Recientemente, el ecosistema celular IOT (C-IOT), y especialmente la estandarización de 3GPP, se ha centrado en habilitar el mercado masivo de comunicación de tipo de máquina (MMTC) para aplicaciones como medición de agua, monitoreo de vacas, estacionamiento inteligente o seguimiento de activos. Las tecnologías de la base se desarrollaron comunicaciones de tipo de banda estrecha de banda estrecha de las cosas (NB-IOT) (CAT-NB1 / 2) y la comunicación mejorada de tipo de máquina (CATC) (CAT-M) en REL. 13/14, con características dedicadas para un consumo de energía muy bajo (recepción discontinua extendida (EDRX), módulo de fuente de alimentación (PSM)) y mejoras de cobertura (modos CE). Mientras tanto, alrededor de 140 operadores móviles de todo el mundo han desplegado redes LTE M o NB-IOT, y GSA (Asociación Global de Proveedores Mobile) ha contado más de 500 dispositivos que admiten CAT-M1, CAT-NB1 o CAT-NB2.
Las aplicaciones emergentes de IOT en varias industrias, así como la eliminación global de las redes 2G y 3G, impulsan la necesidad de más extensiones específicas de la aplicación. Por lo tanto, 3GPP está trabajando continuamente en mejoras para NB-IOT y EMTC para cubrir las demandas de aplicación específicas (Figura 1). Los ejemplos son señales de despertador o la transmisión de datos tempranos, tal como se introdujo en REL. 15. Ambos ayudan a optimizar el consumo de energía y los tiempos de reacción. Sin embargo, a largo plazo, existe la necesidad de una transición suave a la era de 5G.
C-IOT en la era de 5G
La primera generación de red móvil diseñada desde el principio para soportar no solo el mercado de banda ancha móvil (EMBB), sino también el creciente mercado de IOT fue 5G. Ya en la primera versión 5G, se colocó la base para la transición de MMTC (NB-IOT / EMTC) de 4G a 5G y para la llamada comunicación ultra confiable y baja de latencia (URLLC) exigida por, por ejemplo, automatización de fábrica. Algunas características de una nueva radio (NR) de 5G, como la numerología flexible, el soporte de frecuencia ancha, la seguridad incorporada y varias capas de virtualización crean la base para admitir los escenarios de casos de uso esencial 5g de EMBB, MMTC y URLLC.
Dos factores son esenciales para el futuro de MMTC en la ERA 5G: la coexistencia de NB-IOT y EMTC en 5G debido al uso flexible de los recursos de radio; y el apoyo de características relacionadas por el núcleo 5G. Características de la coexistencia según lo especificado en REL. 16 permitirá que los dispositivos NB-IOT y EMTC capaces de 5G se conecten a una red 5G independiente.
Iot industrial
Las fábricas en el futuro se basarán en la integración profunda de la información y la automatización, habilitadas por conectividad ubicua. La industria está buscando una tecnología de comunicación inalámbrica confiable y segura que se pueda usar para diferentes aplicaciones en el piso de la fábrica. Puede haber alternativas para abordar diferentes casos, pero solo 5G tiene el potencial de abordarlos a todos.
5G MMTC está optimizado para baja potencia y cobertura profunda para dispositivos que rastrean las herramientas y los productos o se pueden usar para conectar sensores.
5G EMBB está optimizado para la movilidad y el alto rendimiento de datos. Es adecuado para su uso en la conexión de gafas de realidad virtual y dispositivos de mano utilizados alrededor del piso de la fábrica.
Una nueva característica en 5G URLLC, desarrollada en REL.16 / 17, permitirá la automatización completa para controlar robots o vehículos guiados automatizados.
URLLC es un nuevo área de aplicación para la comunicación celular con requisitos explícitos con respecto a la latencia, el tiempo y la confiabilidad. 3GPP ha gastado esfuerzos razonables para abordar estos requisitos y ahora proporciona un conjunto de herramientas URLLC integral. Ayudará a optimizar la latencia en la interfaz de radio, con características, como un tiempo corto de símbolo y mini ranuras, junto con mejoras, como un proceso de repetición rápido y flexible o una transmisión de enlace ascendente sin subvención. La virtualización de la red, la priorización del tráfico y la computación del borde de acceso múltiple mejorarán en gran medida la latencia de extremo a extremo. La confiabilidad de las comunicaciones se puede mejorar aplicando esquemas de codificación robusta, duplicación y repetición de paquetes, así como esquemas de conectividad dual. Este conjunto de herramientas incluye el soporte de redes sensibles al tiempo o servicios de tipo LAN a través de 5G, según se desarrolla principalmente en REL.16. Las mejoras adicionales para la sincronización u operación de tiempo en entornos sin licencia están en desarrollo en REL.17.
Además de la confiabilidad de la latencia y la comunicación, la disponibilidad de la red y la seguridad son críticas para aplicaciones de misión y empresarial en el entorno industrial. Por lo tanto, la industria ha estado buscando operar redes privadas 5G que podrían implementarse como redes no públicas independientes (NPN) utilizando un espectro privado o NPN integrado en la red pública mediante la virtualización de la red, tal como se especifica en REL.16.
Introduciendo la luz NR
El conjunto de características integral de 5G aborda adecuadamente una amplia gama de aplicaciones IOT, por ejemplo, aquellas para un bajo costo extremo, extremo de baja potencia y movilidad limitada con NB-IOT. Sin embargo, existen muchas aplicaciones IOT, los wearables de seguridad de los niños, por ejemplo, que necesitan una vida útil de la batería, una muy buena cobertura, así como la movilidad total y las tasas de datos razonables. Otros ejemplos son sensores de emergencia que necesitan cobertura extrema, pero también latencia muy baja y bajo consumo de energía. Para abordar estas aplicaciones de IOT de rango medio, 3GPP comenzó a estudiar los requisitos de la aplicación bajo el nombre NR Light. En rel. 17 Va a estandarizar un nuevo tipo de dispositivo de capacidad reducida con el enfoque en los requisitos típicos de los sensores industriales, los wearables inteligentes y las cámaras de vigilancia (Figura 2).
Redes no terrestres
Hoy en día, las redes móviles pueden cubrir más del 80% de la población mundial, pero solo el 40% de la superficie terrestre y menos del 20% de la superficie de la Tierra. La única alternativa digna de abordar las solicitudes de IOT de detección, seguimiento y monitoreo globales es el uso de redes no terrestres utilizando, pequeños satélites de orbita de baja tierra. En rel. 17, 3GPP está trabajando en la integración de los componentes satelitales en la arquitectura de 5G NR en general. Inicialmente, estudia el uso de NB-IOT basado en evolución a largo plazo y EMTC a través de redes no terrestres.
El poder de las pruebas
3GPP está manejando continuamente la estandarización para cumplir con los requisitos presentes y futuros para el ecosistema IOT. La gran diversidad de características y escenarios de red, junto con requisitos de aplicación de IOT muy específicos, acelerará la demanda de prueba y certificación durante el ciclo de vida de dispositivos y componentes de red.
La latencia, la confiabilidad y el consumo de energía se vuelven cada vez más importantes y el monitoreo continuo de las redes se volverá esencial. Como resultado, las pruebas de IOT más amplias enfrentan una amplia gama de desafíos de las mediciones de desempeño, como el consumo de energía y la vida útil de la batería, a través de la prueba de cumplimiento y la fabricación, la implementación y las operaciones al servicio y la reparación de servicios en servicio.
De ello se deduce que los requisitos de la duración de la batería de más de 10 años y los requisitos de latencia que van desde minutos hasta microsegundos se vuelven relevantes. Algunas aplicaciones que requieren cobertura global y movilidad se centrarán en las tecnologías celulares, como LTE-M y NB-IOT, pero la mayoría de los dispositivos utilizarán tecnologías inalámbricas no celulares, como Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Hilo, EnoCean, SIGFOX y LORA en Sin licencia industrial, científica y médica / corta corta.
Pruebe los desafíos en el diseño de RF
Pruebas El comportamiento general de la comunicación de los dispositivos IOT es un tema importante en todas las fases del ciclo de vida del producto. El diseño de RF requiere atención especial. Las mediciones de dispositivos IOT suelen comenzar con las mediciones de sensibilidad de alimentación, espectro y receptor de RF en modo conectado. Los parámetros S se miden para verificar y ajustar el rendimiento de la antena del dispositivo IOT.
Después de esto, se recomienda la medición excesiva del aire de la potencia radiada total y la sensibilidad isotrópica total del diseño final. También puede ser relevante para realizar mediciones bajo ciertas condiciones de desvanecimiento o aplicar técnicas de mejora de cobertura, como las utilizadas para dispositivos NB-IOT y LTE-M.
El diseño de hardware y software apropiado es especialmente importante para dispositivos de baja potencia, por ejemplo, implementando un consumo de energía óptimo en modo activo, pero también modos de sueño profundo o fases de inicio / apagado cortos. Los dispositivos IOT que utilizan tecnologías inalámbricas de baja potencia (LP-WAN), como LTE-M o NB-IOT, deben considerar todos los aspectos de los modos operativos y características, como PSM, EDRX o CE.
Los fabricantes de dispositivos, los operadores y los fabricantes de infraestructura requieren una cartera de pruebas integral para acelerar la introducción de aplicaciones y servicios de IOT. Esto no se puede lograr sin verificar la conformidad de los dispositivos IOT con los requisitos reglamentarios, de operador y estándares.
Incluso con procesos bien definidos, muchos nuevos diseños de dispositivos IOT aún fallan la certificación en el primer intento. Los reguladores han definido casos de prueba para garantizar la coexistencia y las operaciones amigables con las redes para las tecnologías inalámbricas que operan en la misma banda de frecuencia. Bluetooth, Wi-Fi y ZigBee, por ejemplo, todos operan en la misma banda ISM de 2.4GHz. Su certificación se centra en los temas de conformidad con RF y Protocolo para garantizar la interoperabilidad y el alto rendimiento. Los operadores pueden solicitar pruebas adicionales que autorizan dispositivos IOT para sus redes.
Sobre el Autor
Jörg Köpp es Gerente de Segmento de Mercado - IoT, Rohde & Schwarz
