Úvod

NB-IoT

Narrow Band-IoT, všeobecne známy pod skratkou NB-IoT, alebo LTE Cat NB, vo voľnom preklade úzkopásmový internet vecí, je technológia založená na štandardoch LPWAN, ktorá umožňuje široký rozsah nových zariadení a služieb pre Internet Vecí. NB-IoT výrazne zlepšuje energetickú spotrebu užívateľských zariadení, kapacitu systému, a spektrálnu efektivitu, najmä vo vnútorných priestoroch, ktoré sa nachádzajú hlboko v budovách. Špecifikácia bola dokončená v Júni 2016, a bola prvý krát vydaná v rámci 3GPP Release 13, známym aj ako LTE Advanced Pro. Okrem prvého vydania v špecifikácii 3GPP Release 13 bol štandard vydaný aj v rámci špecifikácií 3GPP Release 14, Release 15, a je zahrnutých aj v nových 5G špecifikáciách Release 16 a Release 17. Hlavnou výhodou NB-IoT je fakt, že ako sieť využíva už existujúce mobilné siete, preto nie je potrebné budovať novú infraštruktúru, čo masívne znižuje náklady.[V21][V22] Oproti ostatným technológiám internetu vecí sa NB-IoT zameriava na spôsoby využitia ktoré vyžadujú posielať iba malé množstvo dát na veľké vzdialenosti. Využitie má hlavne v prípadoch kde sa vyžaduje veľká hustota pripojených zariadení, dlhá životnosť batérie v zariadení, nízka cena, a dobré pokrytie aj vo vnútorných priestoroch.[V23]

Obr. V7: Architektúra NB-IoT [V31]

Architektúra pozostáva z užívateľského zariadenia, bázovej stanice, a entity riadenia mobility. Užívateľské zariadenie sa pripája do bázovej stanice pomocou rozhrania „Uu“, ktoré prepája užívateľské zariadenie s pozemskou rádiovou prístupovou sieťou. Bázové stanice sú navzájom prepojené rozhraním X2, a sú prepojené do jadra siete pomocou rozhrania S1. Rozhranie S1 nesie buď NB-IoT riadiace pakety, alebo dátové pakety. Túto architektúru je možné vidieť na obrázku V7.[V31] Táto architektúra nevyžaduje nastavovanie dátového rádiového nosiča, dátové pakety sú posielané na signálovom rádiovom nosiči, preto je riešenie založené na tejto architektúre ideálne pre prenášanie nepravidelných a malých dátových paketov.[V31]

Nízku spotrebu energie je možné dosiahnuť vďaka tomu, že NB-IoT využíva aktualizácie sledovanej oblasti s dlhou periódou, ktorá periodicky upozorňuje zariadenie o dostupnosti siete (Long-Periodic TAU). Okrem toho využíva aj ďalšie metódy na šetrenie energie, ako PSM, alebo eDRX.

Špecifikácia NB-IoT

NB-IoT, respektíve LTE-NB využíva šírku pásma iba 200 kHz, čomu zodpovedá aj samotný názov. V rámci NB-IoT sa využívajú dve špecifikácie, a to LTE Cat NB1, a LTE Cat NB2. LTE Cat NB1 bola vydaná v rámci 3GPP Release 13, a LTE Cat NB2 v rámci 3GPP Release 14. Porovnanie špecifikácií je možné vidieť v tabuľke 2.[V25] V tabuľke je možné vidieť, že odozva pre LTE Cat NB2 nie je definovaná. Táto hodnota podľa dostupných zdrojov nie je nijako definovaná, preto sa usudzuje že je buď táto hodnota rovnaká ako v predchádzajúcej generácii, alebo je pre štandard nepodstatná. Ani jeden zo štandardov nepodporuje prenos hlasu, a obidva používajú iba jednu anténu. Za normálnych okolností nepodporujú NB-IoT zariadenia ani SMS správy, avšak posielanie SMS správ je možné dosiahnuť za určitých podmienok, vtedy je však dôležité aby zariadenie nebolo v režime spánku, teda malo vysokú spotrebu energie.[V25] V rámci Release 13 bolo pre LTE Cat NB1 definovaných 14 frekvenčných pásiem, v Release 14 boli pridané ďalšie 4 frekvenčné pásma, a v Release 15 ďalších 7 frekvenčných pásiem.[V26][V27][V28] V prípade sieti 5G a Release 16 záleží od toho ktorá rádiová technológia sa používa, v prípade E-UTRA je pre LTE Cat NB1 a LTE Cat NB2 definovaných 34 frekvenčných pásiem, v prípade 5G New Radio sa používa 19 frekvenčných pásiem. V 3GPP Release 17 pribludli pre E-UTRA dve nové frekvenčné pásma.[V29][V30]

	LTE Cat NB1	LTE Cat NB2
3GPP Release	Release 13	Release 14
Šírka pásma kanálu	180 kHz	180 kHz
Šírka pásma UE	200 kHz	200 kHz
Duplex	Half duplex	Half duplex
Maximálny TX výkon	20, 23 dBm	14, 20, 23 dBm
Maximálna rýchlosť pre downlink	~26 kbps	~127 kbps
Maximálna rýchlosť pre uplink	~62 kbps	~159 kbps
Odozva	< 10 sekúnd	-
Šifrovanie dát	EPS-AKA	EPS-AKA
Autentifikácia zariadenia	SIM	SIM
Polohovanie	Cell ID	OTDOA, E-CID

Long-Periodic TAU

Funkcia Long-Periodic TAU je definovaná v 3GPP TS 24.301. Slúži na periodické upozorňovanie dostupnosti IoT zariadenia pre sieť. Výhodou tohto prístupu je že zariadenie môže zotrvať dlhšiu dobu v stave nečinnosti, čím sa znižuje spotreba energie. Dĺžka periódy je určovaná zariadením pomocou periodického TAU časovača. Táto perióda môže byť v rozmedzí 1 hodiny až 310 hodín. Princíp Long-Periodic TAU je možné vidieť na obrázku 4. Na začiatku sa zariadenie sa pripojí do siete, a informuje sieť o svojej dostupnosti, pričom následne je pripojené k RRC, a po dobu zvyčajne 20-30 sekúnd je zariadenie pripravené prijímať alebo odosielať dáta. Po tejto dobe sa zariadenie prepne do stavu nečinnosti, pričom pravidelne informuje sieť o svojom stave, až do doby kedy uplynie čas periódy, potom sa tento cyklus opakuje.[V24]

Obr.V4: Princíp činnosti aktualizácie sledovanej oblasti s dlhou periódou [V24]

PSM – Power-Saving Mode

V prípade že by zariadenie vyplo svoj rádiový modul, tak by došlo ku odpojeniu zariadenia zo siete, a pri následnom zapnutí by sa muselo znova pripájať do siete, čo vyžaduje vysokú spotrebu energie. Funkcia PSM tomuto predchádza v spolupráci s periodickým TAU, princíp je možné vidieť na obrázku 5. Okrem časovača pre LongPeriodic TAU je zavedený aj časovač PSM, ktorého hodnotu zadáva užívateľ, pričom musí byť v rozmedzí 0 sekúnd až 186 minút. Počas tohto časovača sa zariadenie správa rovnako ako v prípade použitia Long-Periodic TAU, po uplynutí stanoveného času sa zariadenie prepne do režimu hlbokého spánku, počas ktorého sú rádiové funkcie vypnuté, čo masívne znižuje spotrebu energie. Zariadenie je počas hlbokého spánku stále registrované v sieti, sieť má uchovanú stavovú informáciu o zariadení, avšak počas tohto času nie je možné so zariadením komunikovať. Zariadenie sa z tohto stavu prebudí buď po uplynutí časovaču Long-Periodic TAU, alebo kedykoľvek predtým, ak je to potrebné, pričom pri skoršom prebudení nie je potrebné opätovná registrácia do siete [V24].

Obr. V5: Princíp činnosti PSM [V24]

eDRX – Extended Discontinuous Reception

eDRX je rozšírenie existujúcej LTE funkcie, ktorá umožňuje IoT zariadeniam ďalej znižovať spotrebu energie. Táto funkcia je určená pre zariadenia, ktoré viac prijímajú než odosielajú dáta, najmä v prípadoch kedy nie je potrebný okamžitý prístup k zariadeniu. eDRX umožňuje predĺžiť časový interval, počas ktorého je zariadenie v stave nečinnosti, pričom je stále pre sieť dostupné. eDRX sa môže použiť buď samostatne, alebo spoločne s PSM, pričom eDRX ponúka dobrý kompromis medzi dostupnosťou zariadenia a spotrebou energie. Princíp činnosti spoločne s PSM je možné vidieť na obrázku 6. Zariadenie používajúce eDRX poskytuje dva časovače – T eDRX a T PTW, pričom prvý časovač určuje dobu trvania funkcie eDRX, a druhý časovač určuje dobu počas ktorej zariadenie odosiela o sebe informácie do siete. Medzi týmito časovačmi je okno, počas ktorého je deaktivovaná prijímacia časť rádiovej komunikácie. Dĺžka časovaču t eDRX je medzi 20.48 sekúnd a 10 485,76 sekúnd, v prípade T PTW je to 2,56 sekundy až 40,96 sekúnd [V24].

Obr. V6: Princíp činnosti eDRX[V24]