1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
|
% Vysázení stránky s rozšířeným abstraktem
% (týká se pouze bc. a dp. prací psaných v angličtině, viz Směrnice rektora 72/2017)
\cleardoublepage
\noindent
{\Large\sffamily\bfseries\MakeUppercase{Rozšířený abstrakt}}
%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.
%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.
%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 nízkonákladoý trackovací zařízení. 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 zamyšlením nad možným využitím NB-IoT pro nanosatelity.
%\\
%Výtah ze směrnice rektora 72/2017:\\
%\emph{Bakalářská a diplomová práce předložená v angličtině musí obsahovat rozšířený abstrakt v češtině
%nebo slovenštině (čl. 15). To se netýká studentů, kteří studují studijní program akreditovaný v
%angličtině.}
%(čl. 3, par. 7)\\
%\emph{Nebude-li vnitřní normou stanoveno jinak, doporučuje se rozšířený abstrakt o rozsahu přibližně 3
%normostrany, který bude obsahovat úvod, popis řešení a shrnutí a~zhodnocení výsledků.}
%(čl. 15, par. 5)
%Tato semestrální práce provádí úvod do problematiky využití 4G a 5G mobilních sítí pro elektronická zařízení v oblasti internetu věcí (IoT).
%
%První část práce se zaměřuje na přehled IoT protokolů pro 4G a 5G mobilní sítě (NB-IoT, LTE-M, URLLC), které jsou speciálně navrženy tak, aby splňovaly požadavky moderních IoT zařízení, jako jsou nízká spotřeba energie, vysoký datový tok, nízké komunikační zpoždění, vysoká spolehlivost a škálovatelnost.
%
%Druhá část práce popisuje dva moderní čipsety použitelné pro konstrukci IoT zařízení s 4G/5G konektivitou - RM520N od firmy Quectel a nRF9160 od firmy Nordic Semiconductor, uvádí jejich základní parametry a přehled dostupných vývojových modulů z různých zdrojů.
%
%Třetí část práce demonstruje praktický příklad využití vývojového modulu nRF9160 DK jako komunikační základny kombinovaného elektronického zabezpečovacího a požárního systému (EZS/EPS) s LPWAN konektivitou, využívajícího 4 senzory (pohybový senzor PIR HC-SR501, senzor hořlavých plynů MQ-2, teplotní senzor LM35, magnetický senzor otevření dveří/okna DRV5033), s lokální signalizací simulovanou 4 LED na vývojovém modulu, možností uživatelské lokální (de)aktivace jednotlivých senzorů pomocí 4 tlačítek a přepínačů na vývojovém modulu a s přenosem poplachových dat pomocí MQTT protokolu na virtuální server simulující pult centrální ochrany (PCO).
%
%Závěrečnou částí semestrální práce je přehled náplně navazujícího bakalářského projektu, který se bude zabývat možnostmi využití 4G/5G mobilních sítí pro průmyslovou IoT komunikaci, s experimentálním měřením parametrů komunikace, jejich srovnáním s teoretickými předpoklady a jinými v současnosti používanými komunikačními systémy.
|
