Internet of Things (IoT) đã trở thành công nghệ cốt lõi để kết nối nhiều thiết bị khác nhau trong các lĩnh vực như tiêu dùng, công nghiệp, chăm sóc sức khỏe và thành phố thông minh. Các nhà phân tích dự đoán rằng đến năm 2030, hơn 25 tỷ thiết bị sẽ yêu cầu khả năng truy cập mạng đáng tin cậy và có khả năng mở rộng.
Làm cách nào để kết nối các thiết bị này theo cách ổn định, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm năng lượng- là một thách thức. Các công nghệ không dây truyền thống như Wi{2}}Fi, Bluetooth, Zigbee và LTE/5G không thể đáp ứng đầy đủ những nhu cầu cụ thể này.
NB-IoT nhằm mục đích thu hẹp khoảng cách này. NB-IoT được 3GPP xác định trong LTERelease13 và liên tục được tối ưu hóa trong các phiên bản tiếp theo. Đây là mạng diện rộng có công suất thấp (LPWAN)-thấp hoạt động trên phổ tần được cấp phép. NB-IoT được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ giao tiếp kiểu máy-lớn (mMTC). Hiện tại, NB{11}}IoT đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như thành phố thông minh, tiện ích công cộng, hậu cần, nông nghiệp và chăm sóc sức khỏe.
Những thách thức kết nối phải đối mặt khi mở rộng Internet of Things
Việc mở rộng triển khai Internet of Things (iot) phải đối mặt với một số thách thức chính:
Mức tiêu thụ điện năng: Nhiều thiết bị Internet of Things (iot) chạy bằng pin-nhưng chúng thường được lắp đặt ở những nơi mà việc thay pin tốn kém hoặc không thực tế. Các thiết bị này yêu cầu tuổi thọ pin từ 5 đến 10 năm trong chu kỳ truyền tải thực tế.
Vùng phủ sóng: Thiết bị thường được lắp đặt ở tầng hầm, đường hầm hoặc khu vực nông thôn, nơi các công nghệ như Wi-Fi và Bluetooth năng lượng thấp (BLE) không thể cung cấp kết nối đáng tin cậy. Vì vậy, phạm vi phủ sóng rộng rãi và khả năng thâm nhập sâu trong nhà có tầm quan trọng sống còn.
Chi phí và khả năng mở rộng: Việc triển khai đô thị có thể liên quan đến hàng trăm nghìn nút đầu cuối. Các mô-đun thiết bị phải có giá thành rẻ (bằng-đô la một chữ số) và mạng phải hỗ trợ mỗi trạm cơ sở để kết nối đồng thời hàng chục nghìn thiết bị.
Wi-Fi tiêu thụ quá nhiều năng lượng và không phù hợp để cung cấp nguồn pin lâu dài. Khoảng cách truyền của BLE và Zigbee bị hạn chế. Mặc dù LTE/5G có hiệu suất tuyệt vời nhưng nó chưa được tối ưu hóa cho khối lượng dữ liệu thấp và tần số truyền-thấp điển hình của nhiều ứng dụng Internet of Things.
Nền tảng kỹ thuật của NB-IoT
NB-IoT dựa trên cơ sở hạ tầng LTE hiện có nhưng đơn giản hóa nó, nhờ đó giảm độ phức tạp và mức tiêu thụ điện năng. Nó hoạt động ở ba chế độ:
Chế độ mạng độc lập: Được triển khai trên phổ tần GSM được phân bổ lại.
Ở-chế độ băng tần: Được triển khai trong khối tài nguyên của nhà cung cấp dịch vụ LTE hiện có.
Chế độ băng tần bảo vệ: Được triển khai trong các dải bảo vệ chưa được sử dụng giữa các nhà cung cấp dịch vụ LTE.
Mô-đun vô tuyến NB-IoT đơn giản hơn và rẻ hơn với băng thông kênh chỉ 180kHz. Các tính năng chính bao gồm:
Phạm vi phủ sóng mở rộng: Ngân sách liên kết nâng cao cho phép nó hoạt động trong các môi trường phức tạp như tầng hầm và khu vực vùng sâu vùng xa.
Chế độ tiết kiệm năng lượng (PSM và eDRX): Thiết bị có thể duy trì trạng thái đăng ký mạng nhưng vẫn ở trạng thái không hoạt động trong thời gian dài, chỉ thức dậy khi cần truyền dữ liệu. Điều này có thể giảm mức tiêu thụ điện năng không tải xuống mức microampe và kéo dài tuổi thọ pin lên hơn 10 năm.
Lập kế hoạch hiệu quả: Việc sử dụng đường lên băng thông hẹp với sự lặp lại tín hiệu đảm bảo truyền tải ổn định các tải trọng dữ liệu nhỏ (byte đến kilobyte). Phạm vi độ trễ từ vài trăm mili giây đến vài giây, phù hợp với hầu hết các ứng dụng đo từ xa.
Mật độ thiết bị: Một tế bào IoT-NB duy nhất có thể hỗ trợ tới 50.000 thiết bị, do đó cho phép triển khai đô thị với mật độ-cao.
Bảo mật: NB-IoT kế thừa khung bảo mật 3GPP mạnh mẽ, bao gồm xác thực, mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn dựa trên thẻ SIM-.
Thông lượng: Tốc độ dữ liệu hàng chục kbps, được tối ưu hóa cho việc truyền dữ liệu nhỏ và không thường xuyên.
Ứng dụng thực tế
Đo sáng thông minh
Các công ty tiện ích công cộng là một trong những lĩnh vực ứng dụng chính của công nghệ NB{0}}IoT. Đồng hồ đo nước và đồng hồ đo gas hỗ trợ NB-IoT đã thay thế việc đọc đồng hồ thủ công và có thể truyền dữ liệu một cách đáng tin cậy ngay cả ở các khu vực sâu trong nhà như tầng hầm. Điều này nâng cao độ chính xác của việc thanh toán, tạo điều kiện phát hiện rò rỉ và giảm thiểu các thao tác thủ công ở mức độ lớn nhất. Vodafone và các nhà khai thác châu Âu khác đã triển khai hàng triệu đồng hồ thông minh NB-IoT.
Theo dõi tài sản và hậu cần
NB-Cảm biến IoT có thể theo dõi vị trí và trạng thái của hàng hóa, bao gồm cả giám sát môi trường. So với các giải pháp chỉ sử dụng GPS, thời lượng pin của các cảm biến này đã được kéo dài hơn đáng kể. Ví dụ: China Mobile đã triển khai công nghệ NB-IoT trên hàng nghìn xe tải xích lạnh, giảm tổn thất hàng hóa hơn 15%.
Giám sát môi trường
Các thành phố đang triển khai cảm biến NB-IoT để theo dõi chất lượng không khí, ô nhiễm tiếng ồn và mực nước. Ở Ấn Độ, cảm biến mực nước IoT-IoT có thể đưa ra cảnh báo lũ lụt, chứng tỏ tiềm năng của công nghệ này xét về chi phí bảo trì thấp và khả năng triển khai ở quy mô-thành phố.
Cơ sở hạ tầng thông minh
NB-IoT đang được tích hợp vào đèn đường thông minh, đồng hồ đỗ xe và thùng rác. Ở Vienna, đèn đường thông minh sử dụng NB-IoT để điều chỉnh ánh sáng theo điều kiện hoạt động, từ đó giảm mức tiêu thụ điện năng xuống 30%. Thùng rác thông minh sẽ thông báo cho dịch vụ thu gom rác khi đầy, từ đó tối ưu hóa lộ trình và tiết kiệm nhiên liệu.
Thiết bị chăm sóc sức khỏe và thiết bị đeo
NB-IoT có thể được kết nối với các thiết bị như máy theo dõi đường huyết từ xa, máy điều hòa nhịp tim và các nút khẩn cấp cá nhân. Dự án thí điểm y tế từ xa ở nông thôn đang sử dụng NB-IoT để theo dõi bệnh nhân ở những khu vực không có đủ phạm vi phủ sóng băng thông rộng, từ đó giảm nhu cầu bệnh nhân đến bệnh viện.
Nông nghiệp
Cảm biến độ ẩm đất hướng dẫn nông dân xây dựng kế hoạch tưới tiêu để giảm thiểu việc sử dụng nước và tăng năng suất cây trồng. Vòng cổ chăn nuôi có thể theo dõi-vị trí theo thời gian thực và tình trạng sức khỏe của động vật, từ đó quản lý đàn hiệu quả hơn.
So sánh với các công nghệ mạng diện rộng (LPWAN) công suất thấp-khác
LoRaWAN và Sigfox là hai công nghệ LPWAN chính hoạt động ở phổ tần không được cấp phép. LoRaWAN rất phù hợp để triển khai trong các mạng chuyên dụng, trong khi Sigfox cung cấp phạm vi phủ sóng rộng rãi thông qua các nhà khai thác mạng của mình. Tuy nhiên, so với công nghệ phổ được cấp phép, cả hai đều dễ bị nhiễu và có thể có những hạn chế về dung lượng đường lên cũng như sự hỗ trợ-dài hạn từ các nhà khai thác.
Ngược lại, NB-IoT sử dụng phổ tần được cấp phép, cung cấp-độ tin cậy ở cấp nhà cung cấp dịch vụ, tiêu chuẩn hóa toàn cầu và-hỗ trợ lâu dài từ các nhà khai thác mạng di động, giúp nó phù hợp với hướng phát triển của LTE-M và 5G. Do đó, NB{6}}IoT rất phù hợp với các mạng công cộng do nhà khai thác quản lý, trong khi LoRaWAN thường mang lại tính linh hoạt cao hơn cho mạng doanh nghiệp tư nhân.
Cân nhắc thiết kế kỹ thuật
NB-IoT là sự bổ sung chứ không phải là sự thay thế cho các tiêu chuẩn không dây khác như BLE, Wi-Fi hoặc Thread và thường cùng tồn tại với chúng trong quá trình triển khai kết hợp. Các kỹ sư phải cân nhắc những ưu điểm và hạn chế của NB-IoT:
Độ trễ: Độ trễ vài giây không áp dụng được cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát thời gian thực.
Tính di động: Khả năng hỗ trợ chuyển đổi giữa các ô- bị hạn chế, vì vậy NB-IoT phù hợp nhất với các thiết bị có tính di động-cố định hoặc thấp.
Thông lượng: Tốc độ dữ liệu bị giới hạn ở hàng chục kbps, do đó không phù hợp với các ứng dụng có lượng-dữ liệu-cao.
Sự phụ thuộc của nhà điều hành: Phạm vi phủ sóng và tính khả dụng của chức năng khác nhau tùy theo nhà điều hành và khu vực.
Việc triển khai NB-IoT hiệu quả đòi hỏi phải đặc biệt chú ý đến các khía cạnh sau:
Hóa chất của pin: Ví dụ: cần phải lựa chọn cẩn thận, sử dụng-pin lithium thionyl clorua có tuổi thọ cao hoặc siêu tụ điện để hỗ trợ truyền xung điện.
Thiết kế ăng-ten: Mặc dù có thể sử dụng ăng-ten nhỏ nhưng chúng cần được điều chỉnh cẩn thận khi triển khai dưới lòng đất hoặc trong vỏ kim loại để đạt được hiệu suất tốt nhất.
Lựa chọn mô-đun: Các kỹ sư phải kết hợp các chức năng của mô-đun và các dải tần được hỗ trợ với cơ sở hạ tầng của nhà điều hành mạng.
Cập nhật chương trình cơ sở: Các bản cập nhật qua mạng (OTA) phải được tiến hành theo cách tăng dần và hiệu quả để tiết kiệm năng lượng và băng thông.
Nếu bạn đang phát triển các mô-đun hoặc mạch tích hợp NB-IoT mới thì T2M có IP được xác minh- bằng silicon, điều này có thể rút ngắn thời gian tiếp thị sản phẩm của bạn và giảm rủi ro phát triển.
Cân nhắc về quy định và triển khai
NB-IoT sử dụng phổ tần được cấp phép và cần hợp tác với các nhà khai thác mạng di động. Các kỹ sư phải làm quen với việc phân bổ phổ tần, các quy định của địa phương và giấy phép triển khai. Cấp phép phổ tần đảm bảo hiệu suất có thể dự đoán được và giảm nhiễu, đây là lợi thế chính so với các giải pháp LPWAN không được cấp phép. Ngoài ra, các thỏa thuận với nhà cung cấp dịch vụ và đảm bảo mức dịch vụ rất quan trọng đối với việc triển khai ở cấp thành phố quan trọng-quan trọng{5}}trong các ngành như tiện ích, chăm sóc sức khỏe và công nghiệp.
Tích hợp với các công nghệ mới nổi
NB-IoT đang ngày càng tích hợp với các công nghệ khác để tạo ra các giải pháp kết hợp mạnh mẽ:
Kết nối kết hợp: Các thiết bị có thể sử dụng NB{0}}IoT để truy cập vào đám mây và kết hợp các giao thức phạm vi ngắn-như BLE, Matter hoặc Thread để đạt được khả năng tương tác của thiết bị cục bộ.
Trí thông minh biên: NB-Các thiết bị IoT được tích hợp với bộ tăng tốc AI tiêu thụ điện năng-có thể xử lý dữ liệu cục bộ. Ví dụ: cảm biến rung công nghiệp có thể phân tích kiểu rung tại-cơ sở và chỉ gửi cảnh báo bất thường, nhờ đó tiết kiệm đáng kể băng thông.
Tích hợp vệ tinh: NB-Các mô-đun IoT đang được thử nghiệm với các vệ tinh có quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) để cung cấp kết nối cho các ứng dụng hàng hải, khai thác mỏ và nông nghiệp từ xa.
Sự tiến triển về bảo mật: Nghiên cứu về mật mã lượng tử hậu- nhằm mục đích phát triển các thuật toán nhẹ, kháng lượng tử-có thể chạy trên các thiết bị NB-IoT, từ đó nâng cao khả năng chống lại các mối đe dọa mới nổi của mạng.
Công nghiệp 4.0: Khả năng mở rộng và hiệu quả sử dụng năng lượng cao của NB-IoT cho phép NB xây dựng mạng cảm biến dày đặc trong các nhà máy thông minh, bao gồm cảm biến giám sát tình trạng, đồng hồ đo điện và thẻ hậu cần.
Triển vọng tương lai
NB-IoT đã được tích hợp vào lộ trình 5G MTC, đảm bảo sự phát triển và tiến hóa liên tục của nó. Sự tích hợp của nó với các mạng kết hợp, điện toán ranh giới, kết nối vệ tinh và Công nghiệp 4.0 khiến nó trở thành công nghệ cơ bản cho hệ sinh thái Internet of Things có khả năng mở rộng và tiết kiệm năng lượng-. Khi các thành phố và ngành công nghiệp áp dụng cơ sở hạ tầng thông minh hơn, NB-IoT dự kiến sẽ trở thành giải pháp kết nối mạnh mẽ và-hiệu quả về mặt chi phí trong những thập kỷ tới.
Ứng dụng của NB-IoT trong quá trình triển khai iot{1}}quy mô lớn
NB-IoT được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của các ứng dụng Internet of Things{1}}quy mô lớn: hiệu suất năng lượng cao, phạm vi phủ sóng rộng, khả năng mở rộng quy mô lớn-và tính bảo mật mạnh mẽ. Nó lấp đầy khoảng cách chính giữa các giao thức không dây truyền thống và LPWAN độc quyền bằng cách cung cấp các giải pháp được tiêu chuẩn hóa toàn cầu, cấp nhà mạng.
Ứng dụng thực tế của nó trong các lĩnh vực như đo lường thông minh, giám sát môi trường, hậu cần, y tế và nông nghiệp đã chứng minh tính hiệu quả của nó trong các tình huống ứng dụng khác nhau. Bất chấp những hạn chế về độ trễ, tính di động và thông lượng, NB-IoT vẫn là một công nghệ bổ sung quan trọng để xây dựng mạng Internet of Things an toàn-quy mô lớn, tiết kiệm năng lượng-.
Với hàng tỷ thiết bị được kết nối với mạng, điều quan trọng đối với các kỹ sư đang phát triển các hệ thống ổn định và có định hướng{0}}trong tương lai là phải hiểu được những ưu điểm và nhược điểm, công nghệ triển khai cũng như tiềm năng tích hợp của NB-IoT.
