На сегодня в мире разработано немало различных технологий, обеспечивающих беспроводную подключенность. Благодаря этому самые различные потребители, предприятия и физлица, могут получать необходимые им данные. По оценкам аналитиков IDC, глобальный рынок IoT к 2022 году превысит $1 трлн. Поскольку прогнозы в отношении "подключенного мира", похоже, сбываются, растет потребность в технологии LTE, которая недорого обеспечивает возможность подключенности, дает возможность экономить энергию батареи подключенного устройства, обеспечивает высокую защищенность подключения и все это при умеренной сложности - налицо наличие всех ключевых компонентов IoT.
Возможности подключения IoT устройств
Быстрый рост превратил IoT в фрагментированный рынок, с различными приложениями и пользовательскими сценариями. В зависимости от того, идет ли речь об использовании в помещении или за его пределами, фиксированном или мобильном сценарии, с большим или малым объемом данных, решения значительно различаются, предъявляя к сети и устройствам различные требования. Производители IoT-устройств используют различные протоколы, использующие как лицензируемые, так и нелицензируемые частотные диапазоны.
Wi-Fi и Bluetooth это наиболее распространенные стандарты, если говорить о сетях "персональной зоны" (PAN) и "локальной зоны" (LAN). В "полевой зоне" (FAN) и "широкой зоне" (WAN) набирают популярность такие сравнительно новые технологии, как LoRaWAN и WiSUM.
Каждый из протоколов отличается различными функциональностями и особенностями, у каждого свои потребности по части потребляемой мощности, покрытию и стоимости. В этом тексте мы уделим основное внимание лицензируемым диапазонам частот для решений LPWAN (широкая зона при низком энергопотреблении), в особенности LTE для IoT.
По оси ординат (вертикальной) размечена доступные протоколу скорости передачи данных, по оси абсцисс (горизонтальной) - "дальнобойность" сетей в метрах.
Преимущества LTE для IoT
Поскольку многие IoT устройства продаются и используются в разных странах, то ключевым требованиям к ним является возможность защищенного подключения к интернету, в любое время, в любом месте. Чтобы обеспечить это безопасное и надежное подключение, устройство должно поддерживать возможность работы с сетью сотовой связи - сетью LTE или хотя бы с устаревшими сетями 2G или 3G. Подключение к сети сотовой связи гарантирует тот уровень качества и надежности, который другие технологии не обеспечивают.
LTE, разработанный в 3GPP, стал де-факто глобальным стандартом сотовой связи. Сети LTE распространены во всем мире, технология позволяет подключать к этим сетям самые различные категории пользовательских устройств, отличающихся скоростями передачи, особенностями функционирования и ценой. Эта гибкость позволяет LTE работать с широким спектром приложений IoT, начиная от приложений с большим объемом быстро потребляемых данных, как гейминг и мобильные вычисления, так и с приложениями с низким потреблением данных, как умные счетчики и системы отслеживания перемещений. Учитывая появление сетей 5G, от IoT-устройств, которые сегодня используют технологию LTE, потребуется также совместимость и со стандартами следующего поколения.
Основная масса устройств IoT, как ожидается, будет применяться в приложениях, не требующих высокой скорости передачи данных. Для таких применений сети LTE хорошо подходят. Созданы такие протоколы, как LTE для машин (LTE-M) и узкополосный IoT (NB-IoT, LTE-IoT), вместе их еще называют Mobile-IoT (M-IoT). Эти протоколы внедрены на многих существующих сетях LTE. NB-LTE как правило запускают на тех же частотах, что и сеть LTE, либо в так называемых "защитных интервалах" между активно используемыми полосами. M-IoT поддерживает скорости передачи данных от 30 кбит/с и до 1 Мбит/c, обеспечивая производителям устройств IoT возможность создания самых разных приложений, включая как приложения с передачей голоса, так и основанные на передаче данных.
3GPP Rel-14 повысил пиковые скорости передачи данных DL/UL до 600 кбит/c / 1 Мбит/c соответственно.
Разработчики закладывают в устройства подключенность M-IoT по различным причинам. Во-первых, это идеально для приложений, требующих повышенного уровня защищенности, для обеспечения подключенности устройство-к-облаку в реальном времени (например, для случаев удаленного мониторинга, управления и обслуживания). M-IoT обеспечивает подключенность LPWAN не только для хорошо известных потребительских устройств, таких, как трекеры животных или смарт-часы, но также для промышленных приложений, таких как счетчики газа или нефти, системы мониторинга различных машин и заводских складов. Соответствующие сети получили немалое распространение. Более 100 сетей LTE-M/NB-IoT анонсированы или запущены на май 2019 года по данным GSMA.
Для устройств LTE-M и NB-IoT характерны улучшенные показатели энергопотребления. Частью за счет того, что они работают в так называемом полу-дуплексном режиме, когда передачи и прием происходят по-очереди, а не одновременно. Стандарты также поддерживают режим энергосохранения, как базовую функциональность. А потому эти технологии отлично подходят для работы с IoT-устройствами, получающими энергию от батарей.
Кроме снижения энергопотребления полудуплексная архитектура сокращает сложность и стоимость фронтэнда, что является критичным, когда речь идет о потенциальном росте числа подключений до "миллиардов". Дополняя технологии LTE-M и NB-IoT, LTE Cat-1 оптимизирована для поддержки голосовых IoT приложений, таких, как системы тревожной сигнализации или банкоматы, а также для стриминга музыки через встроенные в одежду устройства, которые требуют сравнительно высоких скоростей передачи данных, но при этом низких задержек.
Еще одно ключевое преимущество LTE для конечных пользователей - это опыт "бесстыковой", "безразрывной" подключенности. Не требуется ввод паролей или пейринг. Все IoT устройства LTE всегда подключены к сети сотовой связи, к ним всегда есть удаленный доступ.
Защищенность сети LTE это еще один дифференциатор. Устройства LTE используют встроенную SIM-карту для идентификации устройства в сети, что позволяет сети задействовать различные схемы аутентификации и шифрования. Мало того, система управления качеством обслуживания (QoS), поддерживаемая сетью, обещает лучшую поддержку работы с закодированными данными и минимальную задержку передачи трафика.
Особенности проектирования при обращении к LTE подключенности
Разработчики должны принять во внимание ряд соображений на этапе, когда они задумываются об использовании LTE. Во-первых, следует точно знать, как будет использоваться устройство - как глобальное или на каком-то конкретном региональном рынке. Это важно для выбора диапазонов LTE работу в которых должно поддерживать устройство, коэффициент усиления и фильтрацию, а также конкретной сети или сетей с которыми сможет взаимодействовать устройство.
Другой важный показатель - это требуемая для устройства скорость передачи данных, а также - должно ли устройство поддерживать голос, необходима ли возможность работы также в сетях 2G/3G. Совокупность ответов на эти вопросы определяет, какие модемы будет использовать устройство - LTE Cat-1, LTE-M, NB-IoT или 2G/3G. Выбор батареи также зависит от выбранной реализации подключенности. Если, например, будет реализовано прямое подключение к батарее питания, без использования какого-либо преобразователя - встроенного в платформу модема или внешнего), то радио-часть устройства должна быть способна функционировать в широком спектре питающего напряжениям. Такие показатели как диапазон рабочих значений напряжения и текущее энергопотребление становятся ключевыми факторами для выбора усилителя мощности.
Следует понимать, что сертификация устройства с поддержкой LTE может оказаться длительным процессом. Устройство должно пройти сертификацию оператора связи (Verizon, AT&T и так далее), выдержать тесты на соответствие стандартам 3GPP (Global Certification Forum - GCF), а также промышленным тестам (Lightweight M2M), а также сертификацию регулятора (FCC, CE и т.п.). К счастью для разработчиков конечного оборудования, на рынке есть немало производителей модулей LTE и поставщиков модемов, которые поставляют уже сертифицированные компоненты.
И, наконец, поскольку устройства могут обеспечивать поддержку различных технологий подключения, LTE-устройство не должно нарушать правил сосуществования с другими радиоподсистемами, такими, как GPS и Wi-Fi. Обеспечение возможности одновременной работы набора радиотехнологий в условиях ограниченного физического пространства компактного IoT-устройства может в ряде случаев быть сложной задачей.
Решения разработчиков
Разработчики продуктов сталкиваются с типичной задачей - "сделать или купить", когда принимают решение о добавлении LTE-подключенности к устройству IoT. Создаваемое собственное устройство обещает максимальную гибкость, на этот подход обещает также существенные риски. Не имея хорошего понимания спецификаций стандарта и достаточного опыта создания радиоустройств, инженер может допустить критические ошибки, которые приведут к потерям времени и ресурсов.
Кроме того, при тестировании нового устройства LTE, как правило приходится сталкиваться с необходимостью решения целого спектра типовых проблем: ограниченная дальность действия, более высокое, чем ожидалось, потребление тока, недостаточная выходная мощность, плохая чувствительность приемника, значительное паразитное излучение. Все эти проблемы как правило связаны с ошибками при выборе компонентов радио фронт-энда, разводки печатной платы, выбором антенны, а также подсоединением усилителя мощности и фильтров.
К сожалению, такие проблемы могут появляться даже тогда, когда устройство хорошо выглядело в симуляторе или даже когда прототип выдавал неплохие результаты. Для устройств IoT с их сравнительно коротким производственным циклом, показатель time-to-market является важным конкурентным фактором. Это одна из причин, почему распространенность LTE IoT все еще остается ограниченной - итерации, необходимые для оптимизации LTE-подключенности требуют немало времени и средств. Для того, чтобы снизить показатель "time-to-market". становится все более важным для производителей устройств собственной разработки (OEM) создавать полностью интегрированные и сертифицированные устройства подключения.
(АБ: далее в переводимой статье идет product placement, но он также небезынтересен, поэтому давайте дочитаем до конца).
SKY68020-11 LTE универсальный многодиапазонный модуль фронт-энда с поддержкой LTE-M/NB-IoT трансиверов.
Решения компании Skyeorks призваны обеспечивать LTE-подключенность для устройств IoT. Эти решения поддерживают глобальную применимость (в плане поддержки различных частотных диапазонов), необходимую встроенную функциональность, позволяют использовать прямое подключение батареи и соответствуют требованиям операторов сетей LTE и регуляторике. Серия SKY680oxx модулей используется уже в миллионах устройств IoT в различных сетях по всему миру вместе с модемами основных производителей.
Skyworks также в числе первых провела интеграцию M-IoT решений на уровень SIP (система в корпусе), собрав в один корпус M-IoT решение, включающее платформу Sequans Monarch и радио фронтэнд. Размер ИМС - 8.8 х 10.8 х 0.95 мм. Это комплексное решение адресованное OEM, которые хотят ускорить процесс дизайна своего изделия и быстрее прийти к его коммерциализации.
SKY66430-11 - мультидиапазонный, многочиповый SiP, который может работать с частотными диапазонами от 700 до 2200 МГц.
Поскольку потребители ожидают возможности постоянной подключенности вне зависимости, в каком из регионов мира будет использоваться устройство, технологии M-IoT будет становиться все более востребованными. Производители должны быть готовы к тому, чтобы предлагать рынку все более совершенные беспроводные решения, которые упрощают разработку новых устройств, поддерживают множественные протоколы и стандарты.
Компания Skyworks, в частности, предлагает дискретные и интегрированные решения, которые поддерживают полностью дуплексную сотовую связь, LTE, Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN, Thread, Zigbee. Компания готова предложить радио фронт-энды практически для любого устройства IoT.
Источник текста и иллюстраций: electronicdesign.com
Комментариев нет:
Отправить комментарий