diff options
Diffstat (limited to 'text')
| -rw-r--r-- | text/demohw.tex | 6 | ||||
| -rw-r--r-- | text/labina.tex | 6 | ||||
| -rw-r--r-- | text/mobil.tex | 7 | ||||
| -rw-r--r-- | text/prilohy.tex | 106 | ||||
| -rw-r--r-- | text/rozsireny_abstrakt.tex | 35 | ||||
| -rw-r--r-- | text/zaver.tex | 26 | ||||
| -rw-r--r-- | text/zhodnoceni.tex | 64 | ||||
| -rw-r--r-- | text/zkratky.tex | 80 |
8 files changed, 205 insertions, 125 deletions
diff --git a/text/demohw.tex b/text/demohw.tex index 1674037..0dd0e65 100644 --- a/text/demohw.tex +++ b/text/demohw.tex @@ -15,7 +15,7 @@ Electronic and PCB schemes with 3D render of PCB can be found in appendix \ref{a \begin{figure}[!h] \begin{center} - \includegraphics[width=0.5\textwidth]{obrazky/32_PCB3.JPG} + \includegraphics[width=0.9\textwidth]{obrazky/32_PCB3.JPG} \end{center} \caption[PCB of demonstrator tracker]{PCB of demonstrator tracker} \label{fig:pcb2} @@ -24,7 +24,7 @@ Electronic and PCB schemes with 3D render of PCB can be found in appendix \ref{a \begin{figure}[!h] \begin{center} - \includegraphics[width=0.5\textwidth]{obrazky/33_in_case1.JPG} + \includegraphics[width=0.9\textwidth]{obrazky/33_in_case1.JPG} \end{center} \caption[Demonstrator tracker in 3D printed case]{Demonstrator tracker in 3D printed case} \label{fig:pcb1} @@ -55,7 +55,7 @@ Publishing of message is achieved by function \texttt{mqtt\_publish()} upon a di \begin{figure}[!h] \begin{center} - \includegraphics[width=0.4\textwidth]{obrazky/mqttcom2.png} + \includegraphics[width=0.2\textwidth]{obrazky/mqttcom2.png} \end{center} \caption[Demo MQTT communication]{Sample of resulting MQTT communication} \label{fig:mqttcom} diff --git a/text/labina.tex b/text/labina.tex index 4664183..62dee1b 100644 --- a/text/labina.tex +++ b/text/labina.tex @@ -129,7 +129,7 @@ Its key features are \cite{ppkdatasheet}: The measurement setup of nRF9161 DK with PPK II in EMC chamber and addition attenuators can be seen in figure \ref{fig:ppkmeas}. Antennas connected to the other end of coaxial cable can be seen in figure \ref{fig:emcant}. These development kits from Nordic enable a direct connection of serial ampere meter using special pins. This is them main reason why both boards were chosen for this measurement. -\begin{figure}[H] +\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics[width=0.8\textwidth]{obrazky/nrfppkemc.jpg} \end{center} @@ -137,7 +137,7 @@ The measurement setup of nRF9161 DK with PPK II in EMC chamber and addition atte \label{fig:ppkmeas} \end{figure} -\begin{figure}[H] +\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics[width=0.6\textwidth]{obrazky/31_anthenna3.JPG} \end{center} @@ -273,7 +273,7 @@ $$ S is sensitivity in dBm, SF is LoRa speeding factor number, 2.5 is lowering of sensitivity in dB per SF and -137 is sensitivity of SX1262 for SF 12 in dBm. -These data were integrated into chart with measured data for NB-IoT and LTE-M as you can see in figure \ref{complora}. +These data were integrated into chart with measured data for NB-IoT and LTE-M as you can see in figure \ref{fig:complora}. \begin{figure}[H] \begin{center} diff --git a/text/mobil.tex b/text/mobil.tex index 5b4e29c..d2a1bf8 100644 --- a/text/mobil.tex +++ b/text/mobil.tex @@ -24,7 +24,7 @@ car humidity, resistance of gas sensor representing amount of for example volati All of these data joined by Python script were than used to create interactive maps for better data visualization. -An example of such map of reported signal power can be seen in figure \ref{mapaltem} for LTE-M and \ref{mapanbiot} for LTE-M. +An example of such map of reported signal power can be seen in figure \ref{fig:mapaltem} for LTE-M and \ref{fig:mapanbiot} for LTE-M. \begin{figure}[h] \begin{center} @@ -44,11 +44,10 @@ An example of such map of reported signal power can be seen in figure \ref{mapal Findings from thise sdata are: \begin{itemize} - \item LTE-M provided stable connection for transmission of packet about 0.5 kB in size every second with exception near Lipník na Bečvou where most likely due to change in network operating LTE band demonstrator lost connection for 1.5 minutes. This transition from band 8 to band 20 can be clearly seen in figure \ref{fig:mapaltemband}. - \item NB-IoT also provided fairly stable connection with 2 minute connection loss near Brno airport and nearly 2 minute loss between Nový Jičín and Hranice na Moravě at borderline of Olomouc and Moravian-Silesian region (whenever is this detail significant is not clear but the band change as in the LTE-M did not happened here). Last understandable signal loss was in tunnels in west Brno (different route than LTE-M due to traffic situation in Brno). + \item LTE-M provided stable connection for transmission of packet about 0.5 kB in size every second in speeds lesser than 130 km/h. Higher speed of due to highway laws and technical state of used car. With exception near Lipník na Bečvou where most likely due to change in network operating LTE band demonstrator lost connection for 1.5 minutes. This transition from band 8 to band 20 can be clearly seen in figure \ref{fig:mapaltemband}. + \item NB-IoT also provided fairly stable connection for at least 130 km/h with 2 minute connection loss near Brno airport and nearly 2 minute loss between Nový Jičín and Hranice na Moravě at borderline of Olomouc and Moravian-Silesian region (whenever is this detail significant is not clear but the band change as in the LTE-M did not happened here). Last understandable signal loss was in tunnels in west Brno (different route than LTE-M due to traffic situation in Brno). \end{itemize} - \begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics[width=1\textwidth]{obrazky/maplteband.png} diff --git a/text/prilohy.tex b/text/prilohy.tex index ea697fa..018ada6 100644 --- a/text/prilohy.tex +++ b/text/prilohy.tex @@ -4,30 +4,30 @@ \chapter{Result measurement - tables} \label{appendix:ltetables} -%\input{mereni/nbiot60_0_table} -%\input{mereni/nbiot60_64_table} -%\input{mereni/nbiot60_1024_table} -%\input{mereni/ltem60_0_table} -%\input{mereni/ltem60_64_table} -%\input{mereni/ltem60_1024_table} -%\input{mereni/nbiot61_0_table} -%\input{mereni/nbiot61_64_table} -%\input{mereni/nbiot61_1024_table} -%\input{mereni/ltem61_0_table} -%\input{mereni/ltem61_64_table} -%\input{mereni/ltem61_1024_table} +\input{mereni/nbiot60_0_table} +\input{mereni/nbiot60_64_table} +\input{mereni/nbiot60_1024_table} +\input{mereni/ltem60_0_table} +\input{mereni/ltem60_64_table} +\input{mereni/ltem60_1024_table} +\input{mereni/nbiot61_0_table} +\input{mereni/nbiot61_64_table} +\input{mereni/nbiot61_1024_table} +\input{mereni/ltem61_0_table} +\input{mereni/ltem61_64_table} +\input{mereni/ltem61_1024_table} \chapter{Result of measurement - charts} \label{appendix:ltecharts} -%\input{"mereni/compltem_charge_per_message_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compnbiot_charge_per_message_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compltem_data-rate_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compnbiot_data-rate_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compltem_maximal_transmit_current_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compnbiot_maximal_transmit_current_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compltem_average_transmit_current_to_rsrp"} -%\input{"mereni/compnbiot_average_transmit_current_to_rsrp"} +\input{"mereni/compltem_charge_per_message_to_rsrp"} +\input{"mereni/compnbiot_charge_per_message_to_rsrp"} +\input{"mereni/compltem_data-rate_to_rsrp"} +\input{"mereni/compnbiot_data-rate_to_rsrp"} +\input{"mereni/compltem_maximal_transmit_current_to_rsrp"} +\input{"mereni/compnbiot_maximal_transmit_current_to_rsrp"} +\input{"mereni/compltem_average_transmit_current_to_rsrp"} +\input{"mereni/compnbiot_average_transmit_current_to_rsrp"} \section{nRF9161} @@ -67,39 +67,39 @@ \section{nRF9160} -%\input{"mereni/komora1/both60Signal-NoiseRatiotoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60ReferenceSignalReceivedPowertoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Readycurrenttoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Chargepermessagetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Chargepermessagetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Chargepermessagetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Data-ratetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Data-ratetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Data-ratetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/both60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60ChargepermessagetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60ChargepermessagetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/both60ChargepermessagetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60Data-ratetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60Data-ratetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/both60Data-ratetoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/both60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/ltem60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/nbiot60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} -%\input{"mereni/komora1/both60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/both60Signal-NoiseRatiotoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60ReferenceSignalReceivedPowertoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Readycurrenttoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Chargepermessagetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Chargepermessagetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Chargepermessagetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Data-ratetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Data-ratetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Data-ratetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Transmittimetoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/both60Averagetrasmitcurrenttoattenuation"} +\input{"mereni/komora1/ltem60ChargepermessagetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60ChargepermessagetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/both60ChargepermessagetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/ltem60Data-ratetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60Data-ratetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/both60Data-ratetoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/ltem60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/both60MaximaltransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/ltem60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/nbiot60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} +\input{"mereni/komora1/both60AveragetransmitcurrenttoRSRP"} \chapter{Demonstrator electronic schemes} \label{appendix:demoapp} diff --git a/text/rozsireny_abstrakt.tex b/text/rozsireny_abstrakt.tex index bf70fb7..95a7e9d 100644 --- a/text/rozsireny_abstrakt.tex +++ b/text/rozsireny_abstrakt.tex @@ -2,16 +2,41 @@ % (týká se pouze bc. a dp. prací psaných v angličtině, viz Směrnice rektora 72/2017) \cleardoublepage \noindent -{\large\sffamily\bfseries\MakeUppercase{Rozšířený abstrakt}} +{\Large\sffamily\bfseries\MakeUppercase{Rozšířený abstrakt}} -Tato bakalářská práce se zabývá problematikou implementace moderních mobilních komunikačních technologií do vestavných zařízení. Cílem práce je detailně prostudovat a popsat základní principy fungování sítí 4G a 5G, konkrétně NB-IoT a LTE-M se zvláštním zaměřením na jejich aplikace v kontextu Internetu věcí (IoT) a nízkoenergetických zařízení. +%Rostoucí počet propojených zařízení internetu věcí (IoT) a jejich narůstající složitost kladou nové požadavky na dosah, spolehlivost a škálovatelnost komunikačních sítí. Mobilní sítě 4G a 5G nabízejí slibné řešení pro komunikaci s nízkou spotřebou energie na velké vzdálenosti nebo pro prostory s horším pokrytím jako jsou například sklepy podzemí. Výhody těchto nových protokolů se projeví i bez nutnosti většího dosahu a to především na možnosti snížení výkonu a tím šetřením energie a zároveň v zlepšení možnosti celé sítě obsloužit najednou výrazně větší množství zařízení. -Práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V teoretické části je popsána evoluce mobilních sítí, počínaje staršími generacemi a postupně se věnuje detailům technologií 4G, zejména LTE (Long-Term Evolution) a jejím variantám optimalizovaným pro IoT, jako jsou LTE-M (LTE for Machine-Type Communication) a NB-IoT (Narrowband IoT). Dále jsou rozebrány klíčové aspekty nastupující generace 5G sítí, včetně jejich architektury, frekvenčních pásem a potenciálu pro masivní nasazení IoT zařízení. Pozornost je věnována charakteristikám důležitým pro vestavné systémy, jako jsou nízká spotřeba energie, široké pokrytí, spolehlivost přenosu dat a bezpečnost. Diskutovány jsou rovněž relevantní komunikační protokoly a služby využívané v těchto systémech. +%Tato práce se zabývá základními principy mobilních sítí 4G a 5G se zaměřením na jejich architekturu, komunikační protokoly a specifické funkce relevantní pro případy užití v IoT. Dále analyzuje protokoly nízkoenergetických širokopásmových sítí (LPWAN), konkrétně NB-IoT, LTE-M a více okrajově i DECT NR+, zdůrazňuje jejich výhody, omezení a rozdíly ve srovnání s tradičními mobilními sítěmi. -Praktická část práce se soustředí na konkrétní implementaci a experimentální ověření vlastností vybraných komunikačních modulů. Autor pro tento účel využívá moderní vývojové platformy, konkrétně moduly nRF9160 a nRF9161 od společnosti Nordic Semiconductor, které integrují mobilní konektivitu (LTE-M/NB-IoT) a často také podporu pro globální polohové systémy (GPS/GNSS). Součástí praktické části je návrh a realizace demonstračního zařízení, jehož elektronická schémata jsou uvedena v příloze. Pro vyhodnocení výkonnostních parametrů autor provedl sérii měření zaměřených na různé aspekty, jako je spotřeba energie (pravděpodobně s využitím nástroje jako Nordic Power Profiler Kit II), kvalita přijímaného signálu (RSRP, SNR), rychlost datových přenosů a případně přesnost lokalizace. +%NB-IoT je specifická využitím ve spektra, kdy je možno ji nasadit ve frekvenčním ochranném pásmu existujících a vymezených LTE úseků. Tímto totiž mobilní operátor zvětší pokrytí a kapacitu své NB-IoT sítě bez jakéhokoliv omezení stávající infrastruktury a zákazníků. + +%DECT NR+ je zatím ještě novým protokolem, který jako první uznán jako nebuňkový 5G protokol. To znamená, že pro svoje fungování nepoužívá vysílače mobilních operátorů, ale síť si mezi sebou koordinují podle daného protokolu zařízení sama a shlukují se do takzvané mesh sítě. + +%Práce také poskytuje přehled čipsetů Nordic Semiconductor nRF9160 a nRF9161, spolu s recenzí komerčně dostupných vývojových modulů. Pro demonstraci praktického využití pomocí vybraného kitu vytvořit univerzální nízkonákladovou trackovací aplikaci, zaměřená na simulaci reálných scénářů, jako je vzdálené monitorování, chytré zemědělství, chytrá města a sledování majetku. Pro další praktické testování byl vybrán modul Connexio Pro. + +%Byly provedeny laboratorní experimentální měření zaměřená na klíčové komunikační parametry, jako je spotřeba energie, síla signálu a propustnost dat. Shromážděná data byla analyzována a porovnána s teoretickými očekáváními, stejně jako s jinými běžně používanými komunikačními systémy, za účelem vyhodnocení vhodností pro průmyslové IoT aplikace. Laboratorní měření ukázala LTE-M jako lepší protokol pro situace s normální sílou signálu. NB-IoT za excelovalo v jeho schopnostech komunikace při slabých signálech, kde již LTE-M vůbec nefungoval. + +%Byla provedena experimentální měření v terénu, aby se ověřila schopnost navržených scénářů komunikovat v mobilním prostředí. Tato vůči původnímu očekávání nevyvrátila nevhodnost NB-IoT pro pohyblivé aplikace a protokol ve valné většině případů bez problému fungoval i při rychlostech do 130 km/h. + +%Závěrem byly v diskuzi veškeré protokoly porovnány a navrhnuty scénáře pro jejich vhodné využití. Byli mezi nimi zmíněny i odvětví jako klasické IoT senzory, využití mobilních senzorů kombinovaných s trackery, zvdálený údržba pomocí přídavných seznorů zlepšujících diagnostiku, masivní využití IoT v průmyslu a elektrické převodové soustavě. Kapitola byla zakončena zamyšlení nad využitím NB-IoT v nanosatelitech. + +%Rostoucí počet propojených zařízení internetu věcí (IoT) a jejich narůstající složitost kladou nové, často protichůdné, požadavky na dosah, spolehlivost, bezpečnost a škálovatelnost komunikačních sítí. Klasické Wi-Fi nebo Bluetooth řešení často narážejí na limity dosahu a spotřeby energie, zatímco tradiční mobilní komunikace je pro mnohé IoT aplikace příliš nákladná a energeticky náročná. V tomto kontextu se mobilní sítě 4G a 5G ukazují jako slibné řešení, které nabízí pokročilé schopnosti pro komunikaci s nízkou spotřebou energie na velké vzdálenosti, nebo pro prostory s horším pokrytím, jako jsou například sklepy, podzemí, či hluboko uvnitř budov. Klíčové výhody těchto nových protokolů se však neprojeví pouze v rozšířeném dosahu. Jejich optimalizace se soustředí také na možnost výrazného snížení vysílacího výkonu, což vede k podstatným úsporám energie a prodloužení životnosti baterií zařízení. Zároveň dochází k významnému zlepšení celkové síťové kapacity, což umožňuje obsloužit najednou výrazně větší množství zařízení, což je kritické pro budování masivních IoT nasazení. Tím se otevírají zcela nové možnosti pro digitalizaci a automatizaci v širokém spektru průmyslových i spotřebitelských aplikací. + +Tato práce se detailně zabývá základními principy mobilních sítí 4G a nově nastupujících 5G se zaměřením na jejich základní architekturu, komunikační protokoly a specifické funkce, které jsou relevantní pro případy užití v IoT. Podrobně analyzuje protokoly nízkoenergetických širokopásmových sítí (LPWAN), konkrétně NB-IoT a LTE-M, a okrajově se dotýká i perspektivního DECT NR+. Zdůrazňuje jejich inherentní výhody, inherentní omezení a klíčové rozdíly ve srovnání s tradičními mobilními sítěmi, čímž poskytuje komplexní pohled na jejich vhodné uplatnění. + +NB-IoT (Narrowband IoT) je specifická svou optimalizací pro maximální pokrytí a minimální spotřebu energie. Využívá velmi úzké pásmo v LTE spektru, což umožňuje mobilním operátorům nasadit ji ve frekvenčním ochranném pásmu (guard band) nebo ve vyhrazených frekvenčních blocích v rámci stávajících LTE úseků. Tímto přístupem mobilní operátor může efektivně zvětšit pokrytí a kapacitu své NB-IoT sítě bez jakéhokoliv omezení stávající infrastruktury a služeb pro stávající LTE zákazníky, což minimalizuje investiční náklady a urychluje nasazení. Jejich síla spočívá v mimořádné schopnosti penetrace signálu a efektivní komunikace i za velmi nepříznivých podmínek. + +DECT NR+ představuje zatím ještě poměrně nový protokol, který byl jako první uznán jako nebuňkový 5G protokol v rámci standardů 3GPP. To znamená, že pro svoje fungování, na rozdíl od klasických mobilních technologií, nevyužívá centrální vysílače mobilních operátorů. Místo toho si zařízení v síti sama koordinují komunikaci podle daného protokolu a shlukují se do takzvané mesh sítě. Tato decentralizovaná architektura nabízí flexibilitu a možnost budování privátních sítí bez závislosti na mobilním operátorovi, což je atraktivní pro průmyslové areály nebo specifické podnikové aplikace. + +Práce také poskytuje detailní přehled vybraných čipsetů, konkrétně Nordic Semiconductor nRF9160 a jeho nástupce nRF9161. Součástí je i recenze komerčně dostupných vývojových modulů postavených na těchto čipech, což usnadňuje jejich praktické využití. Pro demonstraci praktického využití a ověření teoretických poznatků byl pomocí vybraného kitu vytvořen univerzální nízkonákladová trackovací destička. Tato aplikace byla zaměřena na simulaci reálných scénářů, jako je vzdálené monitorování zboží, chytré zemědělství (např. sledování a monitoring dobytku), aplikace v chytrých městech (např. monitorování úrovně naplnění kontejnerů) a sledování balíků v logistice. Pro další praktické testování byl vybrán modul Connexio Pro. + +S cílem zhodnocení výkonu a vhodnosti jednotlivých technologií byly provedeny rozsáhlé laboratorní experimentální měření. Tato měření se zaměřila na klíčové komunikační parametry, jako je spotřeba energie za různých podmínek, síla přijímaného signálu a propustnost dat. Shromážděná data byla analyzována a porovnána s teoretickými očekáváními, stejně jako s hodnotami získanými z jiných běžně používaných komunikačních systémů. Cílem bylo vyhodnotit jejich vhodnost pro specifické průmyslové IoT aplikace. Laboratorní měření ukázala, že LTE-M se jeví jako vhodnější protokol pro situace s normální až dobrou silou signálu, kde poskytuje vyšší datové rychlosti i lepší spotřebu energie. Naopak NB-IoT excelovalo ve svých schopnostech komunikace při velmi slabých signálech a v prostředí s vysokým útlumem, kde již LTE-M vůbec nefungoval, čímž potvrdilo svou optimalizaci pro hluboké pokrytí. + +Kromě laboratorních testů byla provedena i experimentální měření v terénu, aby se ověřila schopnost navržených scénářů komunikovat v reálném, mobilním prostředí. Tato měření přinesla překvapivé výsledky vůči původnímu očekávání. Nevyvrátila totiž nevhodnost NB-IoT pro pohyblivé aplikace, ba naopak ukázala, že protokol ve valné většině případů bez problému fungoval i při rychlostech do 130 km/h. To naznačuje, že i přes svou optimalizaci pro stacionární použití, může mít NB-IoT potenciál i v některých mobilních aplikacích, kde je kladen důraz na větší dosah tuto hypotézu je však potřeba lépe prozkoumat. + +Závěrem byly v diskuzi veškeré testované protokoly komplexně porovnány a na základě získaných dat byly navrženy konkrétní scénáře pro jejich nejvhodnější využití. Mezi těmito scénáři byly zmíněny i klíčová odvětví jako klasické IoT senzory pro monitoring prostředí, využití mobilních senzorů kombinovaných s trackery pro logistiku, vzdálená údržba pomocí přídavných senzorů zlepšujících diagnostiku strojů, masivní využití IoT v průmyslu pro monitorování výrobních procesů a kritické infrastruktury, a také v elektrické převodové soustavě pro chytré sítě. Kapitola byla zakončena fascinujícím zamyšlením nad potenciálním využitím NB-IoT v nanosatelitech. -Výsledky těchto měření jsou podrobně zdokumentovány v přílohách práce formou tabulek a grafů, zvlášť pro modul nRF9160 a nRF9161. V rámci diskuse autor analyzuje naměřená data, porovnává vlastnosti testovaných modulů a hodnotí jejich vhodnost pro nasazení v různých typech vestavných aplikací. Závěrem práce shrnuje dosažené poznatky, hodnotí splnění stanovených cílů a naznačuje možné směry budoucího vývoje a aplikační potenciál 4G/5G technologií v dynamicky se rozvíjející oblasti embedded systémů. %\\ %Výtah ze směrnice rektora 72/2017:\\ diff --git a/text/zaver.tex b/text/zaver.tex index 5316a0e..788040f 100644 --- a/text/zaver.tex +++ b/text/zaver.tex @@ -1,16 +1,18 @@ \chapter*{Conclusion} +\addcontentsline{toc}{chapter}{Conclusion} -This semestral thesis provided a brief introduction to 4G/5G mobile networks for the Internet of Things (IoT) applications in the embedded electronic systems. Related communication protocols for 4G IoT networks (LPWAN NB-IoT and LTE-M) and 5G IoT networks (5G NR - URLLC) were described and a survey of two selected chipsets for 4G networks (Nordic Semiconductor nRF9160) and 5G networks (Quectel RM520N) and their development modules and kits was made. +This thesis described the principles of 4G and 5G mobile networks focusing architecture, communication protocols, and specific features relevant to IoT use cases. +It further analyzed \ac{LPWAN} protocols NB-IoT, LTE-M and noncellular 5G protocol DECT NR+. -%One of the development kits (nRF9160 DK) was then used for practical demonstration of an IoT device with LPWAN connectivity on an example of a combined burglary and fire alarm system with 4 sensors, transferring data to a remote cloud server via MQTT protocol. This demo allowed to establish a firmware development base for 4G IoT devices based on nRF9160 System-in-Package and get familiarized with the software development kit by Nordic Semiconductor with Zephyr RTOS support. -% -%Since there seem to be issues with a delivery of the appropriate 5G development kit by Quectel, being ordered for several months already, it would be advisable to focus the follow-up bachelor thesis only to 4G communication kits with nRF9160 System-in-Package and to further explore extensive firmware possibilities of this system for reliable and secure industrial IoT communication, specifically: -% -%\begin{itemize} -% \item Firmware upgrades via FOTA (firmware over the air) -% \item Implementation of ARM TrustZone technology for firmware protection against unauthorized changes -% \item ARM CryptoCell solution for high-performance cryptography -%\end{itemize} -% -%Experimental parameters of IoT communication (power consumption, lattency, reliability, effective range in complicated urban environment) shall also be verified, comparatively for NB-IoT and LTE-M protocols. +After providing an overview of the Nordic Semiconductor nRF9160, nRF9161 and nRF9151 chipsets with a review of commercially available development modules. + +Based on this research, the Connexio Pro development kit was selected for its usage of new chipset, very small form-factor and integrated features suitable for rapid prototyping of IoT devices. + +To demonstrate practical usage, a universal low-cost tracking application was developed using the selected kit. This kit demonstrated function of rapid prototype of tracker of smart sensor. + +Laboratory experimental measurements were done on nRF9160 and nRF961 using all supported protocol (NB-IoT, LTE-M, DECT NR+), focusing on key communication parameters such as power consumption measured by Nordic Power Profiler II, signal strength measured by the LTE modem itself, and data throughput calculated from combination of these. The collected data were arranged, extensively visualized and compared with theoretical expectations and to the LoRa technology. + +The mentioned demonstrator was than used in field experimental measurements were carried out using car on highway to verify ability of suggested scenarios to communicate in mobile setting. + +Important parts of findings throughout this theses were summarized in discussion chapter with comparison of mentioned protocols and outline of IoT scenarios with suggested appropriate protocols. diff --git a/text/zhodnoceni.tex b/text/zhodnoceni.tex index fcd96d1..5eb493a 100644 --- a/text/zhodnoceni.tex +++ b/text/zhodnoceni.tex @@ -1,8 +1,64 @@ \chapter{Discussion and usage scenarios} \label{chap:drysty} +\section{Comparison of discussed technology} -\begin{itemize} - \item Scénáře použití IoT, vhodnost jednotlivých druhů komunikace pro ně Navrhněte scénáře a možnosti využití 4G/5G komunikace a využívaných standardů (URLLC, LTE-M, NB-IoT) pro průmyslovou IoT komunikaci. +This section will comment on - \item Srovnání experimentálnách výsledků protokolů s teoretickými předpoklady Proveďte detailní měření parametrů. Získané údaje zpracujte a srovnejte s teoretickými předpoklady a jinými v současnosti používanými komunikačními systémy. -\end{itemize} +\subsection{NB-IoT} + +NB-IoT is best suitable for non-moving low speed low power devices where is possibility of conditions of very bad LTE coverage or placement in locations with high RF shielding such as basements or underground and every dB of signal is appreciated. + +Mobile communication is possible but should be approached with cautious when dealing with critical application. + +It is very comparable to LoRa and the choice between them depends large on other factors than purely radio properties. +Huge decisive factor are: size of anticipated area of service, coverage of cellular network by mobile operators, initial cost of modules and their yearly running cost, special needs and hacks that would need custom gateway. + +\subsection{LTE-M} + +LTE-M is optimally suited for moderate-speed, low-power embedded devices that require reliable mobile connectivity and higher data throughput than NB-IoT, but still benefit from extended battery life compared to traditional LTE. When in its signal range where it can safely communicated it should be preferred over NB-IoT because of its lower power demands and higher data speed. + +It is effective in scenarios where devices might experience fluctuating signal conditions, high mobility or need to send larger data packets periodically. + +\subsection{DECT NR+} + +DECT NR+ waits for itself to matured and be used in application not clearly foreseen now. Its very low latency with ability to maintain connectivity of very large and dense network of devices would enable it to be game changer in massive IoT applications described below. + +\section{Scenarios of IoT applications and recommended protocol} + +This section will shift focus from particular protocol to possible scenarios in various industry sectors and evaluate best protocol from this point of view. + + +\subsection{Classic stationary IoT} + +The most ubiquitous form of IoT are devices such as simple sensors such as remote environmental of river water level or remote reading of home water meters. This category includes even slightly more complex devices such as control of street lamps, control of different gates. For new application like these the choice of communication technology would have negligible impact on performance of the device. Only in places with limited coverage of cellular network some larger considerations will be needed. + +\subsection{Mobile IoT} + +For scenarios involving tracking, wearables, and mobile smart metering in areas such a smart agriculture or logistics LTE-M or possibly NB-IoT would be most suitable choices for their universal adaption and ability to communicate even while moving. + +\subsection{Remote tracking} + +There starts to emerge a new way of doing maintenance or at least diagnostics of different machines on remote using integrated IoT devices. This would save time and money of maintenance workers that would not need travel to diagnostics a trivial problem from their view. Suggestion of protocol is dependent on required data usage and LTE coverage for typical installation of such project. + +\subsection{Massive critical industrial IoT} + +Smart grid - A massive number of smart meters and controllers deployed across residential, commercial, and industrial sites, providing real-time data on energy consumption and grid conditions. +This could lead to possibility to optimize the power distribution to the point where residential user could access benefits of spot market both on consumption and on production side. + +Machine Health Monitoring - Connection of virtually every machine in a large production line with sensors to monitor performance, vibration patterns, power consumption, and production output. This enables predictive maintenance, reduces unexpected breakdowns, and optimizes production schedules. Cost of the additional IoT devices would in most scenarios be far lesser that the possibility of machine prenamenet damage or production delay due to not foreseen maintenance. This would could lead to massive adaption of these sensors and need for more robust protocols. DECT NR+ is from the list of mentioned protocols ideal choice + +\subsection{Low Earth orbit satellites} + +Attenuation of frequency around 800 MHz to Low Eart Orbit around 400 - 1500km is about 144 dB to 154 dB. LoRa is already used in some of these satellites as cost effective way to communicate with a satellite without the need for expensive ground station. NB-IoT demonstrated to be able to manage attenuation of very similar magnitude. Use of NB-IoT to space and imagining nano satellites as new frontier of IoT devices is certainly very pleasing but any such attempt would need at least some support from at least one of established mobile operators. Until then established communication manners with occasional LoRa will prevail. + +\section{Future work} + +This section outlines some parts that would benefit from expansion of current data or repetition of existing experiment with slight tweaking. + +\subsubsection{Direct comparison to LoRa} + +Extension of LoRa measurements to comparable RF measurements with power consumption for fairer direct comparison of that and LTE protocols. + +\subsubsection{Mobile usage with very low signal streght} + +Check if the advantage of NB-IoT over LTE-M for weak signal decode is still present when the devices are moving and if speed has influence to it diff --git a/text/zkratky.tex b/text/zkratky.tex index 87faef1..2b12f12 100644 --- a/text/zkratky.tex +++ b/text/zkratky.tex @@ -7,45 +7,50 @@ \acro{3GPP}{3rd Generation Partnership Project} \acro{4G, 5G}{4th and 5th Generation mobile networks} \acro{ADC}{Analog-Digital Converter} + \acro{CSS}{chirp spread spectrum} \acro{DL}{Downlink} \acro{E2E}{End-to-End} - \acro{eMBB}{Enhanced Mobile Broadband} - \acro{eSIM}{embedded SIM card} + \acro{FSPL}{Free space path loss} \acro{GNSS}{Global Navigation Satellite System} \acro{GPIO}{General-Purpose Input/Output} + \acro{GSM}{Global System for Mobile communications} \acro{HAL}{Hardware Abstraction Layer} \acro{HRLLC}{Higher-Reliability and Low-Latency Communication} \acro{I2C}{Inter-Integrated Circuit} - \acro{IoT}{Internet of Things} \acro{IP}{Internet Protocol} - \acro{LE}{Low Energy} + \acro{IoT}{Internet of Things} \acro{LED}{Light Emitting Diode} + \acro{LE}{Low Energy} \acro{LGA}{Land Grid Array} - \acro{Li-ion}{Lithium-Ion} - \acro{Li-Po}{Lithium-Polymer} \acro{LPWAN}{Low-Power Wide-Area Network} \acro{LTE-M}{ Long-Term Evolution Machine Type Communication} \acro{LTE}{Long-Term Evolution} - \acro{mMTC}{Massive Machine Type Communications} + \acro{Li-Po}{Lithium-Polymer} + \acro{Li-ion}{Lithium-Ion} + \acro{LoRaWAN}{Long-Range wide area network} + \acro{LoRa}{Long-Range} + \acro{M2M}{Machine-to-Machine} \acro{MQTT}{Message Queuing Telemetry Transport} \acro{NB-IoT}{Narrowband Internet of Things} \acro{NFC}{Near-Field Communication} \acro{NSA}{ Non-Stand Alone} - \acro{PC}{Personal Computer} \acro{PCB}{Printed Circuit Board} \acro{PCIe}{Peripheral Component Interconnect Express} + \acro{PC}{Personal Computer} \acro{PDM}{Pulse-Density Modulation} \acro{PIR}{Passive Infra Red} \acro{PWM}{Pulse-Width Modulation} \acro{RAN}{Radio Access Network} + \acro{RF}{Radio Frequency} \acro{RGB}{Red Green Blue} \acro{RTC}{Real-Time Clock} \acro{SA}{Stand-alone} \acro{SDK}{Software development kit} \acro{SIM}{Subscriber Identity Module} - \acro{SiP}{System-in-Package} \acro{SMA}{Subminiature Version A} + \acro{SMS}{Short Message Service} \acro{SPI}{Serial Peripheral Interface} + \acro{SiP}{System-in-Package} \acro{TCP}{Transmission Control Protocol} \acro{TLS}{Transport Layer Security} \acro{UART}{Universal Asynchronous Receiver-Transmitter} @@ -53,44 +58,37 @@ \acro{URLLC}{Ultra-reliable and Low-latency Communication} \acro{USB}{Universal Serial Bus} \acro{WDT}{Watch Dog Timer} - - \acro{FSPL}{Free space path loss} - \acro{RF}{Radio Frequency} - \acro{GSM}{Global System for Mobile communications} - \acro{SMS}{Short Message Service} - \acro{M2M}{Machine-to-Machine} - \acro{LoRa}{Long-Range} - \acro{LoRaWAN}{Long-Range wide area network} - \acro{CSS}{chirp spread spectrum} - \acro{WPAN}{wireless personal area network} - \acro{WLAN}{wireless local area network} - \acro{P2P}{point-to-point} - \acro{UNB}{Ultra Narrowband} - \acro{NTN}{Non Terrestrial Network} - \acro{SoC}{System on a Chip} + \acro{eMBB}{Enhanced Mobile Broadband} + \acro{eSIM}{embedded SIM card} + \acro{mMTC}{Massive Machine Type Communications} + \acro{2G}{2nd generation of cellular networks} \acro{BTS}{Base Transceiver Station} - \acro{NCS}{Nordic Core SDK} - \acro{MoSh}{Modem Shell} - \acro{RFFE}{Radio Frequency Front End} + \acro{DECT NR+}{Digital Enhanced Cordless Telecommunications: New Radio plus} + \acro{DECT}{Digital Enhanced Cordless Telecommunications} + \acro{ETSI}{European Telecommunications Standards Institute} + \acro{FDMA}{Frequency-Division Multiple Access} \acro{FOTA}{Firmware Over The Air} \acro{GPS}{Global Positioning System} - \acro{QZSS}{Quasi-Zenith Satellite System} - \acro{SNR}{Signal to Noise Ration} - \acro{RSRP}{Reference Signal Received Power} - \acro{PPK II}{Nordic Power Profiler Kit II} - \acro{ICMP}{Internet Control Message Protocol} - \acro{2G}{2nd generation of cellular networks} - \acro{MAC}{Medium Access Control} - \acro{SC-FDMA}{Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access} - \acro{FDMA}{Frequency-Division Multiple Access} - \acro{TDMA}{Time-Division Multiple Access} - \acro{DECT}{Digital Enhanced Cordless Telecommunications} - \acro{DECT NR+}{Digital Enhanced Cordless Telecommunications: New Radio plus} \acro{HARQ}{Hybrid Automatic Repeat Request} - \acro{ETSI}{European Telecommunications Standards Institute} + \acro{ICMP}{Internet Control Message Protocol} \acro{ITU}{International Telecommunication Union} - \acro{TDD}{Time-Division Duplex} + \acro{MAC}{Medium Access Control} + \acro{MoSh}{Modem Shell} + \acro{NCS}{Nordic Core SDK} + \acro{NTN}{Non Terrestrial Network} + \acro{P2P}{point-to-point} \acro{PDU}{Protocol Data Unit} + \acro{PPK II}{Nordic Power Profiler Kit II} + \acro{QZSS}{Quasi-Zenith Satellite System} + \acro{RFFE}{Radio Frequency Front End} + \acro{RSRP}{Reference Signal Received Power} \acro{RSSI}{Received signal strength indicator} + \acro{SC-FDMA}{Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access} + \acro{SNR}{Signal to Noise Ration} + \acro{TDD}{Time-Division Duplex} + \acro{TDMA}{Time-Division Multiple Access} + \acro{UNB}{Ultra Narrowband} + \acro{WLAN}{wireless local area network} + \acro{WPAN}{wireless personal area network} \end{acronym} |