Evoluce IoT s 5G: Současná investice do internetu věcí s ohledem na budoucnost

V několika posledních rozhovorech jsem často dostával otázku, zda s ohledem na to, že dnes existuje téměř miliarda celulárních IoT zařízení, dojde s příchodem 5G k nahrazení všech existujících IoT technologií, a s tím i k zastarání dosavadních investic. Jednoduchá odpověď zní ne. Ale abychom to lépe pochopili, ponořme se trochu hlouběji do současných IoT technologií.

Internet of Things (IoT) roste exponenciálně, přičemž některé prognózy odhadují, že celkový počet IoT zařízení bude do roku 2025 činit kolem 25 miliard. Pro laika: IoT jsou malá zařízení s nízkým příkonem, která generují občasný datový provoz malého objemu – například inteligentní měřiče. I když to takto řečeno obecně platí, IoT zařízení pokrývají mnohem širší segment. Dala by se klasifikovat do dvou kategorií – wide-area IoT a IoT krátkého dosahu (short-range).

Wide-area IoT: nízký výkon a velký dosah

Wide-area IoT zařízení mají obecně nízkou spotřebu a přenášejí nepravidelné malé sady dat prostřednictvím sítě s malou spotřebou energie (LPWAN). Tato zařízení jsou obvykle instalována ve vzdálených místech bez externího napájení (tj. běží na baterie), a proto se očekává, že budou velmi energeticky účinná. LPWAN mohou pracovat v licencovaném i nelicencovaném spektru.

Dvě z nejčastějších technologií LPWAN, které pracují v nelicencovaném spektru, jsou SigFox a rozsáhlá širokopásmová síť LoRaWAN. Ty, které pracují v licencovaném spektru, jsou úzkopásmové (Narrow Band) NB-IoT a LTE-M nebo LTE mezistrojová komunikace, také známá jako Cat-M1. Obě jsou specifikovány 3GPP ve verzi 13 a souhrnně známé jako celulární IoT.

SigFox je patentovaná technologie vlastněná francouzskou společností se stejným názvem. Jde o ultra-úzkopásmovou (ultra-narrowband) technologii, která umožňuje bezdrátovým signálům volně procházet pevnými objekty, a je tak vhodná pro podzemní a vnitřní instalace.

SigFox funguje v Evropě v pásmu 868 MHz a v USA v pásmu 902 MHz. Je navržen tak, aby podporoval množství zařízení, která nejčastěji vysílají malá množství dat (100 bajtů za sekundu) v krátkých dávkách (např. parkovací senzory, měřiče spotřeby). Ke konci roku 2018 existovaly implementace IoT na bázi SigFoxu ve více než 60 zemích.

LoRa je technologie s rozšířenějším spektrem a širším pásmem než Sigfox. LoRaWAN je ve skutečnosti protokol pro střední kontrolu přístupu běžící na protokolu long range (LoRa) fyzické vrstvy (PHY) a pracuje v nelicencovaných pásmech, jako jsou 433 MHz a 868MH v Evropě a 915 MHz v Austrálii a Severní Americe. Technologie LoRa je licencována společností SemTech a vyvíjí se v rámci aliance LoRaWAN od roku 2015. Ke konci roku 2018 mělo implementaci IoT založenou na LoRaWAN asi 100 zemí.

Short-range IoT: Vyšší požadavky na napájení, připojení k PAN nebo LAN

Než se vrhneme na celulární IoT, podívejme se ještě na zařízení s krátkým dosahem. Ta obecně potřebují vyšší výkon, který je ale stále výrazně nižší než u většiny chytrých telefonů, a vyměňují si větší množství dat. Z důvodu vyššího požadavku na napájení je třeba tato zařízení často dobíjet nebo použít externí zdroj napájení. Tato zařízení lze dále rozdělit na osobní síť (PAN) nebo lokální síť (LAN).

PAN IoT zařízení mají dosah pár metrů a nejběžnějšími technologiemi, které je propojují jsou Bluetooth, ZigBee a 6LoWPAN nebo IPv6 bezdrátové osobní sítě s nízkou spotřebou. Nejběžnějšími PAN IoT zařízeními jsou sluchátka, chytré krokoměry atd. LAN IoT zařízení mají obecně dosah desítky metrů a pro základní konektivitu používají nějakou verzi bezdrátové technologie LAN 802.11.

PAN IoT zařízení obecně pohánějí dobíjecí baterie, zatímco LAN IoT zařízení fungují jak s akumulátory, tak s externími zdroji energie. Nejběžnější LAN IoT zařízení jsou bezpečnostní kamery, domácí spotřebiče, jako jsou ledničky atd. Jedno zařízení může být součástí sítí PAN i LAN IoT. Takové zařízení by mohlo agregovat informace ze sítě PAN IoT do sítě LAN IoT, která by se pak mohla připojit k síti WAN nebo internetu prostřednictvím IoT brány.

Podle zprávy o mobilitě od společnosti Ericsson z června 2019 čítá wide-area IoT přibližně jednu miliardu zařízení a více než jednu desetinu všech nasazení IoT. Do roku 2024 mají růst meziročním tempem o 27 procent a dosáhnout 4,5 miliardy zařízení. IoT zařízení s krátkým dosahem tvoří asi 90 procent nasazení a do roku 2024 porostou meziročně 15% tempem na přibližně 18 miliard zařízení. IoT zařízení s krátkým dosahem z trhu v dohledné budoucnosti nezmizí.

Wide-area IoT zařízení zaznamenají exponenciální růst, zejména se zavedením 5G service-based architektury (SBA), tj. páteře, která bude ve srovnání se 4G LTE packet páteří mnohem více škálovat. Podobně očekáváme, že nasazení LPWAN založené na technologiích nelicencovaných spekter, jako jsou SigFox a LoRa, budou nadále existovat a růst, i když s mnohem nižší rychlostí než celulární IoT.

Jaký je rozdíl mezi NB-IoT a LTE-M?

Než se vydáme dále, jednou otázkou, která obvykle vyvstane, je, proč potřebujeme NB-IoT a LTE-M jako dvě různé technologie ve verzi 13. LTE-M podporuje méně složitá zařízení s nízkou spotřebou, masivní hustotu připojení, nízkou latenci, poskytuje širší pokrytí a umožňuje opětovné použití instalované základny LTE. NB-IoT se vyznačuje lepším pokrytím uvnitř budov, podporou velkého počtu zařízení s nízkou spotřebou a propustností, nízkou citlivostí na zpoždění, velmi nízkými náklady na zařízení a optimalizovanou architekturou sítě. Díky tomu jsou si velmi podobné.

Existují však některé významné rozdíly:

  1. LTE-M podporuje větší šířku pásma (1,4 MHz s datovými rychlostmi až 1 Mbps), zatímco NB-IoT podporuje menší šířku pásma (200 MHz s datovými rychlostmi pod 100 kbps);
  2. LTE-M podporuje mobilitu zařízení, zatímco NB-IoT ne;
  3. LTE-M podporuje hlasový provoz pomocí VoLTE, zatímco NB-IoT je omezen pouze na data;
  4. LTE-M pracuje ve vysokofrekvenčním pásmu, zatímco NB-IoT pracuje v nízkofrekvenčním pásmu, což je potřebné pro vnitřní použití, zatímco LTE-M nemusí být pro vnitřní použití tak vhodné;
  5. LTE-M má mnohem nižší latenci (50 až 100 ms) ve srovnání s NB-IoT, které ji má obvykle 30 až 100krát vyšší (1,5 až 10 sekund).

Obrázek 1 níže ukazuje integraci LTE-M a NB-IoT do stávající LTE sítě. Service Capability Exposure Function (SCEF) je nová entita přidaná do LTE sítě ve verzi 13. Aby bylo možné splnit požadavky na nízkou spotřebu energie pro LTE-M a NB-IoT, byl energeticky náročný IP protokol pro přenos dat nahrazen rozšířeným protokolem Non-Access Stratum (NAS), který umožňuje přenášet malé množství dat přes řídicí vrstvu. V tomto případě není IP stack nutný, proto byl tento typ přenosu pojmenován Non-IP Data Delivery (NIDD) a je znázorněn červenou přerušovanou čarou na obrázku 1 níže.

Ve verzi 13 definovala 3GPP SCEF jako rozhraní pro malé přenosy dat a řídicí zprávy mezi podnikovými IoT aplikačními servery a páteřní sítí operátora. SCEF poskytuje podnikům API pro malé datové přenosy a řídicí zprávy a pro plnění svých funkcí používá rozhraní definovaná 3GPP se síťovými prvky v páteřní síti operátora. Verze 13 také podporuje doručování IoT IP dat s řídicí vrstvou NAS, která je zobrazena na obrázku 1 níže zelenou přerušovanou čarou.

Obrátek 1: Celulární IoT ve 4G LTE síti

V 5G SBA páteři poskytuje funkce Network Exposure Function (NEF) službu doručování malých dat podobnou službě NIDD (Non-IP Data Delivery) 4G SCEF, která vystavuje API aplikačním serverům. Obrázek 2 níže ukazuje existující sítě NB-IoT a LTE-M připojující se k 5G SBA páteři v non-standalone režimu. NEF je rozhraní pro malé přenosy dat a řídicí zprávy mezi podnikovými IoT aplikačními servery a páteřní 5G sítí operátora. Přenos dat NIDD je znázorněn červenou přerušovanou čarou na obrázku 2 níže. Přenos IoT IP dat s řídicí vrstvou NAS je zobrazen zelenou přerušovanou čarou.

Obrázek 2: Celulární IoT s 5G SBA páteří

Stručně řečeno, aktuálně nasazená LTE-M a NB-IoT zařízení se v okamžiku nasazení 5G SBA páteře připojí v non-standalone režimu. Většina dnešních implementací IoT funguje v síti 4G a umožňuje dosažení hustoty přibližně 60 000 zařízení na kilometr čtvereční. Požadavky na masivní nasazení IoT v 5G vyžadují, aby hustota zařízení byla navýšena minimálně na jeden milion zařízení na každý kilometr čtvereční. 3GPP pracuje na vylepšení technických specifikací 5G, aby dosáhla této hustoty ve verzi 16 (očekává se, že bude dokončena do června 2020) a ve verzi 17 (očekává se, že bude dokončena do konce roku 2021 nebo začátkem roku 2022).

Autor: Ravi Raj Bhat, CTO A10 Networks
Překlad a úpravy: Jan Mazal, VPGC
Zdroj: A10 Networks – The Evolution of IoT with 5G: Future-proofing Current IoT Investment