Onlangs heeft het cellulaire IoT (C-IoT) ecosysteem, en met name de 3GPP-standaardisatie, gericht op het mogelijk maken van de Massive Machine Type Communication (MMTC) -markt voor toepassingen zoals watermeting, koeienmonitoring, smartparking of activa-tracking. De Basis Technologies Narrowband Internet of Things (NB-IOT) (CAT-NB1 / 2) en Enhanced Machine Type Communication (EMTC) (CAT-M) zijn ontwikkeld in Rel. 13/14, met toegewijde functies voor een zeer laag stroomverbruik (uitgebreide discontinue ontvangst (EDRX), voedingsmodule (PSM) en dekkingverbeteringen (CE-modi). In de tussentijd hebben ongeveer 140 mobiele operators over de hele wereld de LTE M of NB-IoT-netwerken ingezet, en GSA (Global Mobile Leveranciers Association) heeft meer dan 500 apparaten geteld ter ondersteuning van ofwel CAT-M1, CAT-NB1 of CAT-NB2.
Opkomende IoT-toepassingen in verschillende industrieën, evenals de wereldwijde fase uit 2G- en 3G-netwerken, drijven de behoefte aan meer toepassingsspecifieke extensies. Daarom werkt 3GPP continu aan verbeteringen voor NB-IOT en EMTC om de specifieke aanvraagseisen te dekken (figuur 1). Voorbeelden zijn wake-up signalen of vroege datatransmissie, zoals geïntroduceerd in rel. 15. Beide helpen om het stroomverbruik en de reactietijden te optimaliseren. Op de lange termijn is er echter behoefte aan een soepele overgang naar het tijdperk van 5g.
C-iot in het tijdperk van 5g
De eerste generatie van het mobiele netwerk ontworpen vanaf het begin om niet alleen de mobiele breedbandmarkt (EMBB) te ondersteunen, maar ook de groeiende IoT-markt was 5G. Al in de eerste 5G-release werd de stichting gelegd voor de overgang van MMTC (NB-IoT / EMTC) van 4G tot 5G en voor zogenaamde ultra betrouwbare, lage latentiecommunicatie (URLLC) die wordt geëist door bijvoorbeeld fabrieksautomatisering. Ongeveer 5G nieuwe radio (NR) -igenschappen, zoals flexibele numerologie, brede frequentie-ondersteuning, ingebouwde beveiliging en verschillende lagen van virtualisatie maken de basis om essentiële 5G-gebruikscassacenario's van EMMB, MMTC en URLLC te ondersteunen.
Twee factoren zijn essentieel voor de toekomst van MMTC in het 5G-tijdperk: het naast elkaar bestaan van NB-IoT en EMTC in 5g als gevolg van flexibel gebruik van radiobronnen; en de ondersteuning van gerelateerde kenmerken door de 5G-kern. CO-bestaance-functies zoals gespecificeerd in Rel. 16 Zal 5G Capable NB-IoT- en EMTC-apparaten toestaan om verbinding te maken met een stand-alone 5G-netwerk.
Industriële IoT
Fabrieken in de toekomst zullen vertrouwen op diepe integratie van informatie en automatisering, ingeschakeld door alomtegenwoordige connectiviteit. De industrie is op zoek naar een betrouwbare en veilige draadloze communicatietechnologie die kan worden gebruikt voor verschillende toepassingen op de fabrieksvloer. Er kunnen alternatieven zijn om verschillende gevallen aan te pakken, maar slechts 5G heeft het potentieel om ze allemaal aan te pakken.
5G MMTC is geoptimaliseerd voor lage vermogen en diepe dekking voor apparaten die gereedschappen en goederen volgen of deze kan worden gebruikt voor het aansluiten van sensoren.
5G EMMB is geoptimaliseerd voor mobiliteit en hoge gegevensovervoer. Het is geschikt voor gebruik bij het verbinden van virtuele reality-bril en handheld-apparaten die rond de fabrieksvloer worden gebruikt.
Een nieuwe functie in 5G-URLLC, ontwikkeld in Rel.16 / 17, zal volledige automatisering inschakelen voor het besturen van robots of geautomatiseerde geleide voertuigen.
URLLC is een nieuw toepassingsgebied voor cellulaire communicatie met expliciete vereisten met betrekking tot latentie, timing en betrouwbaarheid. 3GPP heeft redelijke inspanningen besteed om aan deze vereisten aan te pakken en biedt nu een uitgebreide urllc-toolset. Het helpt bij het optimaliseren van de latentie op de radio-interface, met kenmerken zoals korte symbooltijd en mini-slots, samen met verbeteringen zoals snelle en flexibele herhalingsproces of subsidie-vrije uplinktransmissie. Netwerkvirtualisatie, verkeersporitatie en multi-access edge computing verbeteren grotendeels de eind-to-end latentie. Betrouwbaarheid van de communicatie kan worden verbeterd door het toepassen van robuuste coderende schema's, pakketduplicatie en herhaling en dubbele connectiviteitsregelingen. Deze toolset bevat de ondersteuning van tijdgevoelige netwerken of LAN-TYPE-services via 5G, zoals voornamelijk ontwikkeld in Rel.16. Verdere verbeteringen voor tijdsynchronisatie of bediening in doorlogende omgevingen zijn in Rel.17 in ontwikkeling.
Naast latentie en communicatiebetrouwbaarheid zijn de netwerkbeschikbaarheid en -beveiliging kritisch voor mission- en zakelijke toepassingen in de industriële omgeving. De industrie heeft daarom op zoek naar privé 5G-netwerken die kunnen worden ingezet als stand-alone niet-openbare netwerken (NPN's) met behulp van privéspectrum of openbaar netwerk geïntegreerd NPN's met behulp van netwerkvirtualisatie zoals gespecificeerd in Rel.16.
Introductie van NR-licht
De uitgebreide functieset van 5G richt zich adequaat aan op een breed scala aan IoT-toepassingen, bijvoorbeeld die voor extreme low-cost, extreem low-power en beperkte mobiliteit met NB-IoT. Er zijn echter tal van IoT-applicaties, Safety Draagables van kinderen, bijvoorbeeld die lange levensduur van de batterij nodig hebben, zeer goede dekking, evenals volledige mobiliteit en redelijke data-tarieven. Andere voorbeelden zijn noodsensoren die extreme dekking nodig hebben, maar ook zeer lage latentie en een laag stroomverbruik. Om deze Mid-Range Iot-applicaties aan te pakken, begon 3GPP de applicatievereisten onder de naam NR-licht te bestuderen. In rel. 17 Het gaat een nieuw verminderd apparaattype standaardiseren met de focus op de typische vereisten van industriële sensoren, slimme wearables en bewakingsnokken (figuur 2).
Niet-terrestrische netwerken
Tegenwoordig kunnen mobiele netwerken meer dan 80% van de wereldbevolking dekken, maar slechts 40% van het landoppervlak en minder dan 20% van het oppervlak van de aarde. Het enige waardige alternatief voor het aanpakken van IOT-toepassingen van wereldwijde detectie, tracking en monitoring is het gebruik van niet-terrestrische netwerken door gebruik te maken van, kleine lage orgebit-satellieten. In rel. 17, 3GPP werkt aan de integratie van satellietcomponenten in de 5G NR-architectuur in het algemeen. In eerste instantie bestudeert het het gebruik van op lange termijn gebaseerde NB-IoT en EMTC via niet-terrestrische netwerken.
De kracht van testen
3GPP rijdt continu standaardisatie om aan de huidige en toekomstige vereisten voor het IoT-ecosysteem te voldoen. De grote diversiteit aan functies en netwerkscenario's, samen met zeer specifieke IoT-applicatievereisten, zal de vraag naar test en certificering versnellen over de levenscyclus van apparaten en netwerkcomponenten.
Latentie, betrouwbaarheid en stroomverbruik worden steeds belangrijker en continu-monitoring van netwerken worden essentieel. Dientengevolge wordt bredere IoT-tests geconfronteerd met een breed scala aan uitdagingen van prestatiemetingen, zoals het energieverbruik en de levensduur van de batterij, door middel van naleving en productie-test, inzet en -bewerkingen aan onderhouds- en in-service reparatie.
Hieruit volgt dat de eisen van de levensduur van de batterij van meer dan 10 jaar en latency-vereisten variërend van minuten tot microseconden worden relevant. Sommige toepassingen die een wereldwijde dekking en mobiliteit vereisen, zullen zich richten op cellulaire technologieën zoals LTE-M en NB-IOT, maar de meeste apparaten zullen niet-cellulaire draadloze technologieën gebruiken, zoals Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, draad, Enocean, Sigfox en Lora in Unlicensed Industrial, Scientific and Medical / Short Range Tbypss.
Testuitdagingen in RF-ontwerp
Het testen van het algemene communicatiegedrag van IoT-apparaten is een belangrijk onderwerp in alle fasen van de Levenscyclus van het product. RF-ontwerp vereist speciale aandacht. IoT-apparaatmetingen beginnen meestal met RF-vermogens-, spectrum- en ontvanger-gevoeligheidsmetingen in de aangesloten modus. S-parameters worden gemeten om de antenne-prestaties van het IoT-apparaat te verifiëren en af te stemmen.
Hierna wordt over-the-air meting van het totale uitgestraalde vermogen en de totale isotrope gevoeligheid van het definitieve ontwerp aanbevolen. Het kan ook relevant zijn om metingen uit te voeren onder bepaalde vervagingsvoorwaarden of het toepassen van dekking-enhancementtechnieken zoals die die worden gebruikt voor NB-IOT- en LTE-M-apparaten.
Het ontwerpen van geschikte hardware en software is vooral belangrijk voor low-power-apparaten, bijvoorbeeld implementeren van optimale stroomverbruik in de actieve modus, maar ook diep-slaapmodi of korte start-up / shutdown-fasen. IoT-apparaten die draadloze low-power-technologieën (LP-WAN) gebruiken, zoals LTE-M of NB-IOT moeten alle aspecten van de operationele modi en functies zoals PSM, EDRX of CE beschouwen.
Apparaatmakers, exploitanten en infrastructuurfabrikanten vereisen een uitgebreide testportfolio om de introductie van IOT-toepassingen en -diensten te versnellen. Dit kan niet worden bereikt zonder de conformiteit van IOT-apparaten te verifiëren met wettelijke, operator- en normenvereisten.
Zelfs met goed gedefinieerde processen, falen veel nieuwe ontwerpen van IoT-apparaten nog steeds certificering bij de eerste poging. Regulators hebben testcases gedefinieerd om te zorgen voor co-existentie en netwerkvriendelijke activiteiten voor draadloze technologieën die actief zijn in dezelfde frequentieband. Bluetooth, Wi-Fi en Zigbee, bijvoorbeeld, werken allemaal in dezelfde 2,4 GHz ISM-band. Hun certificering richt zich op RF- en protocolconformiteitstopica om interoperabiliteit en hoge prestaties te waarborgen. Operators kunnen aanvullende tests vragen die IoT-apparaten voor hun netwerken autoriseren.
Over de auteur
Jörg KöppP is Market Segment Manager - IoT, Rohde & Schwarz
