Escalabilidade IOT com tecnologia celular
13 de novembro de 2018
A Internet das Coisas (IoT) passou, quase da noite para o dia, de uma palavra para uma grande tendência tecnológica. Os dispositivos de IoT hoje aparecem em todos os lugares, desde eletrônicos de consumo, como dispositivos portáteis e sensores domésticos inteligentes até automação industrial, dispositivos de saúde, equipamentos de depósito / logística e muito mais. Mas com o desenvolvimento e o amadurecimento da IoT, somos atingidos por graves problemas de crescimento. Muitas das tecnologias e protocolos que fazem sentido para um mundo de computação centralizado de desktop, laptop e computação móvel não são mais válidos para dispositivos descentralizados de baixo consumo de energia que a IoT cria.
Wi-Fi e Bluetooth - os padrões de rede domésticos de fato também não são traduzidos para IoT. Wi-Fi tem uma gama decente de ação, mas também um alto consumo de energia. O Bluetooth tem um baixo consumo de energia, mas uma curta duração de ação. Ambas as soluções não podem ser dimensionadas adequadamente porque exigem roteadores.
Na verdade, já existe uma solução viável para os problemas das redes IoT e nós a usamos todos os dias: redes de comunicação móvel.
Na verdade, já existe uma solução viável para os problemas das redes IoT e nós a usamos todos os dias: redes de comunicação móvel.
Definição de IoT
O termo IoT abrange uma ampla variedade de "coisas", desde termostatos inteligentes e eletrodomésticos até usuários domésticos, até sensores de pressão, medidores de consumo de água e sistemas de irrigação inteligentes no lado industrial. Mas, embora os aplicativos e os mercados aos quais os endereços de IoT possam ser muito variados, os dispositivos de IoT compartilham vários recursos importantes.
Muitos dispositivos IoT são alimentados por baterias. Para aplicativos móveis, como dispositivos portáteis ou sistemas de rastreamento, a energia da bateria é a única solução. No entanto, mesmo dispositivos de IoT que não se movem, como medidores de quantidade de água, sensores de pressão de tubulação ou termostatos em processos de automação, podem optar por ser alimentados por bateria, por conveniência, escolhido quando nas proximidades não há fonte de alimentação da rede.
Os dispositivos de IO são frequentemente organizados em locais inesperados e frequentemente difíceis. Embora muitos eletrônicos residenciais e comerciais estejam em nossas casas e escritórios, eles podem contar com fácil acesso à eletricidade, Wi-Fi e à recepção de celular, e para facilitar a manutenção, eles são facilmente acessíveis, o mesmo não acontece com a IoT. Uma taxa de estacionamento inteligente pode ser localizada em uma garagem subterrânea com pouca recepção de celular e sem fornecimento de energia nas proximidades. Um sensor de pressão pode ser montado em um duto no deserto. Um dispositivo para rastrear mercadorias pode estar na parte inferior de um contêiner de remessa e fica inacessível por alguns meses por vez.
Finalmente, os dispositivos de IoT são implementados em um número maior do que quase qualquer outra classe de dispositivos eletrônicos na história. Além disso, os aplicativos de IoT geralmente são mais eficazes quando implantados em grandes volumes. Seja equipamento de estacionamento inteligente, beacons, sensores de irrigação ou dispositivos de rastreamento de mercadorias, as implementações de IoT geralmente estão em dezenas, centenas ou até milhares de dispositivos diretos.
Esses recursos - bateria, instalação móvel ou remota e implantação em larga escala - apresentam um conjunto único e aparentemente contraditório de desafios para conectividade IoT. O protocolo de comunicação usado deve ser sem fio e ter uma boa faixa de penetração, mas também deve ter um consumo mínimo de energia para permitir uma longa duração da bateria e uma manutenção rara.
O Wi-Fi, o tradicional protocolo sem fio doméstico e corporativo sem fio, tem um alcance decente e penetração decente, mas é energético, tornando-o inutilizável para dispositivos alimentados por bateria. O Bluetooth é eficiente em termos de energia, mas possui uma variedade de ações em ambientes reais, afetando, assim, a eficiência de todas as implementações de IoT, incluindo aquelas em menor escala. Outra solução é necessária, e a tecnologia celular parece ser a melhor.
O termo IoT abrange uma ampla variedade de "coisas", desde termostatos inteligentes e eletrodomésticos até usuários domésticos, até sensores de pressão, medidores de consumo de água e sistemas de irrigação inteligentes no lado industrial. Mas, embora os aplicativos e os mercados aos quais os endereços de IoT possam ser muito variados, os dispositivos de IoT compartilham vários recursos importantes.
Muitos dispositivos IoT são alimentados por baterias. Para aplicativos móveis, como dispositivos portáteis ou sistemas de rastreamento, a energia da bateria é a única solução. No entanto, mesmo dispositivos de IoT que não se movem, como medidores de quantidade de água, sensores de pressão de tubulação ou termostatos em processos de automação, podem optar por ser alimentados por bateria, por conveniência, escolhido quando nas proximidades não há fonte de alimentação da rede.
Os dispositivos de IO são frequentemente organizados em locais inesperados e frequentemente difíceis. Embora muitos eletrônicos residenciais e comerciais estejam em nossas casas e escritórios, eles podem contar com fácil acesso à eletricidade, Wi-Fi e à recepção de celular, e para facilitar a manutenção, eles são facilmente acessíveis, o mesmo não acontece com a IoT. Uma taxa de estacionamento inteligente pode ser localizada em uma garagem subterrânea com pouca recepção de celular e sem fornecimento de energia nas proximidades. Um sensor de pressão pode ser montado em um duto no deserto. Um dispositivo para rastrear mercadorias pode estar na parte inferior de um contêiner de remessa e fica inacessível por alguns meses por vez.
Finalmente, os dispositivos de IoT são implementados em um número maior do que quase qualquer outra classe de dispositivos eletrônicos na história. Além disso, os aplicativos de IoT geralmente são mais eficazes quando implantados em grandes volumes. Seja equipamento de estacionamento inteligente, beacons, sensores de irrigação ou dispositivos de rastreamento de mercadorias, as implementações de IoT geralmente estão em dezenas, centenas ou até milhares de dispositivos diretos.
Esses recursos - bateria, instalação móvel ou remota e implantação em larga escala - apresentam um conjunto único e aparentemente contraditório de desafios para conectividade IoT. O protocolo de comunicação usado deve ser sem fio e ter uma boa faixa de penetração, mas também deve ter um consumo mínimo de energia para permitir uma longa duração da bateria e uma manutenção rara.
O Wi-Fi, o tradicional protocolo sem fio doméstico e corporativo sem fio, tem um alcance decente e penetração decente, mas é energético, tornando-o inutilizável para dispositivos alimentados por bateria. O Bluetooth é eficiente em termos de energia, mas possui uma variedade de ações em ambientes reais, afetando, assim, a eficiência de todas as implementações de IoT, incluindo aquelas em menor escala. Outra solução é necessária, e a tecnologia celular parece ser a melhor.
Caso de célula celularEm alguns casos, os telefones celulares compartilham muitas funções com dispositivos IoT. Esses dispositivos móveis movidos a bateria estão conectados à internet, cheios de sensores e conectando nosso mundo físico através da nuvem. Assim, faz sentido que um protocolo ideal de IoT tenha certos atributos celulares.
A vantagem mais notável da rede celular é que ela apresenta uma maneira incrivelmente simples de se preparar e possui um protocolo de comunicação fácil de usar para o usuário final. Como já mencionado, as redes Wi-Fi exigem que um roteador se conecte à Internet e os dispositivos do cliente precisam ser programados para se conectarem à rede Wi-Fi. Redes Bluetooth exigem etapas semelhantes.
As redes celulares, por outro lado, exigem que o usuário final simplesmente instale um cartão SIM no dispositivo, que então se configura automaticamente e se conecta automaticamente às redes disponíveis. Se o dispositivo for movido para um local diferente, desde que seja uma rede compatível, ele será automaticamente conectado. Não há provisões, parâmetros de roteador, senhas definidas e pouquíssimos problemas de login para solução de problemas por usuários finais. Isso simplesmente funciona.
Para aplicativos IoT, essa rede fácil de usar é uma mudança de jogo. Em vez de contratar especialistas em rede para planejar quantos roteadores são necessários para suportar vários dispositivos, configurá-los e fornecê-los aos dispositivos clientes, a natureza plug-and-play da rede celular permite que os clientes usuários finais para adicionar conectividade IoT sem a necessidade de um departamento de recontagem.
A conectividade celular também é massivamente escalável. Não há necessidade de comprar e configurar roteadores adicionais quando mais de um dispositivo é adicionado à rede. Enquanto houver cobertura de rede, o escalonamento é apenas adicionar novos dispositivos.
Celular para IoT
Apesar de todas as suas vantagens inerentes, a conectividade celular com a qual estamos familiarizados em nossos telefones inteligentes não é ideal para a maioria dos aplicativos IoT. Como todos sabem que compraram um banco de energia para o seu telefone celular, a conectividade LTE pode rapidamente limpar a bateria.
Para resolver esses problemas, o 3GPP, o corpo de padrões responsável pela manutenção e desenvolvimento do LTE, lançou o LTE Cat 1 e o LTE-M. Essas novas categorias LTE reduzem o consumo de energia reduzindo a largura de banda e a complexidade do protocolo. Além disso, eles melhoram a penetração de sinal e diminuem o custo do módulo, ao mesmo tempo em que mantêm muitos dos recursos fáceis de usar que tornam a conectividade celular uma boa opção para o mercado de IoT.
LTE Cat 1 - Este é um protocolo celular simplificado que reduz as velocidades de pico para 10 Mbps para links de download e 5 Mbps para links de upload. O consumo de energia é, portanto, mantido sob controle - com produtos como o XBee LTE Cat 1 da Digi, consumindo apenas 10μA no modo de sono profundo e apenas algumas centenas de mA no estado ativo (dependendo das condições exatas de operação). A reduzida complexidade do protocolo também significa transmissão de rádio de baixo custo. O LTE Cat 1 oferece largura de banda suficiente para suportar vídeo ou dados de voz, mas com menor consumo de energia e menores custos de hardware do que as classes superiores LTE. Aplicativos relevantes incluem sinalização digital, caixas eletrônicos, vigilância por vídeo e telemática de veículos.
LTE-M - Também conhecido como LTE Cat M1, trata-se de um protocolo de largura de banda ainda mais rígido, que reduz ainda mais o consumo de energia, a complexidade e o custo do protocolo.
Operando na largura de banda de 1.4MHz, as velocidades de upload e download são de 1Mbps para full duplex ou 375kbps para metade. Essas velocidades reduzidas, complexidade de protocolo reduzida e modos adicionais de economia de energia ajudam o LTE-M a ter um consumo de energia menor que o LTE Cat 1 - por exemplo, o SARA-R4 da u-blox requer apenas 100mA para fornecer comunicação LTE. Isso permite uma autonomia de até 10 anos.
Além de melhorar a vida útil da bateria, o LTE-M também oferece melhor cobertura com ganho de até 21dB em relação aos dispositivos LTE mais antigos. Isso significa uma gama melhorada de ação, bem como melhor penetração interna para aplicações em prédios, no subsolo ou em outros locais onde a recepção celular tradicional se tornou fraca.
Aplicações relevantes para LTE-M incluem monitoramento de propriedades, dispositivos portáteis, sensores, medidores de serviços públicos. Com base no protocolo LTE existente, o LTE Cat 1 e o LTE-M têm a vantagem de operar em um espectro licenciado, bem como a facilidade de implantação para provedores de rede. As redes LTE Cat 1 e LTE-M já estão disponíveis na maioria das áreas na América do Norte e há um aumento no nível de implantação na Europa.
Operando na largura de banda de 1.4MHz, as velocidades de upload e download são de 1Mbps para full duplex ou 375kbps para metade. Essas velocidades reduzidas, complexidade de protocolo reduzida e modos adicionais de economia de energia ajudam o LTE-M a ter um consumo de energia menor que o LTE Cat 1 - por exemplo, o SARA-R4 da u-blox requer apenas 100mA para fornecer comunicação LTE. Isso permite uma autonomia de até 10 anos.
Além de melhorar a vida útil da bateria, o LTE-M também oferece melhor cobertura com ganho de até 21dB em relação aos dispositivos LTE mais antigos. Isso significa uma gama melhorada de ação, bem como melhor penetração interna para aplicações em prédios, no subsolo ou em outros locais onde a recepção celular tradicional se tornou fraca.
Aplicações relevantes para LTE-M incluem monitoramento de propriedades, dispositivos portáteis, sensores, medidores de serviços públicos. Com base no protocolo LTE existente, o LTE Cat 1 e o LTE-M têm a vantagem de operar em um espectro licenciado, bem como a facilidade de implantação para provedores de rede. As redes LTE Cat 1 e LTE-M já estão disponíveis na maioria das áreas na América do Norte e há um aumento no nível de implantação na Europa.
Protocolo de rede ideal para IoT
Com o desenvolvimento da IoT, ela deve ter a infraestrutura certa para que ela atinja todo o seu potencial. Embora protocolos sem fio comuns, como Wi-Fi e Bluetooth, já sejam familiares, eles não estão funcionando bem na escala esperada pelas implementações de IoT. As versões mais recentes do padrão LTE do grupo 3GPP introduziram novas categorias desse padrão de celular para abordar especificamente o uso de IoT. Ao ajustar a largura de banda para atender aos requisitos de IoT, essas categorias de LTE podem alcançar um consumo de energia muito baixo e uma penetração de sinal forte. A duração da bateria pode atingir uma ordem de magnitude do nível do ano e, além disso, dispositivos terão a vantagem de conectividade de alta conectividade e mobilidade intrínseca de comunicação celular. Mas o mais importante é que a conectividade IO baseada em LTE oferece incrível facilidade de comissionamento e escalabilidade. Não há necessidade de roteadores ou configurações de rede, o que significa que os dispositivos de IoT são consideravelmente mais simples de implementar.
Com o desenvolvimento da IoT, ela deve ter a infraestrutura certa para que ela atinja todo o seu potencial. Embora protocolos sem fio comuns, como Wi-Fi e Bluetooth, já sejam familiares, eles não estão funcionando bem na escala esperada pelas implementações de IoT. As versões mais recentes do padrão LTE do grupo 3GPP introduziram novas categorias desse padrão de celular para abordar especificamente o uso de IoT. Ao ajustar a largura de banda para atender aos requisitos de IoT, essas categorias de LTE podem alcançar um consumo de energia muito baixo e uma penetração de sinal forte. A duração da bateria pode atingir uma ordem de magnitude do nível do ano e, além disso, dispositivos terão a vantagem de conectividade de alta conectividade e mobilidade intrínseca de comunicação celular. Mas o mais importante é que a conectividade IO baseada em LTE oferece incrível facilidade de comissionamento e escalabilidade. Não há necessidade de roteadores ou configurações de rede, o que significa que os dispositivos de IoT são consideravelmente mais simples de implementar.
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