Narrowband IoT - Internet vseokoli
Pametne naprave – telefoni, televizorji, ure –, ki so povezane z internetom, so že postale del našega vsakdana, a če želimo še korak dlje, jih potrebujemo več, za kar mora biti na voljo tudi ustrezno mobilno omrežje. Povezavo pametnih naprav naslednje generacije, ki kanijo spremeniti svet, bo omogočila tehnologija Narrowband IoT. Največja slovenska operaterja sta svoji omrežji nadgradila letos.
Bazna postaja v Podkraju. Slika: Telekom Slovenije
Ko je William Gibson leta 1984 v kultnem romanu Nevromant, ki mimogrede velja za prvo utelešenje literarnega žanra kiberpunk, pisal o globalnem vseobsegajočem računalniškem omrežju, o navidezni resničnosti, so si bralci te pojme le stežka predstavljali. Vse kiberpunkovske romane preveva koncept računalniškega veleomrežja, ki lebdi nad svetom in s katerim se posamezniki od koderkoli na neki način povezujejo. Petintrideset let pozneje je internet stvari (IoT, internet of things) resničnost.
Danes nam mobilna omrežja ponujajo dostop do interneta od koderkoli, nadgradnja na Narrowband Internet-of-Things (NB-IoT) pa bo to omogočila najširšemu krogu naprav – od uličnih svetilk do hladilnikov. O možnostih, ki jih uporaba NB-IoT prinaša, smo letos že pisali (Prihodnost je tu, Monitor 07-08/19). To pot pa si bomo ogledali tehnološko ozadje NB-IoT (našli boste tudi poimenovanje Cat-M2).
Ozki pas
Razlog za razvoj NB-IoT je neprimernost dosedanjih mobilnih standardov za uporabo z lahkimi pametnimi napravami. Mobilni telefoni so s starimi omrežji povsem zadovoljni. Ker imajo ogromne baterije in veliko računske moči (zmogljive procesorje), jim ni težko biti ves čas buden in pogosto omrežju sporočati, da so še živi, pa če imajo sporočiti kaj novega ali ne. Telefoni tudi, vsaj kadar jih uporabljamo, izmenjujejo velike količine podatkov z omrežjem. Ne pride pa takšna potrata v poštev za majhne naprave, ki bi jih želeli uporabiti kot oči in ušesa pametnih mest, tovarn in stanovanj ali prostrane divjine. Kot gumb velik senzor temperature v parku lahko svoje meritve mirno javlja zgolj vsako uro, pa bo dovolj. Navsezadnje ima tudi gumbno baterijo, ki mora zdržati mesece ali leta.
Prva naprava IoT
Kot že tolikokrat v zgodovini je bila tudi tu potreba mati izuma. Prvo znano napravo IoT so študentje postavili že leta 1982 na pittsburški univerzi Carneige Mellon. Šlo je za avtomat s pijačami, ki je hranil pijače šestih vrst. Doktorski študent David Nichols je imel od pisarne do avtomata kar daleč, zato ga je posebej motilo, če je kdaj prispel pred prazen ali čisto sveže napolnjen avtomat (tedaj je bila pijača topla). Rešitev je prinesla tehnika.
Skupaj z Mikom Kazarjem, Ivorjem Durhamom in Johnom Zsarnayem so ugotovili, ko kdo kupi steklenico, indikatorska lučka nad tisto vrsto nekaj sekund utripa rdeče. Ko tiste vrste pijače zmanjka, sveti rdeče ves čas. K aparatu so zato namestili senzor in napisali ustrezno kodo, da je večkrat na sekundo preveril, ali lučka gori. Program je sproti računal, ali je v avtomatu še kokakola in kdaj je bil avtomat napolnjen. Rezultate je javljal prek arpaneta (predhodnik interneta), da so študentje vedno vedeli, ali jih čaka mrzla kokakola.
Prva naprava IoT je bil leta 1982 avtomat za kokakolo.
Kjer Wi-Fi ali 4G ne zmoreta, bo vskočil NB-IoT. Konzorcij 3GPP (3rd Generation Partnership Project) je specifikacije za NB-IoT dokončno potrdil junija 2016 v specifikaciji Release 13. Sodi v skupino brezžičnih omrežij LPWAN (low-power WAN), kjer, na primer, najdemo še standard LoRa, ki sta ga slovenska operaterja tudi preizkušala in v pilotnih projektih uporabljala, ter Sigfox. Obstaja tudi LTE-M, ki je v bistvu nadgradnja LTE za podobno uporabo in deluje malce drugače.
Pametni merilnik električne energije. Slika: Iskraemeco
Formalno sodi NB-IoT med mobilna omrežja pete generacije (5G), a nihče pri zdravi pameti ne bo mobilnega omrežja označil kot 5G samo zaradi podpore NB-IoT. Omrežja 5G pa bodo podpirala tudi NB-IoT, zato je njegova postavitev korak proti 5G. Tehnično lahko NB-IoT deluje v frekvenčnih pasovih, ki jih uporabljajo 2G, 3G in 4G (glej spodaj).
Tehnologija
Namen NB-IoT je pošiljanje malo podatkov, navadno manj kot megabajt na dan. NB-IoT ne temelji na IP, kot to velja za LTE-M, zato pametnega telefona prek NB-IoT ne bomo povezovali. Tehnično se reče, da uporablja NIDD (Non-IP data delivery). NB-IoT uporablja ortogonalno frekvenčno multipleksiranje (OFDM) za prenos podatkov proti napravam (downlink), kar omogoča hitrosti do 26 kb/s v prvi verziji (Release 13) oziroma 127 kb/s (Release 14) v nasledniku. V obratni smeri gre podobno počasi (največ 159 kb/s) z uporabo linearno prekodiranega OFDM (SC-FDMA), kar so enake tehnologije kakor pri LTE. NB-IoT potrebuje vsaj 180 kHz širok pas, torej lahko operater zanj žrtvuje en pas GSM ali LTE (carrier).
Nasploh si NB-IoT izposoja veliko tehnoloških rešitev od LTE. Kdor ga pozna, mu bodo takoj znani širina podnosilnika (subcarrier) 15 kHz ter časovni koraki 0,5, 1 in 10 milisekund (za slot, subframe in frame). Dvanajst podnosilnikov dá skupaj 180 kHz, kolikor uporablja NB-IoT. Zanj lahko namenimo katerikoli 180 kHz širok pas, torej, na primer, znotraj 10-megaherčnega nosilnika za LTE ali kje zunaj.
A naj nas to ne zavede, saj NB-IoT ni zgrajen na LTE, kot to velja za LTE-M, temveč si od njega le izposoja nekatere tehnične zamisli. Zaradi novega dizajna naprave, ki uporabljajo NB-IoT, ne potrebujejo vmesnega prehoda oziroma usmerjevalnika (gateway), temveč neposredno komunicirajo s strežnikom. To znatno poenostavi in poceni postavitev. V eni celici (torej bazni postaji) lahko deluje več deset tisoč naprav.
Prednosti in slabosti
Med več tehnologijami LPWAN se je NB-IoT uveljavil kot vodilna, čeprav sta LoRa in Sigfox resna konkurenta. Razlogov je več, v primerjavi s konkurenco pa ga še posebej odlikujejo odlično delovanje v zaprtih prostorih (tudi pod zemljo in v zaprtih prostorih je jakost signala zlahka nad 20 dB), majhna poraba energije naprav za komunikacijo (ki lahko z eno baterijo delujejo leta), optimizirana omrežna arhitektura, možnost velikega števila povezav (tudi do 80.000 naprav na eno celico NB-IoT) in nizka cena. NB-IoT ima tudi hitrejši odzivni čas kakor LTE-M ali LoRa.
NB-IoT lahko uporabljajo znotraj pasu za LTE, v zaščitnem pasu ali samostojno. Slika: Y.-P. Eric Wang et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things(NB-IoT), 2016
Glavna pomanjkljivost je majhna prepustnost. Ker je namenjen prenosu majhnih količin podatkov – a še vedno več kakor LoRa –, bo oddaljeno posodabljanje naprav (firmware over-the-air update) precej otežkočeno. Prav tako je NB-IoT v glavnem namenjen statičnim napravam na nespremenljivih lokacijah, ne pa prenašanju in hitremu preklapljanju med baznimi postajami. Naprave je mogoče prestaviti, a med samim premikanjem povezljivost trpi.
Varnost
Čeprav je NB-IoT manj kompleksen od tradicionalnih omrežnih povezav, nudi primerljivo varnost. Za zagotavljanje varnosti potrebujemo avtentikacijo (zagotavljanje pristnosti, torej gotovost, da ima naprava pravico pošiljanja informacij in da je ni nihče zamenjal), šifriranje (onemogočanje prisluškovanja) in zagotavljanje verodostojnosti (podatki niso bili spremenjeni). NB-IoT omogoča vse troje, uporaba pa je odvisna od naprav. Ker imajo male pametne naprave (npr. termometri) omejene možnosti hranjenja šifrirnih ključev, kar sploh ni standardizirano, lahko uporabijo kar kartico SIM. Te niso nujno fizične, saj obstajajo tudi elektronske vgrajene (eSIM). NB-IoT zato uporablja šifriranje, kot je implementirano v LTE, medtem ko LoRa 128-bitni AES.
Najprej Telekom, nato Telemach in A1
Oba mobilna operaterja, ki s svojim mobilnim omrežjem pokrivata večji del države, sta svoji omrežji že nadgradila in pripravila na podporo NB-IoT. Telekom Slovenije je javnost o uspešni nadgradnji obvestil aprila letos, Telemach avgusta, A1 pa septembra. V Telekomu so ob tej priložnosti dejali, da nova tehnologija omogoča enostavne in kompleksne rešitve, od povezovanja pametnih senzorjev do razvoja pametnih mest. V A1 so izpostavili še, da bo NB-IoT uporaben tudi za izboljševanje poslovnih procesov, optimalno upravljanje virov ter pametno merjenje.
A1 sodeluje v projektu PAKT (Pametne naprave, modeli ter platforme v aktivnem omrežju), ki poteka s sofinanciranjem Evropskega sklada za regionalni razvoj (torej EU in Slovenija). Projekt, ki se je začel leta 2017, se bo zaključil prihodnjega aprila. V njem sodelujejo še Borzen, Elpros, Geodetski zavod Celje, Igea, Inea, Iskraemeco, Metronik, Seltron, Semantika in Sipronika. Ciljev je več, med njimi pa je tudi razviti platformo za izdelavo pametnih števcev električne energije in izdelati komunikacijski modul NB-LTE za električni števec AM550.
Če bomo v prihodnosti v večji meri prešli na obnovljive vire, ki so v svoji biti nestanovitni (vetrnice, fotovoltaika), in hkrati povečali porabo električne energije (električna vozila), bodo pametni merilniki nujno potrebni, da bodo imeli operaterji sveže podatke o odjemu. Drugi primeri uporabe te tehnologije so še krmiljenje in nadzor javne razsvetljave, brezstično plačevanje, oddaljeni nadzor premičnin, merjenje električne energije, upravljanje odpadkov, digitalizacija energetskih in vodovodnih omrežij, industrijski monitoring, področje železnic in okoljska senzorika, so pojasnili v A1. Podobno menijo tudi v Telekomu Slovenije, kjer z NB-IoT že izvajajo na projekte na področju pametnih mest, e-mobilnosti in e-zdravja.
Drugačen internet
Na NB-IoT lahko gledamo podobno kot na internet. Sam po sebi ni nobena revolucija, njegova uporaba pa lahko revolucionira svet. Internet je skorajda ubil tiskane medije, močno oklestil obiske bančnih poslovalnic, revolucioniral nakupovanje s celotnega sveta in spremenil način komunikacije med ljudmi. To se je zgodilo, ko se je poleg vzpostavila ustrezna infrastruktura, ki internet uporablja (pisarne digitalnih medijev, produkcija video vsebin za internet, povezava bančnih sistemov z internetom, distribucijski centri in dostavne službe, družbena omrežja itd.).
Pri NB-IoT so zdaj na potezi izdelovalci čipov oziroma modemov. Pričakujemo, da se bo zgodilo enako kot pri internetu. Dokler bo to edini del interneta stvari, se naša življenja ne bodo spremenila. Ko pa bo postavljena sekundarna infrastruktura, ki ga bo uporabljala, lahko pričakujemo transformacijo mest, podjetij in domov v pametne inkarnacije.