Uma análise da arquitetura NB-IoT para arquitetos de IoT

Está pensando em utilizar Narrowband IoT (NB-IoT) para implantar seu dispositivo de coleta de dados da Internet das Coisas? Aqui está o que designers e engenheiros precisam saber sobre a arquitetura NB-IoT para criar um produto que não apenas funcione, mas também agregue valor para o cliente.

Arquitetura NB-IoT em comparação com LTE-M

Como você provavelmente já percebeu, qualquer discussão sobre NB-IoT geralmente inclui alguma menção de LTE-M. Ambas são tecnologias celulares de baixa energia e área ampla (LPWA) desenvolvidas para aplicações de IoT; ambos estão ganhando força em lugares diferentes geograficamente. (Se você pretende utilizar NB-IoT para seu produto, certifique-se de levar em consideração os possíveis obstáculos.) A discussão sobre como estruturar seu dispositivo NB-IoT às vezes se refere a LTE-M para contexto, em parte porque a arquitetura NB-IoT é muito semelhante à do LTE-M.

A principal diferença entre NB-IoT e LTE-M é esta:NB-IoT requer um canal de largura de banda mais estreito (200 kHz vs. 1,4 MHz), e os dispositivos podem ser implantados em bandas não tradicionais, incluindo bandas de guarda LTE (as bandas que não são usados ​​atualmente que são adjacentes às bandas LTE principais), bem como bandas específicas de IoT. Muitas implantações de NB-IoT estão sendo colocadas em bandas de guarda porque é uma boa maneira para as empresas de celular monetizarem esse espectro não utilizado. Os dispositivos NB-IoT também podem ser implantados em bandas independentes usando qualquer espectro disponível, desde que os reguladores o aprove ou dentro da alocação de espectro LTE. Discutimos outras diferenças em um post anterior.

Embora isso forneça grande flexibilidade para operadoras de celular e outros provedores de rede para a implementação de uma rede NB-IoT, apresenta alguns problemas significativos para um projetista de dispositivo que tem a ver com roaming. As pessoas usam o termo roaming significar coisas diferentes, mas para os fins deste artigo, significa a capacidade de “enviar e receber dados ... ao viajar para fora da área de cobertura geográfica de sua rede doméstica”. Roaming está no roteiro de longo prazo para NB-IoT, mas a flexibilidade do padrão NB-IoT, combinada com as limitações do dispositivo restrito que provavelmente acessa uma rede NB-IoT, torna o roaming quase impossível no momento deste escrita, para todos os fins práticos. Portanto, construir um dispositivo que pode ser usado em redes diferentes é na verdade muito mais difícil com NB do que LTE-M (o que não é pouca coisa), porque os dispositivos NB-IoT devem ser configurados para usar bandas específicas desde o início. Não há nenhum módulo disponível que permitirá que você escolha qual banda você suporta em tempo de execução, então você está basicamente preso selecionando as bandas desejadas na fabricação. Embora isso possa fornecer algumas eficiências operacionais menores, na prática você terá SKUs diferentes, mesmo que os dispositivos tenham a mesma aparência, e você terá que saber exatamente onde usará o dispositivo ao construí-lo.

Esse problema não se aplica a todos (ou mesmo à maioria) dos aplicativos, mas definitivamente vale a pena ser destacado. Os aplicativos que provavelmente usariam o NB-IoT são coisas como medidores de água e gás ou sensores em um local fixo - ativos estáticos que são projetados para ter um sensor que fala uma vez por dia durante 10 anos, e é isso. Em quase todos esses casos, você sabe onde o dispositivo será colocado e não tem planos de alterar sua localização. (Até certo ponto, isso também é um problema para LTE-M, mas é amplificado em NB-IoT.)

Partes essenciais da arquitetura NB-IoT

A arquitetura NB-IoT é semelhante à do LTE-M. Os blocos de construção, que são os mesmos, são os seguintes:

Antena

Na maioria dos casos, você trabalhará com uma empresa de celular para implantar seu dispositivo; a empresa irá implantá-lo em uma banda LTE ou adjacente a ela, então você precisa usar uma antena que funcione para essa banda.

As antenas são projetadas para frequências específicas. Você nem sempre pode ter apenas uma antena que suporte todos as possíveis bandas NB-IoT por aí, embora existam antenas multibanda que suportam todas as principais. Você vai pagar por essas antenas em dólares e tamanho, que são críticos para a maioria dos aplicativos NB-IoT. Se sua rede NB-IoT cair dentro de uma banda GSM ou LTE padrão, você pode usar uma antena regular, mas para bandas não tradicionais, é algo para manter em seu radar. (A banda que você terá que usar é determinada por uma combinação de fatores, incluindo a estrutura regulatória do país em que você está, os ativos de espectro que a empresa de telefonia celular ou provedor de rede possui e como eles optam por implantar o NB-IoT. Para LTE-M, normalmente uma operadora de celular usará um bloco de recursos LTE existente. Mas para NB-IoT, as operadoras de rede podem colocar a rede no espectro licenciado que possuem, o que está fora das atribuições de banda celular tradicionais.)

Modem NB-IoT (ou Módulo)

Em seguida, escolha um modem (também chamado de módulo). O chipset NB-IoT é normalmente integrado ao módulo, que você então projetaria em seu produto.

O módulo que você escolher deve ser certificado pelo PTCRB (para operar na América do Norte) ou pelo GCF (Fórum de Certificação Global para uso global). Idealmente, ele também deve ser certificado por uma empresa ou operadora de celular, como AT&T ou Verizon, o que reduz a carga de certificação. Se estiver usando módulos da Gemalto, u-blox ou Sierra, por exemplo, você mesmo precisará obter a certificação de operadora. Em contraste, uma plataforma pré-certificada como o Link Labs vende simplifica muito o processo de implantação. (É basicamente o mesmo que o nosso dispositivo LTE-M, mas com firmware diferente e uma configuração de hardware interno ligeiramente diferente que não afeta nossos clientes.)

Host

O host é a placa do dispositivo que literalmente hospeda seu aplicativo. É o microcontrolador ou microprocessador que executa seu aplicativo, bem como a interface para todos os periféricos, como diferentes sensores; também controla o módulo, ou, no nosso caso, a plataforma de hardware.

O host é tão importante a ser considerado quanto qualquer outra coisa (provavelmente mais, já que é realmente o que seus clientes estão pagando). Você deve controlar o consumo de energia de seu aplicativo, portanto, um design de aplicativo host de baixa potência é tão importante quanto os recursos de baixa potência em qualquer um dos rádios. Nossa plataforma facilita a interação com a parte do rádio, abstraindo muitas das configurações difíceis em torno dos modos de baixo consumo de energia. Nossa plataforma é de baixa potência por padrão - há muito pouco trabalho adicional para você fazer no lado do host para reduzir a potência do rádio. Se você fosse usar um módulo tradicional, como u-blox ou Sierra, você teria que fazer muito mais trabalho no gerenciamento de energia do rádio usando comandos AT.

Rede celular

Como seu dispositivo IoT está enviando apenas pequenos bits de dados, geralmente é melhor usar um protocolo de comunicação de dispositivo não baseado em IP, que é diferente da forma como a maioria dos modems interagem com uma rede celular, sobre TCP / IP padrão. (Você poderia usar TCP / IP com NB-IoT, mas pagaria por uma grande sobrecarga de dados, o que é um pouco contrário ao que NB-IoT foi projetado.)

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Portanto, você tem duas opções:usar o TCP / IP tradicional e pagar pela sobrecarga ou projetar um protocolo de comunicação separado que elimine todas as camadas adicionais. Para a opção dois, você normalmente precisará de seu próprio roteamento de rede privada dentro da rede celular, bem como seu próprio servidor de gerenciamento de dispositivo que suporta este protocolo alternativo, semelhante ao que o Link Labs oferece. Nosso próprio APN privado e VPN (rede privada virtual) nos permite rotear o tráfego da maneira que quisermos, usando comunicação não TCP / IP. Este elemento é uma grande parte da arquitetura sugerida para NB-IoT.

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