Evolúcia IoT s 5G: Súčasná investícia do internetu vecí s výhľadom na budúcnosť

V niekoľkých posledných rozhovoroch som často dostával otázku, či vzhľadom na to, že dnes existuje takmer miliarda celulárnych IoT zariadení, dôjde s príchodom 5G k nahradeniu všetkých existujúcich IoT technológií, a s tým aj k zastaraniu doterajších investícií. Jednoduchá odpoveď znie nie. Ale aby sme to lepšie pochopili, ponorme sa trochu hlbšie do súčasných IoT technológií.

Internet of Things (IoT) rastie exponenciálne, pričom niektoré prognózy odhadujú, že celkový počet IoT zariadení bude do roku 2025 predstavovať okolo 25 miliárd. Pre laika: IoT sú malé zariadenia s nízkym príkonom, ktoré generujú občasnú dátovú prevádzku malého objemu – napríklad inteligentné merače. Aj keď to takto povedané všeobecne platí, IoT zariadenia pokrývajú oveľa širší segment. Dali by sa klasifikovať do dvoch kategórií – wide-area IoT a IoT krátkeho dosahu (short-range).

Wide-area IoT: nízky výkon a veľký dosah

Wide-area IoT zariadenia majú všeobecne nízku spotrebu a prenášajú nepravidelné malé sady dát prostredníctvom siete s malou spotrebou energie (LPWAN). Tieto zariadenia sú obvykle inštalované vo vzdialených miestach bez externého napájania (tj. beží na batérie), a preto sa očakáva, že budú veľmi energeticky účinné. LPWAN môžu pracovať v licencovanom i nelicencovanom spektre. Dve z najčastejších technológií LPWAN, ktoré pracujú v nelicencovanom spektre, sú SigFox a rozsiahla širokopásmová sieť LoRaWAN. Tie, ktoré pracujú v licencovanom spektre, sú úzkopásmové (Narrow Band) NB-IoT a LTE-M alebo LTE medzistrojová komunikácia, tiež známa ako Cat-M1. Obe sú špecifikované 3GPP vo verzii 13 a súhrnne známe ako celulárne IoT.

SigFox je patentovaná technológia vlastnená francúzskou spoločnosťou s rovnakým názvom. Ide o ultra-úzkopásmovú (ultra-Narrowband) technológiu, ktorá umožňuje bezdrôtovým signálom voľne prechádzať pevnými objektmi, a je tak vhodná pre podzemné a vnútorné inštalácie. SigFox funguje v Európe v pásme 868 MHz a v USA v pásme 902 MHz. Je navrhnutý tak, aby podporoval množstvo zariadení, ktoré najčastejšie vysielajú malé množstvá dát (100 bajtov za sekundu) v krátkych dávkach (napr. parkovacie senzory, merače spotreby). Ku koncu roka 2018 existovali implementácie IoT na báze SigFoxu vo viac ako 60 krajinách.

LoRa je technológia s rozšírenejším spektrom a širším pásmom než Sigfox. LoRaWAN je v skutočnosti protokol pre strednú kontrolu prístupu bežiaci na protokole long range (LoRa) fyzickej vrstvy (PHY) a pracuje v nelicencovaných pásmach, ako sú 433 MHz a 868MH v Európe a 915 MHz v Austrálii a Severnej Amerike. Technológia LoRa je licencovaná spoločnosťou SEMTECH a vyvíja sa v rámci aliancie LoRaWAN od roku 2015. Ku koncu roka 2018 malo implementáciu IoT založenú na LoRaWAN asi 100 krajín.

Short-range IoT: Vyššie požiadavky na napájanie, pripojenie k PAN alebo LAN

Než sa vrhneme na celulárne IoT, pozrime sa ešte na zariadenia s krátkym dosahom. Tie všeobecne potrebujú vyšší výkon, ktorý je ale stále výrazne nižší ako u väčšiny chytrých telefónov, a vymieňajú si väčšie množstvo dát. Z dôvodu vyššieho požiadavku na napájanie je potrebné tieto zariadenia často dobíjať alebo použiť externý zdroj napájania. Tieto zariadenia možno ďalej rozdeliť na osobnú sieť (PAN) alebo lokálnu sieť (LAN).

PAN IoT zariadenia majú dosah pár metrov a najbežnejšími technológiami, ktoré ich prepájajú sú Bluetooth, ZigBee a 6LoWPAN alebo IPv6 bezdrôtové osobné siete s nízkou spotrebou. Najbežnejšími PAN IoT zariadeniami sú slúchadlá, chytré krokomery atď. LAN IoT zariadenia majú všeobecne dosah desiatky metrov a pre základnú konektivitu používajú nejakú verziu bezdrôtovej technológie LAN 802.11. PAN IoT zariadenia sú všeobecne poháňané dobíjacími batériami, zatiaľ čo LAN IoT zariadenia fungujú ako s akumulátormi, tak s externými zdrojmi energie. Najbežnejšie LAN IoT zariadenia sú bezpečnostné kamery, domáce spotrebiče, ako sú chladničky atď. Jedno zariadenie môže byť súčasťou siete PAN aj LAN IoT. Takéto zariadenie by mohlo agregovať informácie zo siete PAN IoT do siete LAN IoT, ktorá by sa potom mohla pripojiť k sieti WAN alebo internetu prostredníctvom IoT brány.

Podľa správy o mobilite od spoločnosti Ericsson z júna 2019 číta wide-area IoT približne jednu miliardu zariadení a viac ako jednu desatinu všetkých nasadenie IoT. Do roku 2024 majú rásť medziročným tempom o 27 percent a dosiahnuť 4,5 miliardy zariadení. IoT zariadenia s krátkym dosahom tvoria asi 90 percent nasadení a do roku 2024 porastú medziročne 15% tempom na približne 18 miliárd zariadení. IoT zariadenia s krátkym dosahom z trhu v dohľadnej budúcnosti nezmiznú. Wide-area IoT zariadenia zaznamenajú exponenciálny rast, najmä so zavedením 5G service-based architektúry (SBA), tj. chrbtice, ktorá bude v porovnaní so 4G LTE packet chrbticou omnoho viac škálovať. Podobne očakávame, že nasadenie LPWAN založené na technológiách nelicencovaných spektier, ako sú SigFox a Lora, budú naďalej existovať a rast, aj keď s oveľa nižšou rýchlosťou než celulárne IoT.

Aký je rozdiel medzi NB-IoT a LTE-M?

Než sa vydáme ďalej, raz otázkou, ktorá zvyčajne vyvstane, je, prečo potrebujeme NB-IoT a LTE-M ako dve rôzne technológie vo verzii 13. LTE-M podporuje menej zložité zariadenia s nízkou spotrebou, masívnu hustotu pripojenia, nízku latenciu, poskytuje širšie pokrytie a umožňuje opätovné použitie inštalovanej základni LTE. NB-IoT sa vyznačuje lepším pokrytím vo vnútri budov, podporou veľkého počtu zariadení s nízkou spotrebou a priepustnosťou, nízkou citlivosťou na oneskorenie, veľmi nízkymi nákladmi na zariadenia a optimalizovanou architektúrou siete. Vďaka tomu sú si veľmi podobné.

Existujú však niektoré významné rozdiely:

  1. LTE-M podporuje väčšiu šírku pásma (1,4 MHz s dátovými rýchlosťami až 1 Mbps), zatiaľ čo NB-IoT podporuje menšiu šírku pásma (200 MHz s dátovými rýchlosťami pod 100 kbps);
  2. LTE-M podporuje mobilitu zariadení, zatiaľ čo NB-IoT nie;
  3. LTE-M podporuje hlasovú prevádzku pomocou VoLTE, zatiaľ čo NB-IoT je obmedzený len na dáta;
  4. LTE-M pracuje vo vysokofrekvenčnom pásme, zatiaľ čo NB-IoT pracuje v nízkofrekvenčnom pásme, čo je potrebné pre vnútorné použitie, zatiaľ čo LTE-M nemusí byť pre vnútorné použitie tak vhodné;
  5. LTE-M má oveľa nižšiu latenciu (50 až 100 ms) v porovnaní s NB-IoT, ktoré ju má zvyčajne 30 až 100-krát vyššiu (1,5 až 10 sekúnd).

Obrázok 1 nižšie ukazuje integráciu LTE-M a NB-IoT do existujúcej LTE siete. Service Capability Exposure Function (SCEF) je nová entita pridaná do LTE siete vo verzii 13. Aby bolo možné splniť požiadavky na nízku spotrebu energie pre LTE-M a NB-IoT, bol energeticky náročný IP protokol pre prenos dát nahradený rozšíreným protokolom Non-Access stratum (NAS), ktorý umožňuje prenášať malé množstvo dát cez riadiacu vrstvu. V tomto prípade nie je IP stack nutný, preto bol tento typ prenosu pomenovaný Non-IP Data Delivery (NIDDM) a je znázornený červenou prerušovanou čiarou na obrázku 1 nižšie.

Vo verzii 13 definovala 3GPP SCEF ako rozhranie pre malé prenosy dát a riadiace správy medzi podnikovými IoT aplikačnými servermi a chrbticovou sieťou operátora. SCEF poskytuje podnikom API pre malé dátové prenosy a riadiace správy a pre plnenie svojich funkcií používa rozhranie definované 3GPP so sieťovými prvkami v chrbticovej sieti operátora. Verzia 13 tiež podporuje doručovanie IoT IP dát s riadiacou vrstvou NAS, ktorá je zobrazená na obrázku 1 nižšie zelenou prerušovanou čiarou.

Obrázok 1: Celulárny IoT vo 4G LTE sieti

V 5G SBA chrbtici poskytuje funkcia Network Exposure Function (NEF) službu doručovania malých dát podobnú službe NIDDM (Non-IP Data Delivery) 4G SCEF, ktorá vystavuje API aplikačným serverom. Obrázok 2 nižšie ukazuje existujúce siete NB-IoT a LTE-M pripájajúce sa k 5G SBA chrbtici v non-standalone režime. NEF je rozhranie pre malé prenosy dát a riadiace správy medzi podnikovými IoT aplikačnými servermi a chrbticovou 5G sieťou operátora. Prenos dát NIDDM je znázornený červenou prerušovanou čiarou na obrázku 2 nižšie. Prenos IoT IP dát s riadiacou vrstvou NAS je zobrazený zelenou prerušovanou čiarou.

Obrázok 2: Celulárny IoT s 5G SBA chrbticou

Stručne povedané, aktuálne nasadená LTE-M a NB-IoT zariadenia sa v okamihu nasadenia 5G SBA chrbtice pripojí v non-standalone režime. Väčšina dnešných implementácií IoT funguje v sieti 4G a umožňuje dosiahnutie hustoty približne 60 000 zariadení na kilometer štvorcový. Požiadavky na masívne nasadenie IoT v 5G vyžadujú, aby hustota zariadení bola navýšená minimálne na jeden milión zariadení na každý kilometer štvorcový. 3GPP pracuje na vylepšení technických špecifikácií 5G, aby dosiahla tejto hustoty vo verzii 16 (očakáva sa, že bude dokončená do júna 2020) a vo verzii 17 (očakáva sa, že bude dokončená do konca roka 2021 alebo začiatkom roka 2022).

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