Licenční pásma

Dění kolem standardizace mobilních komunikací patří pravděpodobně mezi nejkomplexnější jevy ve vesmíru. Když jsme si zvykli mluvit o bezlicenčním pásmu 868 MHz (resp. 433 MHz a 915 MHz), v říši garantovaných pásem NB-IoT se budeme bavit o nejméně třinácti pásmech (bandech), která se ve světě používají nyní.

Pro běžného smrtelníka bude lokálně nejzajímavější band 20, ve kterém svoji NB-IoT síť provozuje Vodafone. A hned potom také band 8, který se používá na indoor pokrytí, například v nákupních a podnikatelských centrech. Vodafone zatím jako jediný v ČR disponuje seriózně fungující sítí s ověřenou komerční nabídkou.

Frekvencemi se tu dostáváme opět velmi blízko bezlicenčnímu pásmu. Fyzikálně jsou si tedy sítě dost podobné: jak průchodností překážkou, tak i jejich dosahem.

Další a další komplikace

Dokud se bavíme o ČR, je situace jednoduchá. Ve světě je pochopitelně mnohem pestřejší, takže se v každé zemi můžete potkat s jiným bandem, klidně od stejné globální značky. Například v Austrálii provozuje Vodafone svůj NB-IoT na bandu 8. Kromě Vodafone mají ambice nabídnout NB-IoT v ČR i další operátoři, ale zatím pouze Vodafone je schopen přijít se seriózní nabídkou. A to nejen na úrovni ČR, ale prakticky v celé širší Evropě a v  dalších částech vyspělého světa.

Co to pro vás bude znamenat, pokud se rozhodnete vyrábět nějaké zařízení? Především si musíte velmi pečlivě vybrat operátora, který provozuje svoji síť na co nejméně bandech a v co nejvíce zemích, ve kterých chcete své zařízení prodávat. Pro všechny dané bandy musíte mít naladěnou anténu a také potřebujete modem (nebo NB-IoT modul), který podporuje všechny bandy, ve kterých se chystáte fungovat. Ne vždycky je výběr jednoduchý a ne vždycky jsou moduly dostupné.

Shrňme si to do přehledné tabulky:

„Moment,” řekne si pozorný čtenář. „Jakýpak band 71? O tom nebyla řeč! Podvod!“ Ale kdepak, band 71 přece zavedl standard 3GPP Release 15, ještě společně s dalšími šesti bandy.

„Cože? Release 15? O čem to mluvíte? Kde je čtrnáctka? Podvod!“ řeknete si zase. Nebojte, existuje i 3GPP Release 14, který standardizuje další čtyři bandy. Takže jich máme, suma sumárum, pětadvacet. Od frekvence 450 MHz, až ke 2.2 GHz, tedy rozpětí vlnových délek 13–66 cm.

Modemy, moduly, antény, podpora hardware

Protože NB-IoT je z pohledu adopce průmyslem poměrně nový standard (byť třeba Vodafone provozuje svoji komerční síť už cca 3 roky), vývoj komunikačních modulů poněkud zaostává za potřebami. Zatím prakticky neexistuje výrobce, který by na svém modulu podporoval všechny bandy. Mluví se o nich, ale zatím jsme si bohužel mohli sáhnout jen na před-produkční vzorky modulů, které jich podporují hodně (myšleno třeba 6 a více). Avšak co se modemů (modulů) týče, budoucnost vidím poměrně růžově. Výrobci jako μBlox, Nordic a Quectel se opravdu hodně snaží, aby ty miliardy modulů, které se v budoucnu prodají, nesly právě jejich loga.

Dalším zajímavým tématem jsou pochopitelně antény. Jak už jsme si naznačili, rozsah vlnových délek v NB-IoT je poměrně dramatický a jako nejvhodnější se – z více důvodů – ukázaly čipové keramické antény. Nejmenší, se kterou jsme zatím byli spokojeni, má plochu 35 × 5 mm2 při výšce 6 mm. Na DPS ale potřebuje plochu o cca 40 mm2 větší. Navíc ignoruje pásma kolem 450 Mhz a  podporuje jen 698–960 MHz a 1710–2690 Mhz. Ve světě se totiž jiné NB-IoT frekvence zatím nepoužívají. Pozorný fyzik navíc odvodí, že by se pro podporu delších vln hodila i větší anténa. Ale do ladění pro všechny bandy se asi nikdo soudný zatím pouštět nebude. Doporučuji se podívat, v jakých pásmech provozují operátoři NB-IoT na trzích, které chcete ovládnout a ladit čistě pro ně.

Modulů je dostupná celá řada a nevázne ani jejich výroba a další vývoj. Když se díváme na trh LPWAN modulů, je docela jasné, kde výrobci vidí své budoucí zisky. A přispívá k tomu samozřejmě i otevřenost standardů.

Jak to vlastně funguje?

Čím je zrovna NB-IoT tak skvělý, že ho všichni chtějí? Slovo narrowband v názvu technologie dává tušit, že šířka vysílacího pásma nebude nijak závratná. Důvodem je především snaha obsloužit z jedné základnové stanice co největší množství IoT klientů. 180 kHz tomu vyhovuje poměrně dobře. A zatímco u Sigfoxu je přenosová rychlost cca 100 bitů za sekundu, u LoRaWAN od 300 bitů do 50 kb/s, u NB-IoT je to až 200 kb/s. A co je skvělé na licenčním pásmu? Můžete si v něm vysílat jak chcete. A na rozdíl od bezlicenčních pásem i s dlouhodobou garancí stability služeb. Dokud vám vydrží baterka a dokud to unese vaše peněženka.

Velikost modulů je velmi podobná jako u LoRaWAN nebo Sigfoxu. Musíte ještě připočítat SIM kartu. Pozorný čtenář, který prostudoval na začátku odkázaný standard, už tuší, že NB-IoT je prakticky rozšířením LTE, takže bez SIM karty to prostě nepůjde. Běžně můžete mít 4FF nebo miniaturní MFF2 (eSIM). Alespoň to jsou karty, které nyní nabízí pro NB-IoT třeba Vodafone.

Protože operátoři platí licenční poplatky za všechny aktivní SIM karty ve své síti, dostanete zpravidla SIM karty neaktivní a musíte je aktivovat. Všichni kulturně vyspělí operátoři na to mají poměrně jednoduchá API a některým funguje docela pěkně i klikací rozhraní.

Výjimkou jsou různé testovací kity, ve kterých dostanete třeba 20 SIM karet a všechny jsou aktivní už na začátku. Kdybyste si to chtěli zkusit, můžete třeba zde (jako bonus, dostanete za svých 225 € i development kit). Vysílání i příjem jsou s testovacími kity celkem hračka. Přihlásíte se k síti několika AT příkazy, dostanete automaticky přidělenou IP adresu a můžete posílat UDP packety tam i zpět.

Bezpečnost je vyřešená v rámci LTE standardu. Spojení mezi vaším zařízením a operátorem je šifrované klíčem uloženým na SIM kartě. Šance, že někdo odposlechne a dešifruje váš packet, je prakticky stejná, jako u hovoru moderním mobilním telefonem. Protože mezi operátorem a vaším serverem bude IPSec tunel nebo spojení zabezpečené TLS, ani tam se nemusíte ničeho bát. Totéž platí pro schopnost packet podvrhnout.

Jak je asi jasné, když jsme začali mluvit o telco operátorech, neobejdete se bez peněz. Naštěstí nejsou ceny za datové tarify NB-IoT nijak drastické. Pokud chcete přenášet opravdu hodně dat, budete se pohybovat ve většině zemí kolem 1 € (resp. 1 $) za měsíc. K dispozici dostanete (v závislosti na operátorovi) buď rovnou RESTové API a callbacky nebo se bude vaše komunikace odehrávat na UDP vrstvě. Osobně preferuji druhou variantu, zabezpečenou s použitím IPSec. Pro slabší povahy je tady třeba Twilio.

Energetická úspornost

Energeticky je na tom NB-IoT lépe než všechny technologie, o kterých jsme už mluvili. Ale potřebujete k tomu podporu několika triků na straně sítě. Většina NB-IoT modulů si ve spánku bere řádově jednotky µA, nejnovější moduly se spokojí s 1–2 µA.

Power Saving Mode (PSM) dnes podporují snad všechny LTE sítě. Je to režim, v němž zařízení nevysílá, ale prakticky má nakonfigurované spojení se sítí. Při připojení se provede tzv. Random Access CHannel procedure (RACH), což je vlastně vyjednání vysílacího kanálu se základnovou stanicí a následně je navázáno Radio Resource Control (RRC), čímž běžná spotřeba stoupne u většiny modulů na nízké až střední desítky mA.

Modul podle specifikace nemůže RRC zahodit, to může udělat pouze základnová stanice po potvrzení expirace spojení ze strany sítě. Standardně je tento čas 20 sekund, ale v různých sítích může být nižší. Nemění to však nic na tom, že každá vteřina, po kterou musíte držet spojení, stojí často zbytečně energii. Pokud ovšem operátor implementoval Release Assistance Indication (RAI), máte štěstí. Při vysílání můžete říct, jak dlouho chcete čekat před odpojením. Důvodem je, že se vám může energeticky vyplatit počkat si na odpověď z druhé strany (třeba jen vteřinu nebo dvě). Pokud žádnou zprávu nečekáte, je možné stáhnout tento čas na nulu.

Aby to nebylo tak jednoduché, do hry vstupuje ještě tzv. paging, což je – velmi zjednodušeně – mechanismus, kterým síť může sdělit koncovému zařízení, že pro něj má zprávu. Paging interval je pak další nepříjemnost, kterou vůbec nepotřebujete u aplikací, kdy data pouze vysíláte. Pokud síť podporuje mechanismus eDRX, je možné modifikovat i paging interval (resp. stáhnout ho na nulu, pokud to síť dovolí). Reálně, v sítích, které implementovaly eDRX i RAI bude tedy spotřeba většiny modulů v řádu nízkých desítek mA po dobu vysílání a 1–2 µA po zbylý čas. Nutno samozřejmě připočíst ještě ztráty na anténě, které jsou závislé na její kvalitě a naladění.

Roaming a přenositelnost

Licenční pásmo s sebou logicky přináší otázku: Jak to bude za hranicemi? Mám pro vás špatnou zprávu. Roaming není. Tedy zatím. Ve vzduchu jsou však určité sliby a my se těšíme, až budou naplněny. Teoreticky by to mohlo být už někdy koncem roku 2019.

Pravdou je, že operátoři by jistě rádi realizovali příjmy z roamingu. Technicky to už umějí, jenže chybí obchodní dohody, protože chybí kritická masa zákazníků. Zatím tu jsou různí virtuální operátoři, ale neměl jsem dosud tu čest si některého z nich vyzkoušet.

U nadnárodních operátorů, kteří poskytují služby na globální úrovni, je možné s jednou službou (za jedny peníze) použít NB-IoT ve všech zemích, které už jsou pokryté.

Ceny

Začněme moduly. Ty jsou zatím nepatrně dražší, než u Sigfoxu, ale už se cenově blíží LoRaWAN. Potenciálně budou za 2–3 dolary, protože objem jejich výroby přesáhne (velmi pravděpodobně už letos) objem modulů všech dříve jmenovaných LPWAN technologií dohromady. Buď mají integrovanou anténu nebo ji pořídíte za pár dolarů. Paráda.

Na rozdíl od několika dalších technologií, o kterých jsme dříve mluvili, vás nečekají žádné specifické certifikace, pokud se nepustíte do vývoje vlastního komunikačního modulu.

A aby toho nebylo málo, tarify jsou na tom také velmi dobře. V Česku jsme už ve fázi plné produkce. Máte-li tisíce modulů a tarify kolem 150 kB měsíčně, dostanete se velmi hravě pod ceny Sigfoxu (a objemem přenesených dat ho přitom nejméně trojnásobně překonáte). Sice nemáte komfort REST API, musíte se smířit s UDP spojením, ale pokud to myslíte alespoň trochu vážně, nebude vám to vadit. Spíše naopak.

Závěr

Všechny LPWAN technologie, o kterých jsme mluvili, mají své opodstatnění. IQRF je velmi lokální, i když existuje několik jeho reálných využití za hranicemi EU.

LoRaWAN je mnohem rozšířenější, a hodí se spíše pro průmyslové použití v oblastech, kde není dobré pokrytí LTE (resp. NB-IoT) a nevadí, když se zákazník bude muset starat o další část infrastruktury a uvedení do provozu, které není tak docela samoinstalační.

Sigfox se – zejména díky vysokým cenám datově nejbohatších tarifů – hodí hlavně do jednoduchých měřičů, které komunikují jednou denně nebo jednou za přestupný uherský rok. Ideálním kandidátem je kouřové nebo záplavové čidlo, protože tam očekáváte komunikaci nejvýše jednou za celou dobu životnosti zařízení. Možná ještě čidlo monitorující otevření okna nebo naplnění poštovní schránky. Odvážnější výrobci, kteří vsadili na Sigfox v masivnějším měřítku, mi budou jistě odporovat a budou vytahovat svá skvělá zařízení, ale pravdou je, že konkurence je vysoká.

NB-IoT a další nastupující technologie, jako je LTE Cat M1, o které si třeba povíme někdy příště, umožňují výrobu miniaturních, cenově dostupných, energeticky nenáročných zařízení, která jsou navíc i samoinstalační a budou bez potíží fungovat kdekoli na světě. Navíc za směšný měsíční paušál – což zatím neplatí o žádné z předchozích LPWAN technologií. Naše zařízení si už můžete koupit tady.

Všechny články série:

IoT technologie: LPWAN, IQRF, LoRa, Sigfox, NB-IoT a jiná podivná slova (1/5)

IoT technologie: IQRF (2/5)

IoT technologie: LoRa a LoRaWAN (3/5)

IoT technologie: Sigfox (4/5)

IoT technologie: Do budoucnosti s operátory (5/5)