Het internet van de dingen is de combinatie van alle huidige communicatietechnologieën met computers en internet. Het internet van de dingen realiseert voornamelijk interconnectie en communicatie tussen dingen, tussen mensen en dingen, en tussen dieren en dingen, evenals real-time delen van omgevings- en informatiestatus, en intelligentie. De verzameling, verwerking, overdracht en uitvoering van informatietechnologie, dat wil zeggen, zolang het gaat om de toepassing van informatietechnologie, kan het worden opgenomen in het toepassingsgebied van het internet van de dingen. In het populariseringsproces van het internet der dingen zal draadloze technologie een steeds belangrijkere rol gaan spelen. In dit artikel worden drie gangbare draadloze LPWAN-communicatietechnologieën (NB-IoT/eMTC/ LoRa ) om de respectieve draadloze technologieën te onderzoeken onder de algemene trend van het internet der dingen. kenmerken en toepassingsscenario's.
1. NB-IoT
NB-IoT staat voor Narrow Band-Internet of Things en NB-IoT is een technologie in de categorie Internet of Things. Het is een LPWA-technologie onder leiding van Huawei en is een 3GPP-standaard geworden. NB-IoT is gebaseerd op bestaande cellulaire netwerktechnologie en kan snel de marktvraag vanuit de industrie ondersteunen door het bestaande netwerk te upgraden, waardoor het de vierde modus wordt op het GUL-netwerk. Tegelijkertijd heeft NB-IoT ook vier belangrijke mogelijkheden: brede dekking (kan ondergronds dekken), lange levensduur van de batterij (meer dan tien jaar), lage kosten (minder dan US$5 per module) en grote capaciteit (een enkele cel kan 100.000 verbindingen ondersteunen). .
Technische voordelen
NB-IoT heeft vier belangrijke kenmerken: ten eerste, brede dekking, die zal zorgen voor een betere dekking binnenshuis. In dezelfde frequentieband heeft NB-IoT een winst van 20dB ten opzichte van het bestaande netwerk, wat gelijk staat aan een 100-voudige vergroting van het dekkingsgebied;
Ten tweede kan het massale verbindingen ondersteunen. Eén sector van NB-IoT kan 100.000 verbindingen ondersteunen, met ondersteuning voor lage latentiegevoeligheid, ultralage apparatuurkosten, laag stroomverbruik van apparatuur en geoptimaliseerde netwerkarchitectuur;
De derde is een lager energieverbruik. De stand-by tijd van NB-IoT terminalmodule kan oplopen tot 10 jaar;
Ten vierde zijn de kosten van modules lager. Ondernemingen verwachten dat een enkele aangesloten module niet meer dan 5 dollar zal kosten.
NB-IoT richt zich op de Low Power Wide Coverage (LPWA) Internet of Things (IOT) markt en is een opkomende technologie die wereldwijd op grote schaal kan worden gebruikt. Het heeft de kenmerken van brede dekking, meervoudige verbindingen, lage snelheid, lage kosten, laag energieverbruik en uitstekende architectuur. NB-IoT gebruikt licentie frequentiebanden en kan op drie manieren worden ingezet: in-band, guard band of onafhankelijke drager, naast bestaande netwerken.
Toepassingsscenario's
NB-IoT wordt het meest gebruikt in drie typische toepassingsscenario's: slimme watermeters, slim parkeren en slimme huisdiertracering. In de latere planning van NB-IoT, slimme fietsen, slimme rookmelders, slimme vuilnisbakken, slimme wegen, slimme verkoopautomaten, enz.
Uitdagingen
Ten eerste, interoperabiliteit en consistentie. In 2015 lanceerden belangrijke leden van NB-IoT, waaronder Vodafone, Ericsson, Telefonica en GSMA, eenvoudige interoperabiliteits- en conformiteitscertificeringstests voor NB-IoT-apparaten. Vodafone heeft ook een speciaal NB-IoT laboratorium opgezet in Newbury, Verenigd Koninkrijk, en zal in de tweede helft van 2016 verder laboratoriumonderzoek openen in Düsseldorf, Duitsland.
Ten tweede, uitrol en ondersteuning op lange termijn. De grootste problemen bij de implementatie van NB-IoT zijn tijd en kosten. Volgens schattingen van Vodafone kan 85% van de zakelijke basisstations NB-IoT ondersteunen en hoeft alleen de software te worden geüpgraded. Netwerkbeheerders met verouderde basisstations moeten echter de hardware upgraden. . Dit zal leiden tot hogere kosten en meer tijd voor de bouw van NB-IoT-netwerken. Een ander probleem is wereldwijde M2M roaming. In theorie moeten operators drie standaarden ondersteunen: CAT-M, EC-GSM, NB-IoT en GPRS. Bovendien hebben eindpunten OTA-upgrades nodig voor beveiliging en andere upgrades.
Ten derde, toepassingen en bedrijfsmodellen. Om NB-IoT-toepassingen en -bedrijfsmodellen tot stand te brengen, moet de sector mobiele communicatie zo snel mogelijk een ecosysteem van partners opzetten. Bijvoorbeeld: Deutsche Telekom heeft NB-IoT prototype hubs opgezet in Berlijn en Krakau, Polen. Deze hubs zijn opgenomen in incubators om ontwikkelaars een snelle leeromgeving te bieden, het denken over nieuwe bedrijfsmodellen te stimuleren en de tijd voor het op de markt brengen van producten te verkorten. .
Ten vierde, concurrentie met LPWAN-technologie (Low Power Wide Area Internet of Things). LoRa en Sigfox hebben bewezen belangrijke ontwikkelingstechnologieën te zijn. Sigfox is in 24 landen in gebruik genomen en LoRa wordt in sommige landen nog steeds gebruikt voor de aanleg van particuliere netwerken en gemeenschapsnetwerken. Aangezien NB-IoT in de nabije toekomst niet op grote schaal zal worden ingezet, hebben andere technologieconcurrenten nog de kans om hun marktpositie te bepalen.
Momenteel verschilt de populariteit van NB-IoT op de markt van land tot land. In veel landen kunnen potentiële operators te maken krijgen met sterke concurrentie van niet-mobiele LPWAN-netwerken. In Nederland heeft KPN bijvoorbeeld een nationaal LoRa-netwerk opgezet, waardoor het wellicht minder geneigd is om NB-IoT te gaan gebruiken.
Ten vijfde, de juiste strategie bepalen om de markt te betreden. LPWAN-toepassingen hebben de eigenschap om met onregelmatige tussenpozen kleine data te verzenden. Potentiële gebruikers kunnen meer diensten met een lage waarde nodig hebben. In dit geval moeten NB-IoT-exploitanten overeenkomstige strategieën ontwikkelen om aan deze marktvraag te voldoen. De belangrijkste strategieën zijn: een evenwicht vinden tussen de markt en het merk; het marktaandeel uitbreiden, niet beperkt tot traditionele M2M-activiteiten; kostprijsoorlogen in de low-end markt vermijden, zich richten op toepassingen die de prijspremies kunnen beheersen; nieuwe bedrijfsmodellen verkennen om waarde te creëren, de verticale industriële samenwerking versterken.
Zesde, het ontwerp van de prijsplannen, voornamelijk IoT data plannen. Momenteel zijn de exploitanten nog steeds proberen. Bijvoorbeeld: Korea Telecom lanceerde onlangs het landelijke LoRa-netwerk en lanceerde 6 dataplannen, waarbij elk plan overeenkomt met datatoepassingen die verschillende frequentiebanden gebruiken. Het prijsmodel is als volgt: De prijs van het LoRa-dataplan is slechts een tiende van die van LTE-gebaseerde IoT-diensten. In landen met LoRa- of Sigfox-bedrijven moeten de NB-IoT-tarieven binnen een redelijk concurrerend bereik blijven. Aangezien er in het Verenigd Koninkrijk geen nationaal LPWAN-netwerk is, zullen NB-IoT-operators meer speelruimte hebben bij het ontwerpen van hun prijsstructuur.
Bovendien zal de ontwikkeling ervan worden beperkt door kwesties als gegevensoverdracht met lage snelheid, privacy en veiligheid en de tijd die nodig is om IT-systemen om te schakelen.
2. eMTC
LTE-M, of LTE-Machine-to-Machine, is een IoT-technologie gebaseerd op LTE-evolutie. Het wordt Low-Cost MTC genoemd in R12 en LTE Enhanced MTC, of eMTC, in R13. Het is ontworpen om gebaseerd te zijn op de bestaande LTE-carrier en voldoet aan de behoeften van IoT-apparaten.
eMTC wordt ingezet op basis van cellulaire netwerken en ondersteunt uplink- en downlink pieksnelheden tot 1Mbps, wat een gemiddelde snelheid is voor het internet der dingen. De gebruikersapparatuur heeft rechtstreeks toegang tot het bestaande LTE-netwerk door ondersteuning van 1,4 MHz radiofrequentie en basisbandbandbreedte. Omdat LTE zich blijft ontwikkelen, hebben de nieuwste eMTC en NBIoT de systeemkosten verder geoptimaliseerd, de levensduur van de batterij verbeterd en de dekking uitgebreid. De meest kritieke functie van eMTC is de ondersteuning van mobiliteit en positionering. De kosten bedragen slechts 25% van de Cat1-chip en de snelheid is vier keer hoger dan die van GPRS.
Technische voordelen
Een aantal van de belangrijkste kenmerken van smalbandige LTE. Ten eerste is de complexiteit van het systeem sterk verminderd en zijn de complexiteit en de kosten sterk geoptimaliseerd.
Ten tweede is het stroomverbruik zeer laag en gaat de batterij veel langer mee.
Ten derde is de dekkingscapaciteit van het netwerk sterk verbeterd.
Ten vierde wordt de dichtheid van de netwerkdekking verbeterd.
eMTC heeft de vier basismogelijkheden van LPWA: ten eerste, brede dekking. In dezelfde frequentieband heeft eMTC een winst van 15dB ten opzichte van het bestaande netwerk, wat de diepe dekkingsmogelijkheden van het LTE-netwerk sterk verbetert. Eén sector kan bijna 100.000 verbindingen ondersteunen; de derde is een lager stroomverbruik, de stand-by tijd van de eMTC-terminalmodule kan oplopen tot 10 jaar; de vierde is een lagere kostprijs van de module, grootschalige verbindingen zullen de kosten van de modulechip snel doen dalen, en de beoogde kostprijs van eMTC-chips ligt rond US$1 tot US$2.
Toepassingsscenario's
Bij gebruik in slimme logistiek heeft het de voordelen van anti-diefstal, anti-uitwisseling, temperatuurmeting in realtime en positioneerbaarheid. Het kan in realtime monitoren en lokaliseren, informatie opnemen en uploaden en rijtrajecten opvragen; in slimme draagbare apparaten kan het gezondheidsmonitoring ondersteunen. In slimme draagbare apparaten kan het gezondheidsmonitoring ondersteunen, videodiensten, data backhaul en positionering; vertrouwend op het huidige interactieve scherm van het cellulaire netwerk, biedt het toepassingsscenario's waaronder slimme oplaadpalen, wachtzakken, liftbewakers, slimme bushalteborden, openbaar fietsbeheer, enz.
Uitdagingen
Analyse van de toepasbaarheid van eMTC-bedrijfskenmerken op VoLTE-bedrijfskenmerken
Het kenmerkende verschil tussen eMTC en NB-IoT is dat de bandbreedte van eMTC-terminals 1,08 MHz kan bereiken, wat veel hoger is dan de 200 kHz van NB-IoT-terminals. Daarom is de pieksnelheid van eMTC-terminals veel hoger dan die van NB-IoT-terminals. Op basis van de bovenstaande kenmerken is de industrie over het algemeen van mening dat eMTC-technologie relatief goedkope VoLTE-terminaloplossingen kan bieden en een betere servicekwaliteit heeft. Echter, door gedetailleerde technische analyse kan het werkelijke effect van het gebruik van eMTC-technologie om spraakdiensten te ondersteunen of spraakoplossingen te bieden moeilijk te bereiken zijn. optimisme.
Functies met laag energieverbruik
Om IoT-diensten te kunnen leveren in een omgeving met beperkte stroomvoorziening, zoals NB-IoT, neemt eMTC ook een laag stroomverbruik als doel bij het systeemontwerp. Verwacht wordt dat het gebaseerd zal zijn op een batterij met een kleinere capaciteit, 10 jaar onderhoudsvrije terminals zal ondersteunen en compatibel zal zijn met NB-IoT. -IoT maakt ook gebruik van twee energiebesparende technologieën, eDRX (Extended Discontinuous Reception) en PSM (Power Saving Mode). Voor typische IoT-diensten met een lage frequentie, zoals automatische meteruitlezing, omdat de frequentie van de dienst erg laag is, kan het gebruik van deze twee technologieën ervoor zorgen dat de terminal lange tijd slaapt en alleen werkt wanneer gegevensoverdracht nodig is, waardoor veel energie kan worden bespaard. Maar dit goede energiebesparende effect is alleen effectief voor diensten met een lagere frequentie. Voor VoLTE-diensten moeten terminals vaak netwerkoproepen controleren en tijdig reageren op binnenkomende oproepen, zodat het energiebesparingsmechanisme van eDRX- en PSM-technologie niet kan worden gebruikt. .
grote aansluitmogelijkheden
De vereisten van het Internet of Everything vereisen IoT-technologie om een groot aantal terminals te bedienen. Daarom heeft 3GPP twee oplossingen voor optimalisatie van de luchtinterfacetechnologie ontworpen: CP (Control Plane) optimalisatie en UP (User Plane) optimalisatie. Voor IoT-diensten die in kleine pakketten worden verzonden, kan een grote hoeveelheid air-interfacesignalering worden bespaard, wat de overdrachtsefficiëntie verbetert. Voor VoLTE-spraakdiensten kunnen CP- en UP-optimalisatieoplossingen echter niet worden gebruikt om de capaciteit te verhogen, dus eMTC heeft niet de mogelijkheid om de capaciteit voor VoLTE te verhogen.
Brede dekking
Aangezien sommige IoT-terminals zich vaak diep in gebouwen bevinden, zoals watermeters, waar het signaal vaak erg zwak is, heeft eMTC herhalingstechnologie ontworpen om de dekking te verbeteren. Door de herhaling van draadloze uplink- en downlink-signalen kan het eind signaalenergie ontvangen, waardoor de dekking wordt verbeterd. Echter, juist door de herhaling van draadloze signalen wordt de gemiddelde servicesnelheid verlaagd. Met andere woorden, deze technologie voor het verbeteren van de dekking gaat ten koste van een lagere servicesnelheid. Voor diensten zoals VoLTE die een bepaalde snelheidsgarantie vereisen, biedt eMTC de dekking verhogende technologie dus geen voordelen.
Goedkope eMTC-terminaloplossing
De goedkope oplossing voor eMTC-terminals (chips) omvat voornamelijk: kleinere werkbandbreedte. De werkbandbreedte van eMTC-terminals is 1,08MHz. Hoewel deze bandbreedte hoger is dan die van NB-IoT, is deze veel lager dan die van gewone LTE-terminals. De lagere pieksnelheid, in vergelijking met LTE, verlaagt de rekenkracht van de chip en de vereisten voor buffers, waardoor de chipprijzen dalen; een enkele ontvangstantenne voor de terminal, waardoor de kosten van radiofrequentiecomponenten dalen; de half-duplex oplossing kan de duplexer van de radiofrequentie van de terminal besparen, waardoor de kosten van de terminal dalen.
3. LoRa
LoRa is een van de LPWAN-communicatietechnologieën. Het is een draadloze transmissieoplossing voor ultra-lange afstanden op basis van spread spectrum-technologie die is ontwikkeld en gepromoot door het Amerikaanse Semtech Company. Deze oplossing verandert de eerdere afweging tussen transmissieafstand en stroomverbruik en biedt gebruikers een eenvoudig systeem dat lange afstanden, een lange levensduur van de batterij en een grote capaciteit kan bereiken, waardoor het sensornetwerk wordt uitgebreid.
Momenteel werkt LoRa voornamelijk op vrije frequentiebanden over de hele wereld, waaronder 433, 868, 915 MHz, enz. LoRa-technologie heeft de kenmerken van lange afstanden, laag energieverbruik (lange levensduur van de batterij), meerdere knooppunten en lage kosten. Het LoRa-netwerk bestaat voornamelijk uit vier onderdelen: terminal (kan ingebouwd zijn in de terminal). LoRa-module ), gateway (of basisstation), server en cloud. Toepassingsgegevens kunnen in beide richtingen worden overgedragen.
Technische voordelen
Inzet op aanvraag: LoRa kan het netwerk plannen en implementeren volgens de toepassingsbehoeften en basisstations/gateways plaatsen volgens de omgeving ter plaatse, waardoor het gemakkelijker wordt om naadloze dekking te bereiken. Het verbeteren van de dekkingskwaliteit kan ook het energieverbruik verlagen en de systeemcapaciteit verhogen, zowel voor particulieren als voor bedrijven. Of organisaties kunnen het inzetten en er kan worden voldaan aan de beveiligingsbehoeften en de gegevens kunnen privé worden gehouden.
Lichtgewicht: In vergelijking met andere LPWAN-technologieprotocollen heeft LoRa een lagere systeemcomplexiteit, een eenvoudige hardware-implementatie en een lagere behoefte aan middelen. Het lichtgewicht LoRaWAN-protocol heeft een eenvoudige software-implementatie en is eenvoudig te implementeren.
Lage kosten: LoRaWAN-modules zijn in massaproductie en de prijs ligt al onder de USD5 en benadert geleidelijk de prijs van 2G-modules. Buitenbasisstations zijn al rond de 500 USD en binnenbasisstations zijn 100 USD. Vanuit het perspectief van buitenlandse operators kan de maandelijkse huur van LoRa in de buurt komen van de maandelijkse huur van eMTC. 1/5~1/10 of zelfs lager.
Vergelijking tussen NB-IoT en LoRa
Effectief omgaan met lage ARPU: De APRU van een enkele aansluiting is erg laag en hoge investeringen zullen te maken krijgen met het probleem van een lage opbrengst. Hoge kwaliteit, lichtgewicht en lage kosten zijn de effectieve manieren om hiermee om te gaan.
Open ecologie, volwassen industriële keten: nodes, gateways en cloudservers zijn volledig open, apparatuur van verschillende grootte is beschikbaar, het netwerk kan zelf worden bestuurd en er zijn verschillende bedrijfs- en besturingsmodellen beschikbaar.
Het rendement op investering is hoog en economisch haalbaar: Als alleen naar de investering in basisstations wordt gekeken, is het rendement van LoRa, uitgaande van een gemiddeld basisstation van 5.000 RMB, 6,25 maanden (een half jaar) nodig om de investering in het basisstation terug te verdienen. Het rendement van NB-IoT is, rekening houdend met upgrades van basisstations en nieuwbouw, uitgaande van een gemiddelde van 150.000 yuan/station, dat het 187,5 maanden (15,6 jaar) duurt om de investering in het basisstation terug te verdienen.
Toepassingsscenario's
LoRa technology is very suitable for IoT applications that require low power consumption, long distance, a large number of connections, and location tracking, such as smart meter reading, smart parking, vehicle tracking, pet tracking, smart agriculture, smart industry, smart cities, smart communities, etc. and other applications and fields.
Uitdagingen
City-level network coverage: LoRa has no operator expenses and is inherently weak in network deployment.
Spectrum resources: LoRa uses free frequency bands, which may cause interference problems. Although LoRa itself has strong anti-interference capabilities and the LoRaWAN protocol itself has measures to avoid interference, physical interference is difficult to completely avoid.
Countermeasures: Eliminate fragmentation, build a unified wide area network, network co-construction, and resource sharing. At the same time, it needs to be lighter weight and lower cost. The cost of the LoRaWAN module needs to be in line with the cost of the 2G module, or even close to the WiFi module.
In the process of developing and commercializing Internet of Things technology, our country has always lacked the mastery of some key technologies, so the product quality cannot be improved and the price cannot be lowered. The lack of independent property rights for key technologies such as RFID is one of the key factors limiting the development of China’s Internet of Things. Compared with the United States, there is still a large gap in the completeness of the domestic IoT industry chain. Although the three major domestic operators and system equipment vendors such as ZTE and Huawei are already world-class, other links are relatively lacking. The industrialization of the Internet of Things will inevitably require the full cooperation of upstream and downstream manufacturers such as chip manufacturers, sensing equipment manufacturers, system solution manufacturers, mobile operators, etc. Therefore, to develop the Internet of Things in our country, there is still a lot of work to be done in terms of institutions, such as Strengthen cooperation with industry authorities such as radio and television, telecommunications, and transportation to jointly promote the establishment of informatization and intelligent transportation systems.
The application fields of the Internet of Things are very wide, and many industry applications have great overlap. However, these industries belong to different government functional departments. To develop information applications based on sensing technology, such as the Internet of Things, in the industrialization process It is necessary to strengthen the coordination and interaction of the competent departments of various industries, cooperate with an open mind, break down the barriers between industries, regions, and departments, promote resource sharing, and strengthen system optimization and reform, so as to effectively ensure the smooth development of the Internet of Things industry.
For IoT communication technologies, each technology has its own characteristics and advantages to meet different demands and markets. Multiple LPWAN technologies will flourish and coexist.