tanie moduły 2G/GPRS, co tworzy ryzyko projektowe w przypadku zaniku infrastruktury,
• szybkie, ale droższe moduły w technologii LTE oferującej dostępność sieci w dłuższej perspektywie.

Czy bezpieczeństwo w dłuższej perspektywie dostępu do infrastruktury musi być jednak tak drogie? Nie musi, jeśli przerwie się ten nie zawsze racjonalny pęd do coraz większych i większych szybkości transferu danych, które w wielu aplikacjach nie mają uzasadnienia ani technicznego, ani ekonomicznego.

Przykładem jest firma u-blox, dobrze znana z produktów tworzonych właśnie pod kątem producentów urządzeń przemysłowych, a nie tylko konsumenckich. Także w przypadku technolgii LTE u-blox postanowił skoncentrować się na produktach lepiej pasujących do aplikacji IoT.

Czy szybciej, czyli drożej, ma zawsze sens?

Rys. 3. SARA-G3, SARA-U2 - moduły 2G, 3G firmy u-blox

Strategia przedstawiona na rysunku 2 jest prosta - zamiast modułów szybkich i drogich, u-blox planuje produkty oferujące wolniejszy transfer, ale tańsze. Chodzi o to, żeby dostarczać na rynek moduły LTE o niższej kategorii. Już wkrótce dostępne będą moduły TOBY-R2 oraz mniejsze LARA-R2, (LTE kategorii 1, 10 Mb/s), a w przyszłości produkty niższych kategorii, aż do MTC (nazywanej też 00).

W efekcie otrzymuje się produkty w technologii LTE, ale z ceną i szybkością wymiany danych porównywalną z aktualnie oferowanymi modułami 2G/GPRS. Z uwagi na fakt, że zwłaszcza w Europie pokrycie sieci 2G/GPRS jest bardzo dobre, w pierwszym etapie proponowane są moduły LARA-R2, które obsługują LTE kategorii 1, oraz dodatkowo 2G/GPRS w Europie.

Dla Ameryki powstanie wersja LTE + 3G/UMTS (3G jest tam lepiej dostępne niż 2G). Łączą one zalety sieci 2G/3G (duże pokrycie w tym momencie) oraz LTE (długa perspektywa dostępności sieci), przy cenie niższej od ceny szybkich modułów LTE. W kolejnych wersjach zakłada się rezygnację ze wspierania technologii 2G, co pozwoli na dalsze obniżenie kosztów.

Odpowiadając na pytanie z początku artykułu - okazuje się, że już teraz jest możliwość projektowania urządzeń, które łączą krytyczne parametry: perspektywę dostępności sieci teraz i w przyszłości oraz porównywalne koszty produkcji ze starszymi produktami 2G/3G. Jako przykład skalowalnego rozwiązania można podać zastosowanie wspomnianych modułów firmy u-blox (rys. 3 i 4):

• SARA-G3 - 2G/GPRS,
• SARA-U2 - 2G/GPRS + 3G/UMTS,
• LARA-R2 - 2G/GPRS + LTE Cat. 1,
• LARA-R2 - LTE Cat. 1 i niższej.

Wszystkie wymienione moduły mogą być stosowane wymiennie w tym samym urządzeniu, zależnie od jego wersji, ponieważ mają taki sam rozkład pinów.

NarrowBand IoT (NBIoT) - komunikacja w sieci GSM polecana do IoT

Rys. 4. LARA-R2 - moduły LTE Cat. 1 firmy u-blox

Opisane powyżej produkty LTE niskiej kategorii umożliwiają zastosowanie perspektywicznej technologii 4G przy zachowaniu parametrów (ceny, transferu danych) poprzedników, czyli 2G i 3G. Ale przecież do wielu aplikacji nawet technologia 2G/GPRS oferuje zbyt wiele niepotrzebnych typów funkcjonalności.

Obecnie do prostego czujnika zadymienia albo licznika ciepła na kaloryferze montuje się nierzadko moduł o funkcjonalności... telefonu komórkowego! A powód jest jeden - szeroka dostępność medium komunikacyjnego, jakim jest sieć GSM.

Typowe aplikacje IoT, takie jak liczniki wody, gazu czy ciepła, systemy alarmowe, czujniki zadymienia, śledzenie ludzi i zwierząt, produkty AGD, kontrola dostępu do budynku, sterowanie oświetleniem, różnego rodzaju czujniki, np. stacje meteorologiczne itp., nie potrzebują funkcjonalności "telefonów komórkowych", które można znaleźć w modułach GSM 2G/3G/4G.

Wymagają natomiast szerokiej dostępności sieci, dobrego zasięgu, gdyż są instalowane w piwnicach albo wewnątrz budynków, niskiego zużycia energii oraz niskiej ceny.

Trwają prace nad rejestracją w normach 3GPP nowego standardu komunikacji - NBIoT, który zostanie dodany do 3GPP w ciągu kilku miesięcy. Cechy urządzeń NBIoT są na tyle atrakcyjne, że otwierają możliwość stosowania szeroko dostępnej komunikacji komórkowej w wielu nowych obszarach, a niektórzy producenci, jak u-blox, który jest jednym z pionierów nowych technologii, już od dłuższego czasu pracują nad modułami wspierającymi ten standard. Kluczowe założenia dla modułów NBIoT są następujące:

• praca w dostępnej infrastrukturze sieci komórkowych,
• wykorzystanie spektrum zarówno 3G, jak i LTE (działanie nawet po rezygnacji z 2G lub 3G),
• bardzo niskie zużycie energii (>10 lat pracy na baterii),
• lepszy zasięg - 20 dB zapasu w stosunku do 2G/GPRS,
• niska cena.

Udało się to uzyskać m.in. przez rezygnację z wielu "telefonicznych" typów funkcjonalności (np. połączenia głosowe) oraz przy ograniczeniu szybkości wymiany danych. Wspomniany u-blox zbudował już pierwsze prototypy, a docelowo wprowadzi do produkcji moduł kompatybilny pinowo z opisanymi już modułami SARA i LARA, co dopełni portfolio.

Jak widać, produkty NBIoT nie mają konkurować z 2G/3G/LTE, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych albo wymagających połączeń głosowych czy innych rodzajów funkcjonalności. Otwierają jednak nowe możliwości stosowania dobrze dostępnego medium komunikacyjnego w aplikacjach, które mają ograniczone rezerwy zasilania, muszą być tanie i działać nawet wewnątrz budynków czy w piwnicach.

Wszystko wskazuje więc na to, że niedługo z większym lub mniejszym sentymentem będziemy się powoli żegnać ze starym, dobrym (lub nie, zależnie od doświadczeń) standardem GPRS. LTE niskiej kategorii oraz NBIoT to bardzo realna perspektywa dla urządzeń IoT.

Robert Panufnik
Microdis Electronics
www.microdis.net