窄带物联网提供伟大电信前景的原因

达曼德拉·库马尔

7.

由于连接性需求的增加,窄带物联网在即将到来的市场中具有巨大的潜力。因此,物联网正逐渐从无线转向窄带。

事物互联网(物联网)共同指的是通过互联网访问的连接物理对象的生态系统。由诸如收集,沟通,分析和法案等步骤组成的步骤,IOT互连三个平台:事物,人和云。在物联网中,连接起着重要作用。但由于没有明确的连接规则,我们必须考虑应该使用哪种连接:有线或无线。虽然无线方便,但它具有复杂的连接拓扑和协议。

四层IOT是:

  1. 集成的应用程序。任何社交媒体或基于GUI的应用程序。
  2. 信息处理。与集成应用程序的数据收集和接口有关。
  3. 网络基础设施。与网络如何部署到最终用户以及完全可用的拓扑有关。对于无线通信的网络拓扑,我们具有广域范围,低功率广域网和局域网。
  4. 传感和识别。包括传感器,其与网络用于数据通信的接口。

图1中的物联网参考图告诉我们数据将如何从物理设备传输到最后一英里。根据最后一英里的接口和数据需求,需要相关的连通性。连通性决定了向终端用户发送多少数据,以及在边缘发送时需要什么样的数据包。

IOT参考模型
图1:IOT参考模型

有些可用的IOT连接选项是:

  • 卫星通信
  • 无牌乐队
  • LTE–GSM频段
  • 窄带物联网
  • 罗拉
  • 本地连接
  • 广域连接
  • 低功率广域网(LPWAN)

LoRa、NBIoT和Sigfox等技术属于LPWAN。它们有不同的用例。

网络体系结构
图2:网络架构

物联网连接需求

物联网连接与设备端和服务器端可用的连接类型有关。此类连接类型包括:

多传感器融合

异构、多方面和分布式传感器相互通信以创建传感器网格以解决复杂问题。

无线网络比较
图3:无线网络比较

传感器到云(S2C)集成

网络物理系统(CPS)出现在物理世界和虚拟/网络世界的交汇处。

设备到设备(D2D)集成

设备到企业(D2E)集成

为了实现远程实时监控、管理、维修和维护,并实现决策支持和专家系统,地面异构设备必须与控制级企业包(如ERP、SCM、CRM和KM)同步。

设备到云(D2C)集成

云到云(C2C)集成

通过异构边缘/雾设备的聚类,移动边缘计算(MEC),Cloudlet和边缘云形成。

当我们谈论IOT时,我们通常会在数百万和数十亿个设备之间引用连接。但是,很难接触它们。

可以看到,短距离网络、无线网络、蜂窝网络、卫星网络和光纤网络都是可用的。对于物联网来说,我们必须看看终端设备的连通性是否可行。通常,它必须是低功耗和低数据类型,以连接多层设备。GSM似乎符合这个要求。

IOT远程技术解决方案
图4:物联网远程技术解决方案

网络连接问题

  • 传感器无法轻松连接到电源。
  • 部署在安全或恶劣操作条件下的传感器很难在不影响系统的情况下进行更改。
  • 传感器有非常不同的寿命预期率。
  • 资源受限的端点。
  • 接收灵敏度高。

我们有以下几种可能的选择:

1.直接连接

  • 最容易安装和配置。
  • 将机器逻辑与物联网逻辑相结合。

但是,它很复杂,对于遗留系统是不可能的,而且安全性较差。

2.云网关

  • 设备自带到专有云的嵌入式连接。
  • 可用于物联网平台的转发功能。
  • 易于在云中开始。

3.现场网关

  • 启用遗留系统。
  • 更加安全。

它需要额外的硬件,机器逻辑与IOT逻辑分开,并且物联网的复杂性在此处在一个位置。

为什么要优先考虑无线?

选择无线的主要考虑因素是:

  • 广播范围
  • 功耗
  • 干涉
  • 数据速率
  • 天线尺寸
  • 标准与专有

因此,无线模块通过SPI或I2C与微控制器连接,微控制器将决定要传输的数据类型。

如果我们选择许可频谱,那么就意味着选择广域网。在连接方面,不需要网关。这就是为什么人们更喜欢GSM协议和网络。但是GSM网络是为语音通信而设计的。事实上,所有移动网络运营商(MNO)都不希望从物联网的角度支持GSM网络,因为一旦物联网设备数量增加,GSM网络和语音通信将中断并受到影响。此外,GSM网络非常耗电。对于物联网,我们无法选择任何此类模块。因此,需要NBIoT。

NBIoT频谱和接入
图5:NBIoT频谱和接入
NBIoT架构
图6:NBIoT架构

我们也可以与未经许可的乐队一起去。但对于未许可的频段,数据和数据接口的优先级(接口的方法)是不同的。从安全的角度来看,未经许可的乐队需要有更多的证券。我们需要照顾硬件和网络侧。然而,GSM网络拓扑已经考虑了安全性。

最终设备可以通过WAN,GSM和2G / 3G / 4G / 5G工作。并且此终端设备与云接口。因此,我们需要为API编写协议。这些协议必须通过遵循可用的标准来决定。GSM已经拥有3GPP标准和命令,这使得与设备以及云界面非常容易。然而,GSM是令人兴奋的,并且对于IOT我们需要低功耗。因此,发现LPWAN和NBIOT适合,因为它们提供低功耗数据。

NBIoT和LTM比较
图7:NBIOT和LTM比较

窄带物联网

窄带(NB)标准基于低功耗广域网(LPWAN)技术。它使用GSM平台实现了一系列新的物联网设备和服务。

nbiot部署
图8:NBIoT部署

它的功能包括:

  • 广泛使用LTE设计。这些包括单载波频分多址(SC-FDMA)和频分多址(FDMA)。3G和4G也用于相同的光谱和相同的带宽。
  • 低成本。窄带同时支持低包和低功耗。因此,GSM 2G和4G网络在3GPP窄带中结合在一起。
  • 扩展覆盖范围。与GPRS链路预算为144dB和142.7dB的LTE的最大耦合损耗或链路预算。
  • 接收机灵敏度低。灵敏度完全取决于网络。对于NB、2G和3G,灵敏度很高。
  • 电池寿命长。5瓦时电池的使用寿命可达10年(视交通和覆盖需求而定)。
  • 支持大量设备。每个电池至少150k。
用例
图9:用例

三种操作模式。这些是:

  1. 单独站着。目前由Gera N(GSM边缘无线电接入网络)系统使用的光谱作为一个或多个GSM载波的替代。
  2. 保护带。LTE载波的保护带内未使用的资源块。
  3. 乐队里。普通LTE运营商内的资源块

在LTE运营商中,我们可以使用3G或4G。我们必须在同一频带上使用不同的调制。对于调制技术,我们需要独立的操作,同时我们采样的频率调制要么是保护带,要么是边带。它们之间的区别是信号的边缘(对于任何频谱)总是边带。信号中间的振幅就是保护带。调制为200kHz。

Nbiot的体系结构类似于GSM架构。但PDN网关,服务网关甚至终端设备存在差异。举例如lte。我们是针对NBA以及PDN网关的最终设备。但是在LTE网络上,所有发射器和接收器都在网络的一侧。我们需要在网关上进行更改(类似于PDN网关和服务器网关)。

网络服务提供商正在向基础设施提供最大的信号可用性。

窄带网络的挑战在于市场上没有可用的网络。移动网络运营商(MNOs)正在努力解决这个问题。因此,在设计方面,我们正在与窄带后备2G合作,因为2G在市场上无处不在。无论何时窄带不可用,该模块将在2G上工作。这完全取决于标准、基础设施和移动数据规则。

挑战和解决方案

面临的一些挑战,并为他们建议的解决方案列于下面。
资源的影响。维护网络免受威胁。移动网络运营商将根据窄带改变2G、3G和LTE网络的发射端和接收端网络。

  • 安全。当从2G、3G或4G更改时,需要定义硬件级安全。密码学正在解决安全和隐私问题。
  • 控制访问。需要为设备控制和用户访问定义策略。
  • 互操作性。与设备驱动程序IP协议的集成灵活性。
  • 合法性和权利。要遵循的数据保护法律。
  • 经济和部署。所需的投资激励和技术技能。

考虑到物联网设备数量的不断增长和低功耗的需求,窄带物联网是未来的发展方向,因为它满足了这一需求,并提供了快速连接以及健壮和安全的部署。


这篇文章是基于Arihant集团物联网负责人Dharmendra Kumar在2月份的2021年世界科技大会上发表的题为“电信窄带物联网:下一个大事件”的演讲。Vinay Prabhakar Minj是EFY的一名技术记者。

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