Une ventilation de l'architecture NB-IoT pour les architectes IoT

Vous envisagez d'utiliser l'IoT à bande étroite (NB-IoT) pour déployer votre appareil de collecte de données Internet des objets ? Voici ce que les concepteurs et les ingénieurs doivent savoir sur l'architecture NB-IoT pour créer un produit qui non seulement fonctionne, mais ajoute également de la valeur pour le client.

L'architecture NB-IoT comparée au LTE-M

Comme vous l'avez probablement déjà remarqué, toute discussion sur le NB-IoT inclut généralement une mention du LTE-M. Les deux sont des technologies cellulaires à faible consommation et étendues (LPWA) développées pour les applications IoT ; les deux gagnent du terrain dans des endroits différents géographiquement. (Si vous espérez utiliser NB-IoT pour votre produit, assurez-vous d'avoir pris en compte les obstacles potentiels.) La discussion sur la façon de structurer votre appareil NB-IoT fait parfois référence à LTE-M pour le contexte, en partie car l'architecture NB-IoT est très similaire à celle du LTE-M.

La principale différence entre NB-IoT et LTE-M est la suivante :NB-IoT nécessite un canal à bande passante plus étroite (200 kHz contre 1,4 MHz) et les appareils peuvent être déployés dans des bandes non traditionnelles, y compris les bandes de garde LTE (les bandes qui ne sont pas actuellement utilisés qui sont adjacents aux principales bandes LTE), ainsi que des bandes spécifiques à l'IoT. De nombreux déploiements NB-IoT sont placés dans des bandes de garde, car c'est un bon moyen pour les entreprises de téléphonie mobile de monétiser ce spectre inutilisé. Les appareils NB-IoT peuvent également être déployés dans des bandes autonomes en utilisant n'importe quel spectre disponible, à condition que les régulateurs l'approuvent, ou dans le cadre de l'attribution du spectre LTE. Nous avons discuté d'autres différences dans un article précédent.

Bien que cela offre une flexibilité massive aux opérateurs cellulaires et autres fournisseurs de réseau pour la mise en œuvre d'un réseau NB-IoT, cela pose des problèmes importants pour un concepteur d'appareils liés à l'itinérance. Les gens utilisent le terme itinérance pour signifier différentes choses, mais pour les besoins de cet article, cela signifie la possibilité « d'envoyer et de recevoir des données… lorsqu'ils voyagent en dehors de la zone de couverture géographique de leur réseau domestique ». L'itinérance est sur la feuille de route à long terme pour NB-IoT, mais la flexibilité de la norme NB-IoT, combinée aux limitations de l'appareil contraint susceptible d'accéder à un réseau NB-IoT, rendent l'itinérance presque impossible au moment de cette écrit, à toutes fins utiles. Ainsi, la construction d'un appareil pouvant être utilisé sur différents réseaux est en réalité beaucoup plus difficile avec NB qu'avec LTE-M (ce qui n'est pas une mince affaire), car les appareils NB-IoT doivent être configurés pour utiliser des bandes spécifiques dès le départ. Il n'y a pas de module actuellement disponible qui vous permettra de choisir la bande que vous prenez en charge au moment de l'exécution, vous êtes donc essentiellement bloqué en sélectionnant les bandes souhaitées lors de la fabrication. Bien que cela puisse fournir quelques efficacités opérationnelles mineures, dans la pratique, vous aurez des références SKU différentes même si les appareils se ressemblent, et vous devrez savoir exactement où vous utiliserez l'appareil lorsque vous le construisez.

Ce problème ne s'applique pas à toutes (ou même à la plupart) des applications, mais il vaut vraiment la peine d'être souligné. Les applications qui utiliseraient le plus probablement le NB-IoT sont des choses comme les compteurs d'eau et de gaz, ou les capteurs dans un emplacement fixe, des actifs statiques conçus pour avoir un capteur qui parle une fois par jour pendant 10 ans, et c'est tout. Dans presque tous ces cas, vous savez où cet appareil sera placé et vous n'avez pas l'intention de changer son emplacement. (Dans une certaine mesure, c'est également un problème pour LTE-M, mais il est amplifié dans NB-IoT.)

Parties essentielles de l'architecture NB-IoT

L'architecture NB-IoT est similaire à celle du LTE-M. Les blocs de construction, qui sont les mêmes, sont les suivants :

Antenne

Dans la plupart des cas, vous travaillerez avec une entreprise de téléphonie mobile pour déployer votre appareil ; l'entreprise le déploiera dans ou à côté d'une bande LTE, vous devez donc utiliser une antenne qui fonctionne pour cette bande.

Les antennes sont conçues pour des fréquences spécifiques. Vous ne pouvez pas toujours avoir une seule antenne qui prend en charge tout les bandes NB-IoT possibles, bien qu'il existe des antennes multibandes qui prennent en charge toutes les principales. Vous paierez cependant pour ces antennes en dollars et en taille, qui sont tous deux essentiels à la plupart des applications NB-IoT. Si votre réseau NB-IoT se situe dans une bande GSM ou LTE standard, vous pouvez utiliser une antenne ordinaire, mais pour les bandes non traditionnelles, c'est quelque chose à garder sur votre radar. (La bande que vous devrez utiliser est déterminée par une combinaison de facteurs, notamment la structure réglementaire du pays dans lequel vous vous trouvez, les actifs de spectre que possède l'entreprise de téléphonie mobile ou le fournisseur de réseau et la manière dont ils choisissent de déployer NB-IoT. Pour le LTE-M, un opérateur cellulaire utilisera généralement un bloc de ressources LTE existant. Mais pour le NB-IoT, les opérateurs de réseau peuvent placer le réseau dans le spectre sous licence qu'ils possèdent, ce qui ne relève pas des attributions de bandes cellulaires traditionnelles.)

Modem (ou module) NB-IoT

Ensuite, choisissez un modem (également appelé module). Le chipset NB-IoT est généralement intégré au module, que vous concevrez ensuite dans votre produit.

Le module que vous choisissez doit être certifié par le PTCRB (pour fonctionner en Amérique du Nord) ou le GCF (Global Certification Forum pour une utilisation mondiale). Idéalement, il devrait également être certifié par une entreprise ou un opérateur de téléphonie mobile, comme AT&T ou Verizon, ce qui réduit votre charge de certification. Si vous utilisez des modules de Gemalto, u-blox ou Sierra, par exemple, vous devrez obtenir vous-même une certification d'opérateur. En revanche, une plate-forme pré-certifiée comme Link Labs simplifie grandement le processus de déploiement. (C'est fondamentalement le même que notre appareil LTE-M, mais avec un firmware différent et une configuration matérielle interne légèrement différente qui n'a pas d'impact sur nos clients.)

Hôte

L'hôte est la carte de périphérique qui héberge littéralement ton application. C'est le microcontrôleur ou le microprocesseur qui exécute votre application ainsi que l'interface avec tous les périphériques, comme les différents capteurs; il contrôle également le module, ou, dans notre cas, la plate-forme matérielle.

L'hôte est aussi important à considérer que toute autre chose (probablement plus puisque c'est en fait ce pour quoi vos clients vous paient). Vous devez contrôler la consommation électrique de votre application. Une conception d'application hôte à faible consommation d'énergie est donc aussi importante que les fonctionnalités de faible consommation d'énergie de l'une des radios. Notre plate-forme facilite l'interaction avec la partie radio en faisant abstraction de nombreux paramètres difficiles autour des modes basse consommation. Notre plate-forme est de faible puissance par défaut - il y a très peu de travail supplémentaire à faire du côté de l'hôte pour réduire la puissance de la radio. Si vous deviez utiliser un module traditionnel, comme u-blox ou Sierra, vous auriez à faire beaucoup plus de travail sur la gestion de l'alimentation de la radio à l'aide des commandes AT.

Réseau cellulaire

Étant donné que votre appareil IoT n'envoie que de petits bits de données, il est généralement préférable d'utiliser un protocole de communication d'appareil non basé sur IP, qui est différent de la façon dont la plupart des modems interagissent avec un réseau cellulaire, via TCP/IP standard. (Vous pourriez utiliser TCP/IP avec NB-IoT, mais vous paieriez beaucoup de frais généraux de données, ce qui est un peu contraire à ce pour quoi NB-IoT a été conçu.)

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Vous avez donc deux choix :utiliser le protocole TCP/IP traditionnel et payer les frais généraux, ou concevoir un protocole de communication distinct qui supprime toutes ces couches supplémentaires. Pour la deuxième option, vous aurez généralement besoin de votre propre routage de réseau privé au sein du réseau cellulaire, ainsi que de votre propre serveur de gestion de périphériques prenant en charge ce protocole alternatif, similaire à celui proposé par Link Labs. Nos propres APN et VPN privés (réseau privé virtuel) nous permettent d'acheminer le trafic comme nous le souhaitons, en utilisant une communication non TCP/IP. Cet élément est une grande partie de l'architecture suggérée pour NB-IoT.

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