Semplificare progetti IoT basati su standard cellulari a bassa potenza

La progettazione IoT basata sulla tecnologia LTE cellulare è complessa e ciò significa che ci sono molti percorsi da poter intraprendere per completare un progetto. Alcuni di questi percorsi potrebbero semplicemente aggiungere tempo e costi, come tutte le deviazioni non necessarie. O peggio, altri potrebbero significare non arrivare mai a destinazione con successo. L'obiettivo di questo articolo è quello di fornire dei suggerimenti in grado di aiutare gli sviluppatori a tracciare un percorso più diretto per implementare la connettività cellulare LTE a bassa potenza nei loro progetti.  

Introduzione

Gli sviluppatori di prodotti che non vivono e respirano il design cellulare, potrebbero essere incaricati di progetti di design IoT che richiedono una comprensione di come utilizzare i nuovi protocolli cellulari a bassa potenza LTE CAT M1 e NB-IoT in combinazione con tecnologie più familiari come il Bluetooth a basso consumo (BLE). Progettare funzionalità a basso consumo e connesse, in un prodotto, è difficile con qualsiasi tecnologia wireless, ma è particolarmente impegnativo con la tecnologia LTE cellulare (curva di apprendimento ancora più ripida), quindi è importante evitare di renderlo ancora più difficile prendendo il cammino più lungo.

In passato, la connettività cellulare per dispositivi alimentati a batteria, come quelli utilizzati nelle distribuzioni IoT, era poco pratica nella maggior parte delle situazioni; l'architettura cellulare e i protocolli comportavano costi hardware troppo elevati e un'architettura radio "sempre attiva" che scaricava rapidamente le batterie. Quelle qualità "negative" potevano andare bene per dispositivi come gli smartphone, ma il costo elevato e l'elevato consumo di energia non erano adatti a progetti IoT come sensori wireless in impianti industriali, sensori ambientali e reti intelligenti. Tali svantaggi avevano messo in ombra i punti di forza della rete cellulare per l'IoT, tra cui l'ampia infrastruttura esistente, una specifica chiaramente definita e una tabella di marcia a lungo termine.

Ma due nuove versioni a basso consumo della tecnologia LTE (CAT M1 e NB-IoT) sono state progettate per affrontare quelle sfide di inefficienza dei costi e dell'energia in modo da consentire di sfruttare i punti di forza dell'infrastruttura cellulare. In sostanza, c'è un bivio nel cammino di sviluppo LTE. Un percorso (​​verso il 5G) è ottimizzato per velocità molto elevate e latenze molto basse per applicazioni futuristiche come la conduzione di interventi chirurgici in remoto o lo streaming di film di qualità cinematografica a casa. L'altro percorso, su cui ci concentreremo qui, è ottimizzato per dispositivi a basso rendimento e bassa potenza come quelli nelle distribuzioni IoT.

I due standard

LTE CAT M1 è definito come "una tecnologia per aree estese a bassa potenza che supporta l'IoT attraverso una minore complessità del dispositivo e fornisce una copertura estesa, consentendo al contempo il riutilizzo della base installata LTE. Ciò garantisce una durata della batteria di almeno 10 anni per un'ampia gamma di casi d'uso, con costi del modem ridotti del 20-25 percento rispetto a quelli EGPRS”. LTE-M ha una larghezza di banda più ampia, che ne consente l'utilizzo in più posizioni fisiche e per applicazioni che richiedono un trasferimento di dati più elevato. Tuttavia, questi vantaggi comportano un compromesso: la flessibilità e la velocità di trasmissione dati lo rendono un'opzione più costosa.

NB-IoT (abbreviato da NarrowBand per IoT) è definito come "una tecnologia LPWA (Low Power Wide Area) basata su standard e sviluppata per abilitare una vasta gamma di nuovi dispositivi e servizi IoT". NB-IoT migliora significativamente il consumo energetico del dispositivo utente, la capacità del sistema e l'efficienza dello spettro, specialmente in una copertura profonda. La durata della batteria di oltre 10 anni può essere supportata per una vasta gamma di casi d'uso. La sua banda più stretta e la minore frequenza di utilizzo dei dati sono dei vantaggi per l'efficienza e il costo della batteria, ma risulta anche meno flessibile di LTE-M in termini di dove e come può essere implementata.

Figura 1. Scalabilità della tecnologia LTE con evidenziate larghezza di banda e bit-rate per M1 e NB-IoT

NB-IoT e CAT M1 (Figura 1), sono stati progettati per offrire tecnologie affiliate, ma con funzionalità complementari adatte a due delle esigenze più comuni degli sviluppatori di prodotti: un'opzione pone l'accento sull'estensione della durata della batteria e sulla riduzione dei costi e un'altra opzione offre maggiore flessibilità e prestazioni. Vale la pena notare che CAT M1 ha ricevuto un notevole impulso nelle prime adozioni poiché i vettori lo hanno utilizzato per sostituire le reti 2G che erano in fase di eliminazione. Uno dei principali modi in cui 2G veniva ancora utilizzato era per le applicazioni di tracciamento e gestione della flotta, che sono essenzialmente applicazioni M2M ideali per le capacità di CAT M1. Ciò ha rappresentato una prima convalida di queste tecnologie e la motivazione a crescere per altre applicazioni IoT.

7 suggerimenti per l'implementazione

L'opzione cellulare presenta vantaggi significativi per molte applicazioni IoT, ma la complessità del suo utilizzo ha causato un avvio lento della sua adozione. Nordic Semiconductor ha recentemente riferito che "l'adozione delle tecnologie IoT cellulari non viene rallentata dal prezzo elevato dei chipset, ma dalla complessità del loro design". La complessità della progettazione con la tecnologia cellulare è amplificata in un ambiente IoT a causa di quanto sia difficile pianificare ed eseguire prodotti e implementazioni IoT di successo. Tutto ciò cambierà presto, perché il vantaggio della notevole durata della batteria di LTE-M e NB-IoT, l'utilizzo dei dati economici e l'infrastruttura di celle onnipresenti saranno abbracciati da un numero crescente di produttori come protocollo ideale per molte delle iniziative IoT in cantiere.

Comprendere e razionalizzare il processo di progettazione sarà fondamentale per stare al passo con la crescente domanda del mercato di dispositivi a basso consumo e connessi in modalità wireless con la possibilità di connettersi alle reti LTE globali. Di seguito vengono descritti una serie di pratiche (Figura 2) e avvertenze da tenere in conto nei progetti IoT basati su tecnologia cellulare.

Figura 2. I 7 aspetti da considerare nell'implementazione di un progetto IoT con standard cellulare (1)CAT-M o NB-IoT (2)Altri standard (3)Cloud (4)Test (5)Antenne (6)Gestore (7)Modalità sospensione

1.La giusta tecnologia

I due standard a basso consumo per l'IoT cellulare sono stati progettati per essere complementari e utilizzabili all'interno delle stesse implementazioni. Alcuni dispositivi in ​​una rete (e i compiti a cui sono assegnati) potrebbero richiedere durata della batteria maggiore e altre qualità per cui risulti ideale NB-IoT. Nel frattempo, un altro dispositivo altrove nella stessa rete potrebbe avere un ruolo che rende la flessibilità e la gamma di banda più ampia la soluzione migliore, ad esempio per fare un aggiornamento del firmware over-the-air. L'IoT cellulare non obbliga a prendere una decisione esclusiva. Per ogni dispositivo che viene progettato e per il ruolo che tale dispositivo dovrà svolgere può essere presa una decisione differente. Questo offre la responsabilità di fare la scelta giusta per ogni progetto e farlo pensando in anticipo a dove e come verrà utilizzato il dispositivo.

2.Combinare con altre tecnologie

Anche se si decide che NB-IoT e LTE-M sono le tecnologie giuste per il modo in cui le reti di sensori e i dispositivi inviano e ricevono dati sul cloud e sui sistemi informatici principali, ciò non significa che non ci sia un ruolo per altre tecnologie wireless. Ad esempio, la migliore strategia di comunicazione tra i dispositivi potrebbe essere quella di utilizzare il Bluetooth a bassa potenza in combinazione con LPWA cellulare, utilizzando entrambi sullo stesso dispositivo per ottimizzare il modo in cui i dispositivi comunicano, i ruoli che svolgono, le prestazioni della batteria e il trasferimento dei dati all'interno della rete. La possibilità di combinare [...]

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3 Commenti

  1. Alessandro Alessandro 31 gennaio 2020
  2. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 31 gennaio 2020
  3. tattolilm tattolilm 11 febbraio 2020

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