Nyligen har det cellulära IOT (C-IOT) ekosystemet, och speciellt 3GPP-standardiseringen, fokuserat på att möjliggöra marknadsmaskinens (MAmTc) -marknadsmarknadsmarknaden, smart parkering, smart parkering eller tillgångsspårning. Base Technologies smalbandsinternet av saker (NB-IoT) (CAT-NB1 / 2) och förbättrad maskintypskommunikation (EMTC) (Cat-M) utvecklades i Rel. 13/14, med dedikerade funktioner för mycket låg strömförbrukning (utökad diskontinuerlig mottagning (EDRX), nätaggregat (PSM)) och täckningsförbättringar (CE-lägen). Under tiden har cirka 140 mobiloperatörer runt om i världen utplacerat LTE M eller NB-IOT-nätverk, och GSA (Global Mobile Suppliers Association) har räknat mer än 500 anordningar som stöder antingen Cat-M1, Cat-NB1 eller CAT-NB2.
Emerging IoT-applikationer i flera branscher, liksom den globala fasen av 2G och 3G-nätverk, kör behovet av mer applikationsspecifika tillägg. Därför arbetar 3GPP kontinuerligt med förbättringar för NB-IOT och EMTC för att täcka specifika ansökningsbehov (Figur 1). Exempel är väckningssignaler eller tidig dataöverföring, som införs i Rel. 15. Båda bidrar till att optimera strömförbrukningen och reaktionstiderna. På lång sikt är det dock ett behov av en smidig övergång till 5G-eran.
C-iot i era av 5g
Den första mobilnätgenerationen som är utformad från början att stödja inte bara den mobila bredbandsmarknaden (EMB), men också den växande IOT-marknaden var 5G. Redan i den första 5G-frisättningen lades stiftelsen för övergången av MMTC (NB-IOT / EMTC) från 4G till 5G och för så kallad Ultra-tillförlitlig, låg latenskommunikation (URLLC) som till exempel krävdes av fabriksautomatisering. Några 5g nya radio (NR) egenskaper som flexibel numerologi, brett frekvensstöd, inbyggd säkerhet och flera lager av virtualisering skapar basen för att stödja viktiga 5G-användningsscenarier av EMB, MMTC och URLLC.
Två faktorer är viktiga för framtiden för MMTC i 5G-eran: Sameksistensen av NB-IOT och EMTC i 5g på grund av flexibel användning av radioresurser; och stöd av relaterade funktioner av 5G-kärnan. Samexistensfunktioner som anges i Rel. 16 tillåter 5g-kapabla NB-IOT- och EMTC-enheter att ansluta till ett fristående 5G-nätverk.
Industriell IoT
Fabriker i framtiden kommer att förlita sig på djup integrering av information och automation, aktiverad med allestädes närvarande anslutning. Branschen letar efter en pålitlig och säker trådlös kommunikationsteknik som kan användas för olika applikationer på fabriksgolvet. Det kan finnas alternativ för att ta itu med olika fall, men endast 5G har potential att ta itu med dem alla.
5G MMTC är optimerad för låg effekt och djup täckning för enheter som spårverktyg och varor eller det kan användas för anslutande sensorer.
5G EMB är optimerad för rörlighet och hög data genomströmning. Den är lämplig för användning vid anslutning av virtuella verkställande glasögon och handhållna enheter som används runt fabriksgolvet.
En ny funktion i 5G URLLC, som utvecklats i förhållande.16 / 17, kommer att möjliggöra fullständig automatisering för kontroll av robotar eller automatiserade guidade fordon.
URLLC är ett nytt applikationsområde för cellulär kommunikation med uttryckliga krav på latens, timing och tillförlitlighet. 3GPP har spenderat rimliga ansträngningar för att ta itu med dessa krav och tillhandahåller nu en omfattande URLLC-verktyg. Det kommer att bidra till att optimera latensen på radiogränssnittet, med funktioner som kort symboltid och mini slots, tillsammans med förbättringar som snabb och flexibel repetitionsprocess eller beviljad upplänksöverföring. Nätverksvirtualisering, trafikprioritering och multi-åtkomst-kantberäkning kommer i stor utsträckning att förbättra den slutliga latensen. Kommunikationsäkerhet kan förbättras genom att tillämpa robusta kodningssystem, paketupptagning och repetition samt dubbla anslutningssystem. I det här verktyget ingår stöd av tidskänsliga nätverk eller LAN-tjänster via 5G, som huvudsakligen utvecklats i förhållande.16. Ytterligare förbättringar för tidsynkronisering eller drift i olicensierade miljöer är i utveckling i förhållande.17.
Förutom latens och kommunikationsäkerhet är nätverks tillgänglighet och säkerhet avgörande för missions- och affärskritiska tillämpningar i industrimiljön. Branschen har därför varit ute efter att använda privata 5G-nätverk som kan utnyttjas som fristående icke-offentliga nätverk (NPNS) med hjälp av privat spektrum eller offentliga nätverksintegrerade NPNs med hjälp av nätverksvirtualisering enligt vad som anges i Rel.16.
Introducera NR-ljus
Den omfattande särdragen med 5G behandlar ett brett utbud av IOT-applikationer, till exempel de för extrem lågkostnad, extrem låg effekt och begränsad rörlighet med NB-IOT. Det finns dock massor av IOT-applikationer, barns säkerhet bärbara, till exempel, som behöver lång batterilivslängd, mycket bra täckning, samt full rörlighet och rimliga datahastigheter. Andra exempel är nödsensorer som behöver extrem täckning, men också mycket låg latens och låg strömförbrukning. För att ta itu med dessa IOT-applikationer i mellanklass startade 3GPP för att studera programmets krav under namnet NR-ljuset. I rel. 17 Det kommer att standardisera en ny reducerad kapacitetsenhetstyp med fokus på de typiska kraven för industriella sensorer, smarta slitage och övervakningskammar (Figur 2).
Icke-markbundna nätverk
Idag kan mobilnät täcka mer än 80% av den globala befolkningen, men endast 40% av markytan och mindre än 20% av jordens yta. Det enda värdiga alternativet att ta itu med IOT-applikationer av global avkänning, spårning och övervakning är användningen av icke-markbundna nätverk med hjälp av, små låga jordbana-satelliter. I rel. 17, 3GPP arbetar med integrationen av satellitkomponenter i 5G NR-arkitekturen i allmänhet. Ursprungligen studerar den användningen av långsiktig evolutionsbaserad NB-IOT och EMTC via icke-markbundna nätverk.
Testkraften
3GPP driver kontinuerligt standardisering för att möta nuvarande och framtida krav för IOT-ekosystemet. Den stora mångfalden av funktioner och nätverksscenarier, tillsammans med mycket specifika IOT-applikationskrav, kommer att påskynda efterfrågan på test och certifiering över livscykeln för enheter och nätverkskomponenter.
Latens, tillförlitlighet och strömförbrukning blir allt viktigare och kontinuerlig övervakning av nätverk kommer att bli nödvändiga. Som ett resultat står det bredare IOT-testet inför ett brett utbud av utmaningar från prestationsmätningar, såsom strömförbrukning och batterilivslängd, genom överensstämmelse och tillverkningstest, implementering och drift till service och reparation av reparation.
Det följer att batteriets livslängd på mer än 10 år och latenskrav som sträcker sig från minuter till mikrosekunder blir relevanta. Vissa applikationer som kräver global täckning och rörlighet kommer att fokusera på mobilteknik som LTE-M och NB-IoT, men de flesta enheter kommer att använda icke-cellulär trådlös teknik som Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, tråd, Enocean, Sigfox och Lora i olicensierade industriella, vetenskapliga och medicinska / korta tanden.
Testutmaningar i RF-design
Testning Det totala kommunikationsbeteendet hos IOT-enheter är ett viktigt ämne i alla faser av produktlivscykeln. RF-design kräver särskild uppmärksamhet. IOT-enhetsmätningar börjar vanligtvis med RF-effekt, spektrum och mottagarkänslighetsmätningar i anslutet läge. S-parametrar mäts för att verifiera och ställa in antennens prestanda hos IoT-enheten.
Därefter rekommenderas over-the-air-mätningen av den totala utstrålade effekten och den totala isotropa känsligheten hos den slutliga konstruktionen. Det kan också vara relevant att utföra mätningar under vissa blekningsförhållanden eller tillämpa täckningsförbättringstekniker, såsom de som används för NB-IOT och LTE-M-enheter.
Att utforma lämplig maskinvara och programvara är särskilt viktigt för låga nätaggregat, till exempel implementering av optimal strömförbrukning i aktivt läge, men även djupa viloläge eller korta uppstart / avstängningsfaser. IOT-enheter som använder trådlös låg effektteknik (LP-WAN) som LTE-M eller NB-IOT måste överväga alla aspekter av de operativa lägena och funktioner som PSM, EDRX eller CE.
Enhetstillverkare, operatörer och infrastrukturtillverkare kräver en omfattande testportfölj för att påskynda införandet av IOT-applikationer och tjänster. Detta kan inte uppnås utan att verifiera överensstämmelse med IOT-enheter med krav på regelverk, operatör och standarder.
Även med väldefinierade processer misslyckas många nya design av IOT-enheter fortfarande certifiering vid första försöket. Regulatorer har definierat testfall för att säkerställa samexistens och nätverksvänlig verksamhet för trådlös teknik som arbetar i samma frekvensband. Bluetooth, Wi-Fi och Zigbee, till exempel, fungerar alla i samma 2,4 GHz ISM-band. Deras certifiering fokuserar på RF- och protokollkonformtämnen för att säkerställa driftskompatibilitet och hög prestanda. Operatörer kan begära ytterligare test som godkänner IOT-enheter för sina nätverk.
Om författaren
Jörg Köpp är marknadssegmentschef - IoT, Rohde & Schwarz
