LTE NB1 i M1 - standardy technologii radiowej dla Internetu Rzeczy

NB1 i M1, określane również terminem NB-IoT (Narrowband IoT) oraz LTE-M1, to uproszczone wersje standardu LTE (Long Term Evolution). Wykorzystują one znacznie węższe pasmo częstotliwości, dzięki czemu są efektywniejsze energetycznie. Rozwiązania te zapewniają zasięg komunikacji rzędu kilku kilometrów oraz doskonały zasięg sygnału wewnątrz budynków, dzięki czemu otwierają całkowicie nowe obszary zastosowań dla aplikacji IoT.

Technologia ta nadaje się zwłaszcza do zastosowań telemetrycznych, w których przesyłane są pojedynczo niewielkie ilości danych z aplikacji zasilanych z baterii. W przypadku LTE-M prędkość maksymalna transmisji wynosi ok. 300 kbps, a maksymalna mocy nadajnika 20-23 dBm (100-200 mW), natomiast w przypadku NB (Narrow Band) IoT tylko 30/60 kbps przy identycznej mocy nadawania.

Sieci LTE jako baza infrastrukturalna

Obie technologie są oparte na standardzie LTE, zatem możliwe jest wykorzystanie istniejących sieci komórkowych. Stanowi to ich kluczowy atut, ponieważ nie tylko zapewniają niezawodną i bezpieczną transmisję danych, lecz pozwalają również na szybką rozbudowę sieci z zapewnieniem roamingu na całym świecie.

Dopasowanie produktu do lokalnych przepisów i uwarunkowań technicznych w wielu przypadkach może być wykonane za pomocą aktualizacji oprogramowania, co zapewnia elastyczność i małe koszty. Operatorzy sieci zapewniają dostęp do infrastruktury, która jest rozbudowywana w zależności od potrzeb lokalnych.

Już dziś zasięg sieci w USA, Europie i Azji jest bardzo dobry, a w niektórych regionach nawet lepszy niż w przypadku sieci o większym zasięgu. Wynika to również z faktu, że zasięg NB-IoT jest nawet siedem razy większy, a zasięg LTE-M nawet cztery razy większy od tego, co zapewnia LTE.

Przesyłanie danych również z trudno dostępnych miejsc

W przypadku NB1 i M1 większy zasięg eliminuje konieczność korzystania z funkcji fallback umożliwiającej płynne przejście do sieci 2G. Ponadto pozwala to na zastosowanie zasilacza o mniejszej mocy, ponieważ w przeciwieństwie do komunikacji z GPRS w transceiverach nie występują tutaj chwilowe pobory prądu przez nadajnik rzędu 2 A. Niski koszt modułów, układów pomocniczych i dostępu do Internetu oraz niezawodna infrastruktura zapewniają w większości zastosowań wyraźną przewagę nad alternatywnymi technologiami sieci bezprzewodowych long range.

NB-IoT i LTE-M nadają się przede wszystkim do aplikacji IoT, czyli wszędzie tam, gdzie sporadycznie przesyłane są niewielkie ilości danych z odległych miejsc czy rozległych terenów. Liczne możliwości zastosowania istnieją szczególnie w przypadku czujników, które okresowo wysyłają do stacji kontrolnej niewielkie pakiety danych, np. dotyczących zużycia energii, wody i mediów. Kolejne obszary zastosowań to infrastruktura, transport i logistyka, rolnictwo i leśnictwo, elektronika noszona oraz aplikacje do predykcyjnego utrzymania ruchu w przemyśle.

NB-IoT jako technologia o niskim zużyciu energii jest też rozwiązaniem lepszym do zastosowań stacjonarnych, w których zazwyczaj nie dochodzi podczas transmisji do przełączania komórek radiowych, natomiast LTE-M1 ze względu na wyższą prędkość nadaje się bardziej do zastosowań mobilnych.

nRF91 - bezpieczny i NB-IoT ready

Firma Nordic Semiconductor jako pionier technologii bezprzewodowych w kategorii Ultra Low Power oferuje produkty w opisanych technologiach transmisji radiowej. Produkowana seria modułów nRF91 to wersje dualne NB1 i M1 wykonane jako SiP (System in Package). Zawierają one mikrokontroler ARM Cortex M33 umożliwiający programowania aplikacji, czujników i urządzeń wykonawczych.

Natomiast ARM TrustZone i ARM CryptoCell zapewniają bezpieczny dostęp do pamięci. Z kolei TLS i SSL gwarantują szyfrowanie danych metodą end-to-end. Pamięć Flash z opcją wielokrotnego zapisu w połączeniu z możliwością aktualizacji OTA (Over the Air) pozwala na późniejsze ulepszenia oprogramowania sprzętowego, stosów i aplikacji drogą radiową. Moduł automatycznie wyszukuje dostępne sieci LTE-M i NB-IoT i przełącza się między nimi.

Moduł nRF91 SiP z wbudowanym systemem Assisted GPS lub bez jednostki GPS mieści się w miniaturowej obudowie o wymiarach zaledwie 10×16×1,2 mm, dzięki czemu zajmuje cztery razy mniej miejsca na płytce drukowanej i jest pięć razy mniejszy od innych modułów LTE-M i NB-IoT oraz oddzielnych modułów GNSS.

Ze względu na to, że rdzeń procesora M33 umożliwia w pewnym stopniu prawdziwą architekturę edge computing, na podstawie danych zmierzonych w terenie można generować lokalnie informacje, które następnie mogą być przesyłane przez moduł radiowy. Zapewnia to optymalizację ogólnego bilansu energetycznego oraz niskie zużycie danych online. Zestaw SDK (Software Development Kit) nRF91 zawiera wszystkie popularne stosy, takie jak MQTT, CoAP, http, LWM2M, IPv4, IPv6, DTLS, TLS i TCP.

Poprzez 32 linie GPIO można podłączać czujniki, diody LED, przyciski lub przekaźniki. Kwarc, filtr SAW i wszystkie elementy pasywne są zintegrowane w SiP - do kompletacji modułu brakuje tylko anteny 50 Ω.

Embedded SIM - to jest to

Dotychczas do wysyłania lub odbierania danych przez sieć komórkową potrzebne było poza odpowiednim urządzeniem również gniazdo na kartę SIM oraz fizyczna karta SIM pozyskana od operatora. Oznaczało to większą zajętość miejsca na PCB oraz wyższe koszty. Do tego konieczna była ręczna wymiana karty SIM w razie zmiany operatora.

Tutaj z pomocą przychodzą rozwiązania embedded SIM, na przykład iUICC (integrated Universal Integrated Circuit Card). Ich zaletą jest zintegrowanie funkcji SIM w strukturze krzemowej, co oznacza mniejsze zapotrzebowanie na miejsce i niższe koszty, ponieważ dane operatora mogą być aktualizowane zdalnie.

Konkretne rozwiązania embedded SIM są dostępne w firmie Telit, będącej partnerem firmy Rutronik i czołowym dostawcą sprzętu komórkowego, łączności i rozwiązań w chmurze, który oferuje swoje moduły 2G pod nazwą simWISE. Do końca 2018 r. moduły LTE-M i NB-IoT mają być wyposażone również w simWISE, na przykład moduł uniwersalny ME910C1 LTE-M i NB-IoT.

Uzupełnieniem modułów simWISE jest platforma Telit IoT Cloud. W efekcie otrzymujemy konfigurowane indywidualnie rozwiązanie w chmurze, obejmujące funkcje zarządzania urządzeniami, łącznością, danymi i systemem.

Sarah Brucker
Rutronik