モノのインターネットを広く採用するための狭帯域アクセス

出所

「特定の欲求を刺激するものはすべて悪になるだけでなく、実際に議論すべき問題から注意をそらします。」

スタッフォードビール

いわゆるインダストリー4.0の開発とそのフレームワーク内で作成されたデジタル経済およびデジタル企業の世界予測が示すように、すぐに進歩的な人類は、IoT（Internet of Things）プールおよび巨大なネットワークとの情報交換から少なくとも数百億の接続されたデバイスに直面する必要があります生産プロセスに組み込まれたセンサーとさまざまな「サイバー物理システム」（CPS-Cyber​​-Physical System）の数は、広範囲に分散しています。 同時に、IoTの形成はそれ自体が目的ではなく、革新的なビジネスモデル、デジタル企業の効果的な機能などを機能させるためのツールの作成に過ぎないことに注意してください。

この傾向に関する情報を急いで共有している人は誰でも、これらの「モノ」が情報をどのように交換するかについては、もちろん、主に無線ネットワークを介して、もはや疑問を抱いていません。 幸いなことに、それらはすでに十分に構成されています。 しかし、既存のセルラー（モバイル）通信ネットワークが無数の無数の加入者にサービスを提供できるという事実ではありません。数万のM2Mデバイス（マシン間）に関しては1つのことですが、数百億（多数の予測が示すように）まったく別の問題です。

既存のモバイル通信インフラストラクチャーのカバレッジはまだ限られているため、端末デバイスのコストが比較的高く、後者のエネルギーには多くの課題が残されていることを考慮する必要があります。 実際、これらのネットワークは、音声、メッセージ、高速データ、さらにはビデオを送信するように設計されています。 しかし、それらは、たとえば、1つの基地局のサービスエリアにある何千ものさまざまなデバイスからの比較的少量のデータの一時的な送信に対して最適化されていません。 さらに、基地局から遠いほど、端末が放出する電力は大きくなります。 この端末が森林または地下のどこかに設置されている場合、たとえば誰が何年もバッテリーを充電しますか？ 現在、このバッテリーが今後数年間機能した場合...低消費電力は、スマートメーター、ウェアラブルエレクトロニクス、スマートパーキングなどでのIoTの使用例の80％で最も重要な条件です。 さらに、盗難の場合の設置の容易さと悲しみの小さなサイズも、大量技術にとって重要な要素です。 セルラー通信のコストに目を向けると、信頼できるが低速のデータ伝送のためには、それも大きすぎるでしょう。 一般に、IoTフレームワーク内の接続の最適なソリューションを見つけるこの問題は、今日議論する価値がありますが、約束された数十億の「接続されたもの」はまだ現れていません。

Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave、Zigbeeなどに直面したワイヤレスデータ転送技術の数多くの開発により、1つの「モノ」、1つ（比較ではごめん）、1つの部屋、または限られたエリア内でIoT通信を解決できます。 しかし、これでは十分ではありません。 IoTにとって経済的なものを探すことにより、ネットワーク通信コミュニティは、上記のリスクのほとんどを除去する新しいソリューションを生成する必要に至りました。 私はそのような考えは今日生じなかったと言わなければならない-それは無線技術者によって長い間議論され、その結果、いわゆるのさらなる発展となったいくつかの技術が現れた LPWAN（低電力ワイドエリアネットワーク）、低速データ転送、さらには標準化された3GPP組織に焦点を当てたエネルギー効率の良いグローバル長距離ネットワーク。 ただし、IoTの問題は消えませんでした。

実際、IoTアプリケーションの要件は非常に多様であるため、LPWAを使用するすべてのケースを単一のテクノロジーでカバーすることはできません。 この点で、狭帯域IoTデバイスNB-IoT（狭帯域IoT）、高度なGPRSカバレッジ（EC-GPRSまたはEC-GSM-IoT）およびeMTCマシン間LTE接続（LTE-Mとも呼ばれます）の標準が登場しました。 LTE-MTS、LTE Cat.M1）。 これらのすべての技術は、認可された無線周波数範囲での作業を提供します（すべてのセルラー通信システムと同様）。つまり、適切な許可を取得する必要があります。

868/915 MHz（ヨーロッパ/米国）の免許不要の無線周波数範囲で動作するために、適切な技術が開発されましたが、その中で最も一般的なのはLoRa（長距離の略-つまり、アパートやオフィスではなく、地区または都市規模のネットワークです）です。 これは独自の技術であり、その実装にはハードウェアモデムが必要であり、特にSemtechによって製造されたチップに存在します。

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LoRaシステム-スペクトル拡散変調技術と線形周波数変調（Chirp Spread Spectrum、CSS）のバリエーションに基づく独自の変調方式を使用し、データは広帯域パルスでエンコードされます。 このソリューションは、3Gネットワ​​ークで使用されているCDMA（Code Division Multiple Access）テクノロジーとは異なり、受信機を公称値からの周波数偏差に対して耐性にし、クロックジェネレーターの要件を簡素化します。これにより、比較的安価な水晶振動子を使用できます。

これらのチップには「ブレイン」がなく、外部コントローラーからSPI（シリアルペリフェラルインターフェイス）によって制御されます。 ネットワークトポロジ-星、範囲-密集した都市部の数キロメートルから30〜50 kmの直接視界。 データ転送速度-最大250 kbit / s（距離が長くなると減少します）。 デバイスの数は、最大5,000ユニット/km²です（最大ネットワークサイズは、中央の受信機のチャネルの帯域幅によって制限されます。これには、接続されているすべてのデバイスと無線通信を行う時間が必要です）。

国内の独自開発「STRIZH」もあります。これは、範囲、ノイズ耐性、および加入者容量の点で（LoRaよりも）優れた特性を持つスタートポロジのネットワークを作成するための通信システムです。 システムは、受信と送信に2つの個別のチャネルを使用します。加入者デバイスは868 MHzの周波数でデータを送信し、中央局は446 MHzの強力な送信機を使用します。 これにより、ネットワーク容量を増やすことができます（これも中央ステーションの機能によって決定されます）とともに、より良いカバレッジを提供します。 ただし、テレマティクス伝送の場合、伝送速度は特に重要なパラメーターではありません。

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物理レベルでは、STRIGシステムはDBPSK変調（相対/差動/バイナリ位相シフトキーイング）と信号伝送用の比較的狭い無線信号帯域を使用します。 発振器のエラーは受信帯域からの周波数ドリフトにつながるため、水晶発振器の安定性に対する高い要件は、従来、狭帯域システムの使用に対する障害でした。 ブロードバンドコード操作を使用する主な欠点は、周波数スペクトルの使用効率が低いことです。 このアプローチは、特定の周波数範囲で動作できるデバイスの数を減らします。 しかし、狭帯域法を使用してLoRaが1つのチャネルをエンコードする必要がある125 kHz帯域では、最大1250のチャネルを取得できます。 また、1台のLoRaデバイスではなく、パフォーマンスを低下させることなく最大1250台のStrizhデバイスを使用できます。

免許不要の無線ネットワーク、ブロードバンド通信に割り当てられた比較的小さな無線周波数帯域を考えると、同様のデバイス（他の同様のネットワーク）からの信号との衝突の可能性は常に高くなります。 そして、この状況は、改善されたコーディングではもはや補償できません。 その結果、このようなシステムの安定動作範囲が急激に減少します。 非常に長い距離にあるデバイスは、すでに「聞こえません」。 さらに、LoRa受信局の機能は、一度に8パケット以上を復調できないことです。 ただし、復調後にのみ、パッケージの所有権を判別できます。 つまり、LoRaステーションはすべてのパケットを受信し、後でのみ独自のパケットを選択します。 しかし、「その」ステーションが受信する「エイリアン」ネットワークからのデータパケットも、完全に受信されるまで同じチャネルでの「その」パケットの受信をブロックします。これにより、1つのゾーンで同時に動作する場合に理解できる問題が発生しますいくつかの類似したネットワーク。 8人のLoRaモデムから任意のデータを停止せずに送信することで、どの都市のLoRaネットワークでも8つのチャネルすべてをブロックすることができます。 ステーションは、「独自の」ネットワークからのパケットを犠牲にして、「外部」モデムからのパケットを受信することを余儀なくされます。 実際、Strizhシステムの開発者は、他の技術的特性の劣化によるこれらの欠点を取り除こうとしました。

IoT通信標準

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一般に、免許不要の無線周波数スペクトルのすべての代替技術の用途は非常に限られています。 それらの近さ、相互干渉の可能性、限られた無線スペクトル、および新しいインフラストラクチャを作成する必要性は、そのようなシステムの普及を妨げますが、実際にはすでに観察されているさまざまなニッチソリューションの開発を妨げません。

同様に、すべての進化し相互接続されたセルラー規格は3GPPによって標準化され、「3GPPリリース番号X」の形式で「その他」の名前を持ちます。リリース番号は採用年に対応し、最後の2桁を含みます。 特に、3GPP Rel仕様。 LTEネットワークのさらなる開発に向けられた13（2013年以降）（LTE規格は3GPPリリース8、つまり2008年に初めて登場）には、上記の非専有技術が含まれています。 結局、IoTの開発では、既に作成されたモバイル通信の広大なエコシステムを使用して、通信事業者からネットワークリソースを借りることは論理的です。

モバイル通信規格の開発の一環として行われる手順は、グローバルなエコシステムを使用する利点を維持しながら、IoT目標を正確に達成することを目的としています。 上記の（非専有）技術の進化は、5Gネットワ​​ーク標準を含むモバイル通信標準の将来の修正の基礎となります。 「モバイルゴスペル」の「リリース14 3GPP」という詩編を注意深く読むと、リアルタイムで非常に低い信号遅延で最も正確な空間測位とブロードバンド通信を提供する5G無線インターフェイスのパラメーターの説明と詳細化にどれだけの注意が払われているかが簡単にわかります（自動車、航空機などのモバイルオブジェクトから一般的に、IoTは5Gテクノロジー（および世界レベルで5Gを販売する他の方法）専用に作成されたという感じがあります。 それぞれのIoTの下で - nology 5G。

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一般に、上記の技術と標準に基づくセルラーネットワークは、セルラーネットワークのセルあたり約5万の接続のサポート、10年間のバッテリー寿命の保証、広いサービスエリア、双方向認証および追加の暗号化によるセキュリティの向上など、多くの重大な利点を提供します通信事業者がIoT用のアプリケーションを実装できる安定した条件の作成と同様に、 さて、IoT内でアクセスを提供するための有望なテクノロジーについてもう少し説明します。

高度な機能パッケージEC-GSMは、GERAN GSM技術開発チームによって提案されました。 EC-GSMは、GSM / GPRS / EDGEの基本セットに比べて比較的小さな変更を提供するため、この標準のインストールされた基地局の大部分をソフトウェアの変更なしで使用できます。 このテクノロジーは、幅200 kHzの物理GSMチャネルの1つを使用し、使用する変調（GMSKまたは8PSK）に応じて、4つのタイムスロットを使用してそれぞれ最大70 kbit / sまたは最大240 kbit / sを受信できます。 基地局のセクターあたりのIoTデバイスの数は5万に達する可能性があります。これは、必須の信号の頻度を減らし、情報の受信と受信の間隔を最適化し、デバイスが接続されている長い（最大52分間）の「無音」をサポートすることで達成されますネットワークへ。 さらに、ネットワークのチャネルレベルの適応は、特に送信された情報の繰り返しを使用して実行され、従来のシステムと比較して無線チャネルのエネルギーを20 dB改善しました。 ネットワークシグナリングは、WCDMA / LTEネットワークでの動作を拒否することにより簡素化されています。 また、認証メカニズム、接続セキュリティなどが近代化されましたが、最も重要なことは、ネットワークインフラストラクチャがEC-GSMの開発にすでに対応していることです。

eMTCテクノロジー（3GPPリリース12で最初に導入された）は、コスト、カバレッジ、バッテリー寿命の点でLTEネットワーク上のIoTを適合させ、すでに構築されたネットワークとの最大の互換性を確保するように設計されていますが、これらのネットワークに固有の機能の一部を放棄します。 LTEチャネルに割り当てられた帯域内で1.08 MHzのキャリア幅を使用します。これは、ネットワーク全体の動作に影響を与えません。 LTEネットワークについて説明しているため、eMTCのデータ転送速度は1 Mbpsに達します。これは、一部のIoTユーザーにとって重要です。 eMTCでは、エネルギー消費を削減するタスクを解決するメカニズムが追加されました（EC-GSMと同様）。 ダウンチャネルはOFDMA多元接続技術を使用し、アップチャネルはSC-FDMAを使用します。 もちろん、eMTCテクノロジーはネットワークインフラストラクチャの高度な可用性も備えており、ソフトウェアを更新することで既存のLTEネットワークに展開できます。 さらに、「通常の」LTEおよびeMTCネットワークは同時に機能するだけでなく、接続されているデバイスの種類と数、およびそれらによって生成されるトラフィックに応じて、使用されるリソース（周波数スペクトル、基地局の計算能力など）を動的に再配分できます。

NB-IoTテクノロジーに関しては、すでに使用されているネットワークソリューションの異なるバージョンである2つの以前のテクノロジーとは異なり、これは無線アクセスの根本的に異なる開発ですが、LTEネットワークとの統合を提供し、同様のテクノロジーを使用します。 NB-IoTは200 kHzのキャリア帯域幅を使用します。これは、GSMチャネル内（EC-GSMなど）、LTEチャネル内（eMTCなど）、またはLTEチャネル間のガードインターバル内の任意の空き帯域に配置できます。 周波数範囲は、周波数分割多重（LTE FDD）を備えたLTEネットワーク用に定義されたもののいずれかです。 ダウンチャネルはOFDMA多元接続技術を使用し、アップチャネルはSC-FDMAを使用します。 実生活では、基地局は何千ものIoTデバイスの同時操作をサポートするだけでなく、カバレッジの品質に関係なく、最良の方法でそれらの接続を確保する必要があることに注意してください。 その結果、NB-IoTテクノロジーは幅広いデータレートをサポートします。 達成可能なデータ転送速度は、通信チャネルの品質（信号対雑音比）に依存し、接続されたデバイスの数は、割り当てられたリソース（帯域幅）に依存します。 ダウンチャネルでは、すべてのデバイスが同じ無線チャネルエネルギーを持ち、基地局から同時に信号を受信できます。 「アップ」チャネルでは、各デバイスに独自のエネルギーポテンシャルがあり、これを使用してトラフィックを多重化できます。 さらに、いくつかのデバイスから生成された集約信号（および、それに応じて、それらの電力）は、1つのデバイスよりも大きくなります。 また、実際の条件では、多くの場所で、NB-IoTデバイスはネットワーク帯域幅ではなく、自身の信号のレベルによって制限されます。 このようなデバイスは、他のデバイスの帯域幅を解放しながら、パフォーマンスを損なうことなく、無線周波数の狭い帯域に放射電力を集中させることができます。 NB-IoTでこの機会を得るために、最大250 kbit / sのデータ転送速度を持つ「集合」チャネル（共通リソースブロック）の代わりに、帯域幅15 kHz（一般的なNB-IoTチャネルの有効帯域幅は180 kHz）の周波数サブキャリアを使用し、速度が提供されます最大20 kbit / sのデータ伝送。 次に、端末デバイスは、アップリンクで1つまたは複数のサブキャリアを使用できます。 さらに、使用する無線周波数は、サブキャリア帯域幅を3.75 kHzに減らすことで互いにさらに「詰め込む」ことができ、帯域幅のあるサブキャリアとの干渉を防ぐためにそれらの一部をガードインターバルとして分離する必要さえあります。 15 kHz。これにより、パフォーマンスが低下する可能性があります。

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その結果、無線エンジニアのすべての「ネットワークの成果」を組み込んだNB-IoTテクノロジーは、広いサービスエリア、低消費電力、既存のネットワークを迅速にアップグレードする機能を提供し、長い（最大10年）バッテリー寿命、低ターミナルコスト、簡単な展開（プラグ＆play）、および高い信頼性と安全性。 さて、基地局のセクターごとに約束された50,000台のIoTデバイス。 リンクレイヤープロトコルの大幅な再設計により、Cat.M1 LTEと比較してNB-IoTデバイスのコストが90％削減されると予想されます。 たとえば、スマートホーム用のアプリケーションを検討する場合、原則として、Z-WaveやZigBeeなどの短距離技術に基づいて展開され、インターネット接続はホームゲートウェイを経由することに注意する必要があります。 ただし、組み込みのNB-IoTチップセットを備えたデバイスは、より望ましいソリューションになる可能性があります。 製品におけるNB-IoTテクノロジーのサポートは、エリクソン、ファーウェイ、ノキア、インテル、クアルコム、および大手通信事業者（ボーダフォン、ドイツテレコム、チャイナユニコムなど）のネットワークおよび端末機器の多くのメーカーによって長い間発表されています。 700、800、900 MHzの無線周波数帯域でのNB-IoTの展開が最適と見なされます。

Huaweiによると、NB-IoTサービスの最大の可能性は、主に農業、医療、セキュリティシステム、輸送、物流、工業生産、スマートシティ、スマートホーム、小売業。 Huaweiの計算では、たとえば、ドイツだけで、今後5年間でNB-IoTが15億ドル以上の収益を生み出すことが示されています。 ファーウェイの予測は、さまざまな業界で展開可能なNB-IoTアプリケーションのさまざまなユースケースの分析に基づいています。 現在、このモデルは、スマートセンサー（電気、ガス、水道用）、施設管理、住宅および商業用不動産のセキュリティおよび火災警報システム、個人用電子健康センサー、人、動物または物体の追跡システムなど、50以上のユースケースを提供しています、スマートシティのインフラストラクチャ要素（街灯やゴミ入れ、接続された産業用ツールなど）。

World Mobile Congress（MWC'2016）に戻って、ノキアはIntelおよびVodafone Groupと共同でNB-IoTテクノロジーを実証し、数十億のメーター、センサー、位置インジケーターなどを接続するための世界標準としての商業化の重要な段階をマークしました「デジタル」「プログラム可能な」世界で必要なオブジェクト。 MWCの訪問者は、ネットワーク範囲の拡大と、ノキアのNB-IoT機器およびIntel端末デバイスによってサポートされる、都市および農村環境でのボーダフォンの有望なNB-IoTサービスの利点を示しました。 このシステムは、低帯域幅で多数のセンサーとデバイスをサポートするNB-IoTの機能に焦点を当てており、消費者セクター、スマートシティ、産業、ユーティリティで次世代サービスを提供します。 2020年までに、IoTデバイスは毎日6.8兆個まで出荷されると予想されています。 接続要求。

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IoTプロジェクトへのモバイルオペレーターの参加は、収入と責任のレベルが異なる複数のビジネスモデルにまたがることがあります。 最も簡単な方法は、IoTへの接続を提供することです。 実際の通信の提供に加えて、ビッグデータ/ BIメソッドを使用した受信データの分析処理や商用実装など、追加のサービス機能が発生した場合、NB-IoTサービスプロバイダーになることができます。 また、サービスのシステム統合、実装、トレーニング、およびメンテナンスを担当するサービスプロバイダーとしても行動できます。 NB-IoTに基づいて、個人用、家庭用、公共用、産業用の両方のIoTアプリケーション（IIoT）を接続するソリューションを構築できます。

したがって、EC-GSM、eMTC、およびNB-IoTの仕様の最終バージョンの採用により、2016年に市場参加者は、IoTネットワークの開発のための3つの効果的なツールを自由に受け取りました。 特定の使用シナリオと特定のモバイルネットワークの特性に応じて、それぞれに独自の特性と利点があります。 いずれにせよ、グローバルエコシステムの利点、展開されたネットワークとITインフラストラクチャの可用性と可用性、および保護された（ライセンスされた）周波数スペクトルの使用は、実装と運用のコストを削減するのに役立ちます。 これは、近い将来、プロジェクトの爆発的な成長が期待できることを意味します。

未来といえば。 ノキアは最近、アルカテル・ルーセントの買収後にほぼ倍増した関連市場を視野に入れて、次世代5GおよびIoT技術の開発におけるリーダーとして更新された会社が従う戦略を概説しました。 Nokiaの新しい開発であるAirScaleは、5Gネットワ​​ークで動作するように設計されており、2GからLTE Advance Proまでのすべてのテクノロジーをサポートします。 AirScaleには、前向きなソース信号処理ユニット（ベースバンド）と無線周波数要素を備えた新しいベースステーションが含まれており、IoTのニーズを含め、これまで達成できなかった通信品質を顧客に提供します。 特に、最近のNakinaの買収は、5GとIoTを実装するための最高のネットワークセキュリティシステムを作成することを目的としていました。 IoTファンドも設立されており、主にコネクテッドエンタープライズ、コンシューマーIoT、コネクテッドカー、デジタル医学、およびビッグデータ処理および分析技術に関連する有望な企業に投資します。 Nokia - IoT-.

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投稿者：

Alexander Golyshko、Technoserv Group of Systemsシステムアナリスト