Masowa łączność pomiędzy urządzeniami, zwana także Internetem Rzeczy (loT), obejmuje integrację miliardów urządzeń bez ingerencji człowieka. Stwarza to potencjał zrewolucjonizowania nowoczesnych procesów i zastosowań przemysłowych. Jedną z najszybciej rozwijających się technologii łączności w Internecie Rzeczy jest Narrowband.

Rozwój globalnych standardów transmisji danych do tej pory ukierunkowany był bardziej w stronę systemów konsumenckich przeznaczonych dla pojedynczych użytkowników niż maszynowych zastosowań przemysłowych. Korzystając z nowych, inteligentnych urządzeń oraz powiązanych usług i modeli biznesowych, Internet Rzeczy otwiera drogę innowacjom, zmianom w środowisku biznesowym i w naszym codziennym życiu. Technologie komunikacji mobilnej wspierają tę fundamentalną zmianę. Obecne sieci komórkowe oraz Wi-Fi oferują niemal pełny zasięg, zapewniają szybki przesył danych czy dostęp do chmury. Nie zostały jednak zaprojektowane do dwukierunkowej transmisji małych ilości danych. Ponadto technologie te nie do końca spełniają wymogi komunikacji między maszynami, głównie ze względu na duże zużycie energii oraz wysoki koszt podzespołów. Współczesne moduły bezprzewodowe w technologii GSM, 3G lub LTE są bardzo złożone, ponieważ umożliwiają również komunikację głosową i przesyłanie danych z dużą prędkością, co generuje duże koszty. Niestety również ani sieć, ani urządzenia nie są wyposażone w mechanizmy oszczędzania energii, dlatego nieosiągalna jest obecnie trwałość użytkowa baterii wynosząca kilka lat. Problem stanowi również zasięg, który jest mocno ograniczony wewnątrz budynków lub pod ziemią.

Łączność komórkowa potrzebowała sieci bezprzewodowej zbudowanej tak, aby zapewnić obsługę małych wolumenów danych oraz ich transmisję na duże odległości bez ograniczonego zasięgu w przestrzeniach zamkniętych i na kondygnacjach podziemnych. Narrowband IoT wypełniło tę lukę.

> Narrowband IoT

Narrowband IoT lub NB-IoT, znana również jako LTE Cat NB, to standard wąskopasmowej technologii radiowej (ang. Low Power Wide Area Technology, LPWA) przeznaczony dla urządzeń i aplikacji M2M (ang. machine-to-machine) oraz Internetu Rzeczy (IoT), wymagających bezprzewodowej transmisji na rozleglejszym obszarze przy stosunkowo niskich kosztach i niewielkim zużyciu energii w celu zapewnienia długiego czasu pracy baterii. Opracowana została przez 3GPP – ogólnoświatową inicjatywę na rzecz standaryzacji łączności komórkowej – z myślą o łączeniu wielu urządzeń Internetu Rzeczy i wzmacnianiu architektury IoT przy użyciu istniejących sieci komórkowych. Krótko mówiąc, jest to technologia wąskopasmowa o niskim poborze mocy, która obsługuje niewielkie ilości dwukierunkowej transmisji danych w sposób wydajny, bezpieczny i niezawodny. NB-IoT znacząco poprawia zużycie energii przez urządzenia użytkownika, pojemność systemu i wydajność widma, zwłaszcza w przypadku głębokiego zasięgu. W szerokim zakresie zastosowań można zapewnić ponad 10-letnią żywotność baterii.

Narrowband IoT funkcjonuje także pod określeniami LTE Cat-NB1 lub Cat N1. Dotyczą one specyfikacji NB-IoT zamrożonej w wersji 13. 3GPP jeszcze w 2016 r. Wydanie to zawiera dwie kategorie urządzeń końcowych (ang. User Equipment, UE) w sieci LTE: LTE Cat-M1 (eMTC) i LTE Cat-NB1 (NB-IoT). Pierwsza kategoria w zasadzie nadaje się do wielu zastosowań IoT, stawia jednak większe wymagania przed urządzeniami i sieciami. Natomiast NB-IoT wyróżnia się głównie niewielkimi kosztami i efektywnością energetyczną. Dotychczas, ze względu na wymagania techniczne albo czynniki ekonomiczne, urządzenia nie były ze sobą kompatybilne. Standard NB-IoT radykalnie to zmienił i umożliwia wiele nowych zastosowań na dużą skalę. W obiegu są również terminy takie jak LTE Cat N2 lub Cat NB2, które odnoszą się do ulepszonych specyfikacji wąskopasmowych IoT wprowadzonych wraz z wydaniem 14. przez 3GPP. Należy zauważyć, że konwencja nazewnictwa Cat NB1 i NB2 jest zwykle stosowana do urządzeń obsługujących odpowiednią wersję wąskopasmowej technologii IoT.

> Sieci LPWA

Jak już zostało wspomniane, NB-IoT jest technologią LPWA (LPWAN). Jest to nazwa używana dla wielu rodzajów standardów komunikacji bezprzewodowej w stosie IoT. Na definicję sieci LPWA składają się dwa zagadnienia:

• niska moc (ang. Low Power) – niskie zużycie energii umożliwia zasilanie z użyciem pojedynczej baterii AA przez wiele lat, nawet w razie przeprowadzania pomiarów co godzinę i przy uwzględnieniu takich aspektów jak samoczynne rozładowanie i degradacja baterii.
• duży obszar (ang. Wide Area) – ta technologia przesyła dane nawet w trudnych warunkach, np. na obszarach miejskich, gdzie sygnał radiowy narażony jest na wiele przeszkód zakłócających transmisję lub w miejscach tłumiących fale, takich jak podziemia.

LPWAN nie określa żadnej konkretnej technologii, ale służy jako ogólny termin dla każdej sieci połączonych urządzeń zaprojektowanych do bezprzewodowego przesyłania danych przy użyciu mniejszej ilości energii niż w przypadku innych technologii komunikacyjnych, takich jak telefonia, komunikacja satelitarna czy sieci Wi-Fi. Cechy te powodują, że sieci LPWA wybierane są tam, gdzie inne sieci bezprzewodowe są nieskuteczne. Standardy Bluetooth czy Wi-Fi nie nadają się do transmisji danych na duże odległości, zaś użytkowanie klasycznej technologii komórkowej, opartej na sieciach 2G/3G/4G w rozwiązaniach M2M, wiąże się z dużymi kosztami. Ponadto obecne urządzenia komunikacyjne zużywają dużo energii. W odróżnieniu od nich technologie z rodziny LPWA uzupełniają istniejące sieci komórkowe i umożliwiają znaczne rozproszenie punktów końcowych, które można połączyć w sieć małym kosztem i przy minimalnym zużyciu energii. Niższe koszty powodują natomiast, że wiele modeli biznesowych staje się dochodowych, a zdolność do pracy bez dostępu do stałego źródła energii sprawia, że wybór miejsca zastosowania jest mniej ograniczony.

Należy również dokonać rozróżnienia pomiędzy sieciami LPWAN a innymi sieciami o niskim poborze mocy. Podczas gdy na przykład Bluetooth Low Energy, RFiD czy NFC są rozwiązaniami krótkiego zasięgu, sieci LPWAN mogą komunikować się na znacznie większe odległości – zasięg do 50 km w zależności od warunków terenowych, w jakich działają sieci (na obszarach wiejskich zasięg jest zwykle większy niż w gęsto zabudowanych miastach).

Łączność przy niskim poborze mocy na duże odległości pozwala na przesyłanie jedynie niewielkich ilości danych. Podczas gdy nowoczesne sieci telefoniczne oferują prędkości rzędu kilku gigabitów na sekundę, jak np. standardy LTE Advanced i 5G, LPWA są przewidziane do przesyłania znacznie mniejszej ilości danych, często tylko kilku kilobitów na kanał. Daje to ogromne możliwości rozwoju dla wielu standardów IoT, takich jak LwM2M (Lightweight M2M) i innych protokołów IoT, które są przeznaczone do zarządzania urządzeniami o ograniczonych zasobach (np. czujnikami, siłownikami i kontrolerami IoT).

Według ABI Research do 2026 r. NB-IoT i LTE-M zdobędą ponad 60% z 3,6 mld połączeń sieci LPWA. Pozostałe 40% pokryją rozwiązania niekomórkowe, z których większość (około 80%) stanowić będą LoRa i Sigfox.

> Właściwości pasma

Narrowband IoT, jak sama nazwa wskazuje, został stworzony do pracy w wąskich pasmach częstotliwości 180 kHz lub 200 kHz. Ponadto, ze względu na to, że w projektach związanych z NB-IoT duże szybkości połączeń nie są niezbędne, a zamiast tego preferowana jest stabilność połączenia, standard pozwala na transfery do 250 kb/s i oferuje opóźnienia od 1,6 do 10 sekund.

Ponieważ NB-IoT jest technologią komórkową, wykorzystuje ona pasma łączności komórkowej. Jednak pasmo to ograniczony i deficytowy zasób, dlatego standard NB-IoT musi używać go w jak najmniejszym możliwym zakresie i dodatkowo współistnieć z już funkcjonującymi systemami radiowymi, dlatego został zaprojektowany tak, aby mógł być zaimplementowany w trzech różnych konfiguracjach w sieci radiowej w ramach istniejącego pasma:

• standalone – z wykorzystaniem pasma GSM w celu zastąpienia istniejących wdrożeń. Ze względu na pasmo o szerokości 200 kHz nadal istnieje tu odstęp ochronny, równy 10 kHz z obu stron pasma;
• in-band – z wykorzystaniem pasma LTE przy jego współdzieleniu;
• guard-band – z wykorzystaniem części pasma ochronnego (odstępów między kanałami) LTE w celu maksymalnego wykorzystania widma komunikacyjnego i niekonsumowania dodatkowych zasobów częstotliwościowych.

NB-IoT działa w trybie half-duplex, co sprowadza się do efektywnego umożliwienia komunikacji uplink, czyli pozwala na połączenie z siecią komórkową, przydzielenie zasobów sieciowych węzłowi (zwanych urządzeniem końcowym lub UE, ang. User Equipment) oraz transmisję danych. W standardzie tym główny nacisk został położony na pokrycie zasięgiem wewnątrz pomieszczeń, niskich kosztach, długim czasie pracy na baterii i wysokiej gęstości połączeń. NB-IoT wykorzystuje podzbiór standardu LTE, ale ogranicza szerokość pasma do pojedynczego wąskiego pasma 200 kHz. Wykorzystuje modulację OFDM do komunikacji downlink i SC-FDMA do komunikacji uplink. Aplikacje IoT, które wymagają częstszej komunikacji, będą lepiej obsługiwane przez NB-IoT, który nie ma ograniczeń cyklu pracy, działając na licencjonowanym widmie.

> Korzyści

Niewątpliwą zaletą standardu NB-IoT technologii jest niezawodność. Przewagę nad innymi technologiami LPWAN opartymi na prostych mechanizmach dostępu, takimi jak ALOHA, daje jej gwarancja dostarczania danych i wykorzystanie licencjonowanego pasma częstotliwości, dzięki czemu nie musi współistnieć z innymi technologiami. Nowe sygnały i kanały warstwy fizycznej zostały zaprojektowane z myślą o spełnieniu wysokich wymagań w zakresie rozszerzonego zasięgu oraz bardzo niskiej złożoności urządzeń. Początkowa cena modułów NB-IoT była porównywalna z GSM/GPRS. Technologia, na której bazuje, jest jednak znacznie prostsza niż GSM/GPRS, dzięki czemu jej koszt maleje wraz ze wzrostem popytu.

Zastosowanie tego rozwiązania zapewnia możliwość korzystania z transmisji danych w miejscach, w których sygnał sieci jest słabszy, np. na obszarach wiejskich, w piwnicach czy kondygnacjach podziemnych. NB-IoT ma bardzo dobry zasięg również w środowisku miejskim. Oznacza to, że urządzenia zależne od zasięgu sieci 4G będą bardzo dobrze działać zarówno w pomieszczeniach (w tym w infrastrukturze podziemnej), jak i w gęstej zabudowie miejskiej. Taka forma transmisji danych stanowi element budowania infrastruktury Internetu Rzeczy wykorzystywanego m.in. w biznesie czy zarządzaniu miastami.

[...]

Autor jest testerem oprogramowania oraz entuzjastą technologii kwantowych i rozproszonych rejestrów. Redaktor prowadzący „IT Professional”.