Rozwój IoT (Internet of Things) wiąże się z koniecznością wykonywania wielu połączeń. Obecnie ich liczba wzrosła już z milionów do miliardów, a to wymaga podejmowania odpowiednich działań. Nordic Semiconductor opracował niekomórkowy standard NR+, który jest już włączony do technologii 5G. Zapewnia on skalowalność i gęstość nieporównywalną z innymi technologiami.

W 2008 roku Cisco Systems przedstawiło genezę IoT. Wynikało to z faktu, że po raz pierwszy więcej urządzeń było podłączonych do Internetu niż jego użytkowników^[1]. Dziś ludzkość została daleko w tyle. Według najnowszych dostępnych danych, na całym świecie jest 5,35 mld korzystających z Internetu^[2], natomiast liczbę podłączonych do niego urządzeń szacuje się na ok. 17 mld. Liczba ta ma się podwoić do prawie 30 mld w roku 2030^[3].

Nordic Semiconductor oferuje w pełni kompleksowe rozwiązanie Massive IoT zapewniające prostotę, stabilność i opłacalność w projektowaniu, produkcji i wdrażaniu komórkowego IoT

Wzrost ten wynika po części z wszechobecności Internetu Rzeczy. Sprzęty IoT są wykorzystywane we wszystkich branżach i na rynkach konsumenckich. Główne branże, z ponad 100 milionami podłączonych urządzeń obejmują przedsiębiorstwa użyteczności publicznej – takie jak firmy energetyczne, gazowe i wodne – a także gospodarkę odpadami, handel detaliczny, hurtowy, logistykę i inne sektory rządowe^[4]. Jednak pomimo popularności w zastosowaniach przemysłowych, biznesowych i komunalnych, zastosowania konsumenckie nadal stanowią około 60% wszystkich urządzeń IoT^[5].

Jednym z powodów większości zastosowań konsumenckich jest wyzwanie związane z wdrożeniem każdego scenariusza sieciowego, przy użyciu istniejących standardów IoT. Dzieje się tak zwłaszcza wtedy, gdy gęstość urządzeń IoT wzrasta do setek tysięcy, a nawet milionów urządzeń na kilometr kwadratowy. Ta gęstość połączeń „Massive IoT” jest zjawiskiem nowym. Istniejące sieci komórkowe nie są w stanie jej obsłużyć. W jednej z najbardziej ruchliwych metropolii na świecie może poradzić sobie z liczbą 6000 osób na kilometr kwadratowy jednocześnie łączących się z siecią. Jest to dobre rozwiązanie, ale w przyszłości zdecydowanie nieadekwatne do wymagań Massive IoT.

Problemem, który hamuje rozwój masowego IoT, jest rozprzestrzenianie się różnych technologii bezprzewodowych. Na przykład system inteligentnego oświetlenia ulicznego, oprócz swojej podstawowej funkcji, może stanowić platformę dla korzystania z szeregu bezprzewodowych czujników. Służą one do pomiaru jakości powietrza, poziomu oświetlenia, zajętości chodników, a nawet do pomocy publicznej w sytuacjach awaryjnych (za pośrednictwem czujników audio). Jednak gminy nie były w stanie uzgodnić, jaka technologia bezprzewodowa najlepiej nadaje się do danego zastosowania. To samo dotyczy przedsiębiorstw użyteczności publicznej wykorzystujących inteligentne liczniki. Niektóre władze proponują komórkowe IoT, inne popierają otwarte standardowe technologie wykorzystujące nielicencjonowane widma radiowe, a jeszcze kolejne wolą własne rozwiązania.

W poszukiwaniu idealnego standardu

Brak konwergencji w zakresie jednego standardu bezprzewodowego wynika w dużej mierze z kompromisów, jakie niesie ze sobą każdy z nich. Na przykład jeden protokół może oferować większą przepustowość, ale mniejszy zasięg, inny może natomiast oferować mniejszy zasięg na korzyść niższego zużycia energii. Technologie komórkowe IoT LTE-M i NB-IoT są natomiast ukierunkowane na zapewnienie dalekiego zasięgu, niskiej przepustowości przy jednoczesnym wydłużeniu żywotności baterii.

Pomimo tych kompromisów, komórkowy IoT zyskuje największy udział w rynku LPWAN. Według IoT Analytics, poza Chinami, które mają krajową politykę wdrażania NB-IoT, NB-IoT (23%) i LTE-M (35%) stanowią 58% globalnej bazy zainstalowanych sieci LPWAN w 2023 roku. Dla porównania, udział połączonej konkurencji wynosi 42 procent^[6]. Jest tak, pomimo że komórkowy IoT nie jest dla każdego. Wiąże się na przykład z ponoszeniem ciągłych opłat wynikających z korzystania z regulowanego widma.

Potrzebna jest zatem oparta na standardach i tania (wolna od opłat za transmisję danych), bezprzewodowa technologia M2M w skali od milionów do miliardów urządzeń końcowych. Podłączone do takiej sieci kompaktowe urządzenia, często zasilane bateryjnie, z ograniczonymi zasobami energii i stosunkowo małą wydajnością obliczeniową oraz dysponujące względnie małą pamięcią, nadal będą wymagały niezawodnego zasięgu przy bardzo dużej gęstości.

Wymóg technologii Massive IoT został uznany przez organy ustanawiające standardy, przy rozważaniu przyszłej infrastruktury 5G. Np. standard IMT-2020 szczegółowo określa, w jaki sposób sieci będą spełniać wymagania konsumentów i przemysłu. Oferuje takie możliwości, jak opóźnienie wynoszące jedną milisekundę, „przepustowość ruchu obszarowego” wynoszącą 10 megabitów/sekundę/m2 oraz gęstość połączeń miliona urządzeń /km2. Specyfikacja wyszczególnia dwa elementy: Technologię 5G LTE dla konsumentów i „New Radio” (NR) dla innych użytkowników, w tym unikatowych wymagań IoT.

Inżynierowie nazywają elementy specyfikacji 5G LTE i NR „technologiami interfejsu radiowego” (RIT). Spełniają one wszystkie wymagania techniczne dotyczące wydajności w trzech przypadkach zastosowań konsumenckich i przemysłowych. Dwa z nich – „miejska makro”, czyli niezawodna komunikacja o niskim opóźnieniu (URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communication) i masowa miejska makro komunikacja typu maszynowego (mMTC) to RIT, które przede wszystkim obsługują aplikacje IoT.

Niekomórkowy 5G Massive IoT

DECT NR+ (NR+) został przyjęty jako RIT (a właściwie zestaw RIT lub SRIT) zarówno dla URLLC, jak i mMTC. Tym samym jest to pierwsza technologia niekomórkowa, która została przyjęta jako standard 5G. Specyfikacja została po raz pierwszy opublikowana przez Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI) w czerwcu 2020 r., a obecnie jest również uznawana w ramach wymagań IMT-2020 5G. NR+ spełnia wymagania specyfikacji, w szczególności w zakresie obsługi miliona urządzeń na kilometr kwadratowy.

NR+ jest technologią bezlicencyjną (podobnie jak technologie bezprzewodowe w paśmie ISM, takie jak Bluetooth LE i Wi-Fi), ale będzie standaryzowana i utrzymywana jako technologia bezprzewodowa podobna do komórkowej. Obejmie to na przykład radiową warstwę fizyczną (PHY) oraz wykorzystanie modulacji sygnału i schematów kodowania natychmiast znanych każdemu inżynierowi komórkowemu.

NR+ nie wymaga do działania komórkowej stacji bazowej. Zamiast tego tworzy prywatną sieć wykorzystującą globalne, zwolnione z licencji pasmo 1,9 GHz i nie wymaga kosztów dzierżawy widma. Niemniej jednak NR+ to najnowocześniejsza technologia 5G, która ma  zapewnić wszystkie korzyści płynące z sieci komórkowej przy znacznie niższych kosztach. Obejmują one możliwość skalowania do wystarczającej liczby węzłów, pozwalające obsługiwać duże, lokalne sieci kratowe, takie jak infrastruktura fabryczna, magazynowa lub kampusowa, z legendarnym bezpieczeństwem i niezawodnością sieci komórkowej.

Wszystko wskazuje na to, że technologia ta może zapewnić ultra niezawodną łączność bezprzewodową w zupełnie nowych zastosowaniach M2M, w których awaria jest praktycznie niemożliwa. Pomyślmy o krytycznej infrastrukturze w budynkach, miastach i sieciach użyteczności publicznej. Jej niezawodność może przewyższać instalacje przewodowe, ponieważ technologia ta będzie wykorzystywać samonaprawiające się techniki sieci kratowych, które eliminują pojedyncze punkty awarii. NR+ ma zapewniać opóźnienia odpowiadające opóźnieniom sieci przewodowych.

Prywatne bezprzewodowe sieci IoT 5G

Wycofanie starszych sieci M2M 2G i 3G stało się katalizatorem dla prywatnych sieci 5G. Są one dostępne w inteligentnych fabrykach i pozwalają na przykład szybko konfigurować roboty i efektywnie wdrażać aplikacje sztucznej inteligencji (AI) oraz uczenia maszynowego (ML) bez kabli i przewodów. Nie zakłócają przy tym linii produkcyjnej ani łańcucha dostaw.

Jednak do tej pory wdrażanie sieci 5G utknęło w martwym punkcie z powodu zaporowych kosztów. Budowa i licencjonowanie było złożone, czasochłonne i drogie. Dla małych i średnich przedsiębiorstw (MŚP) są one finansowo nieopłacalne. Co więcej, nawet jeśli niektórzy mogą sobie na to pozwolić, istniejące technologie nie są w stanie obsłużyć zagęszczenia milionów węzłów na kilometr kwadratowy, co zwyczajnie ogranicza ich zastosowanie.

Mini moduł SiP nRF9131 to potężne rozwiązanie idealne do aplikacji DECT NR+, zapewniające wydajność i funkcjonalność

Teraz jednak NR+ stwarza możliwość zbudowania takiej prywatnej sieci. Każda firma, organizacja lub gmina może stworzyć własną infrastrukturę, uruchomić ją i zoptymalizować zgodnie z własnymi potrzebami, niezależnie od operatora. Skorzysta przy tym ze zwolnionej z licencji i dostępnej na całym świecie częstotliwości, przeznaczonej dla tej technologii.

Sprostanie ogromnemu zapotrzebowaniu

Równolegle ze wzrostem zapotrzebowania na NR+, odpowiednio szybko muszą reagować producenci chipów. Użytkownicy będą oczekiwać kompleksowych rozwiązań komórkowych IoT integrujących obsługę NR+ dla masowych wdrożeń IoT. Producenci powinni je szybko dostarczać. Nordic Semiconductor jest pierwszą firmą, która oferuje w pełni kompleksowe rozwiązanie Massive IoT zapewniające prostotę, stabilność i efektywność kosztową w projektowaniu, produkcji i wdrażaniu komórkowego IoT.

Stos DECT NR+ układu SiP nRF9161 jest przeznaczony do masowych zastosowań sieciowych, w których priorytetem jest niezawodność, bezpieczne połączenia, duży zasięg i skalowalnośćW firmie Nordic Semiconductor zostały opracowane dwa nowe układy SiP z serii nRF91, nR9161 i nRF9131 obsługujące NR+. Powstały także narzędzia ewaluacyjne i rozwojowe, oprogramowanie rozwojowe i usługi w chmurze.

Co dalej?

NR+ zapewni dostęp do Massive IoT dla aplikacji na dużą skalę i przy niskich kosztach. Podczas gdy obecnie na całym świecie może być 17 miliardów podłączonych urządzeń, to według Teppo Hemiä, CEO Wirepas, firmy zajmującej się oprogramowaniem IoT dla przedsiębiorstw i partnera Nordic, aktualnie wykorzystuje się tylko 5% możliwości^[7]. W chwili, gdy pozostałe 95 procent zostanie podłączonych, zostaną zweryfikowane prawdziwe obietnice związane z Massive IoT.

Więcej informacji

______________________________

[1] Internet rzeczy: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything. CISCO Systems, kwiecień 2011.

[2] Statystyki korzystania z Internetu w 2024 roku. Forbes Home, marzec 2024.

[3] Liczba podłączonych urządzeń IoT na świecie w latach 2019-2023, z prognozami do 2030 roku. Transforma Insights, lipiec 2023 r.

[4] Liczba podłączonych urządzeń IoT na świecie w latach 2019-2023, z prognozami do 2030 r. Transforma Insights, lipiec 2023 r.

[5] Liczba podłączonych urządzeń IoT na świecie w latach 2019-2023, z prognozami do 2030 roku. Transforma Insights, lipiec 2023 r.

[6] Rynek LPWAN 2024: Licencjonowane technologie zwiększają swój udział wśród globalnych 1,3 mld połączeń, ponieważ LoRa prowadzi poza Chinami. IoT Analytics, marzec 2024 r.

[7] Bezprzewodowy kwartał. Nordic Semiconductor, Wydanie 2, 2022, str. 14.