Piotr Domański 
Telekomunikacja to niesamowicie ciekawy temat. Tworzenie i wdrażanie funkcjonujących globalnie standardów, budowa sieci i odnajdywanie zupełnie nowych zastosowań dla rozwiązań, które daje – to wszystko ta sama działka. Przykładem, który bardzo dobrze to pokazuje jest IoT, czyli „Internet of Things” – system połączonych do światowej sieci urządzeń, komunikujących się między sobą, serwerami i nami. Zapewniając przepływ danych, użyteczność i wysoką automatyzację. Mówiliśmy o nim przy okazji 5G i wielokrotnie wcześniej na blogu, ale to tylko wierzchołek góry lodowej.
Zdecydowaliśmy się zaprosić Was do samego środka procesu testów (takich na serio ;-) ) i pokazać dylematy, przed którymi stoją pracujący nad nimi inżynierowie. W końcu to blog o telekomunikacji, prawda?
Obecnie komunikacja pomiędzy urządzeniami zachodzi głównie poprzez sieć 2G. Powody są banalne – transfer danych w tej sieci nie powala szybkością, ale przynajmniej nie skutkuje wyczerpaniem baterii w ciągu 24 godzin jak wielu współczesnych smartfonów. Zwraca na to uwagę w wielu komentarzach nasz blogowy kolega – Ron. Jednak sieć 2G doskonała nie jest, dlatego wielu z nadzieją patrzy na 5G. Zapominając o niewykorzystanym potencjale 4G na tym polu.
3GPP w służbie IoT (Internet of Things)
Pewnie pamiętacie, czym jest 3GPP – to międzynarodowa organizacja, która zajmuje się tworzeniem standardów telekomunikacyjnych. Dzięki niej mamy 3G, 4G LTE i trwające obecnie prace nad 5G.
Jeżeli spotykacie się z tą nazwą 3GPP raz pierwszy zajrzyjcie do tekstu: 5G – czy będzie rewolucja? 5Gotowi – odcinek 1
Warto tam zajrzeć, bo dzisiaj będzie sporo o standaryzacji i Release’ach (czyli kolejnych „fazach” standardu).
Kiedy 3GPP kończyło w ramach Release-12, czyli… 5 wersji standardu 4G LTE, prace nad Cat-0 kolegom, którzy zajmują się IoT pozostał niedosyt. Wiem, że numeracja jest dziwna, ale nie ja to wymyśliłem, dlatego idźmy dalej ;-) Był rok 2015 - już wtedy wiadomo było, że by ruszyć z IoT konieczna jest pewna rewolucja w myśleniu o sieci. Tutaj niezbędna jest mała dygresja - informacja o tym, czym jest wspomniane Cat-0. Jak się może domyślacie kategoria urządzeń w ramach sieci 4G LTE, oznaczająca między innymi szybkość transferu danych i obsługiwane funkcjonalności, np. agregację pasm. Większość z nas jest zadowolona, gdy posiadamy urządzenia z wyższą Cat (na przykład Cat 6 czy Cat 9) bo pozwala osiągnąć wyższą prędkość transferu w sieci mobilnej.
O agregacji pasma pisałem w dwóch tekstach, do których linki znajdziecie poniżej. Pamiętajcie jednak, że niektóre szczegóły – na przykład lista telefonów mogła ulec zmianie.
Więcej o kategoriach urządzeń znajdziecie w tekście: Telefony z agregacją pasma w Orange
Więcej o agregacji pasma znajdziecie w tekście: 40 MHz transferu, czyli o agregacji pasma 4G LTE
Jednak zajmującym się Internet of Things wcale nie zależy na wyciąganiu maksymalnych prędkości transferu. Dlatego stworzono Cat–0, czyli jak można się domyśleć kategorie urządzeń, charakteryzującą się bardzo niskim transferem i prostą konstrukcją.
Koniec tej dygresji, czas przejść do wspomnianej już rewolucji w myśleniu o sieci, która zaowocowała trzema rozwiązaniami:
Pierwsze: zróbmy coś nowego, odrębnego od dotychczasowych technologii
Drugie: zbudujmy coś wewnątrz obecnie najbardziej zaawansowanego systemu – LTE.
Trzecie: udoskonalmy system obecnie najszerzej wykorzystywany do IoT - GSM
Jak się później okazało wszystkie te systemy były standaryzowane równolegle i znalazły się w opublikowanym w połowie 2016 roku 3GPP Rel-13. Czyli kolejnej „fazie” telekomunikacyjnych standardów. Pierwsze rozwiązanie dało początek standardowi NB-IoT (NarrowBand IoT), drugie - eMTC (zwany potocznie LTE-M), a trzecie EC-GSM-IoT. Tę ostatnią zostawmy i zajmijmy się 4G LTE. Bo w końcu o tym miał być artykuł.
Ta sama organizacja standaryzacyjna (3GPP) i kilka technologii do tego samego celu, może to się wydawać dziwne. Ale nie jest tak, jeżeli dokładnie przyjrzymy się, co znalazło się w tych systemach w ramach Rel-13, jak również ewolucjach z Rel-14.
Mamy pierwsze składniki - potrzebę rynku (budowę Internet of Things maksymalnie szybko), posiadane możliwości (sieć 4G LTE) i dwa pomysły na zarządzenie przy jej pomocy komunikacją między urządzeniami.
Powiecie, że wszystko gotowe? Nic bardziej mylnego!
Teraz zaczyna się najlepsza zabawa – trzeba sprawdzić czy można te rozwiązania wdrożyć w realnie istniejącej sieci (a nie na papierze, czy w formie testu w laboratorium), ile to będzie kosztować i czy ktokolwiek będzie chciał za to zapłacić. Bo nawet najbardziej genialne rozwiązanie, jeżeli nie będzie opłacalne nie przebije się.
Co zatem jest brane pod uwagę, gdy zabieramy się za testy?
Pasmo i ulokowanie względem 4G LTE
Zacznijmy od częstotliwości. Zarówno NB-IoT jak i eMTC działa tutaj na innych zasadach. Nie obędzie się jednak bez garści wiedzy „branżowej”. Jeżeli mówimy o szerokości kanału 4G LTE to podstawowym pojęciem jest tzw. blok zasobów (ang. Physical Resource Block - PRB), który ma 180 kHz szerokości w dziedzinie częstotliwości. Oznacza to, że komunikacja pomiędzy stacją bazową (w sumie to w 4G LTE – eNodeB), a urządzeniem odbywa się co najmniej w takim zakresie większego wycinka pasma dostępnego dla operatora. Ta jednostka jest podstawą dla obu systemów.
NB-IoT pracuje w dokładnie takim paśmie – 180 kHz szerokości – co czyni go dość elastycznym. Od początku miał być zupełnie nowym rozwiązaniem, umożliwiając trzy tryby pracy – samodzielnie (we własnym paśmie), wewnątrz pasma 4G LTE (wycinając z niego jeden PRB potrzebny do obsłużenia urządzeń NB-IoT) bądź w paśmie ochronnym 4G LTE (pomiędzy dwoma różnymi nośnymi LTE).
Alternatywne rozwiązanie, czyli LTE-M pracuje zawsze wewnątrz pasma 4G LTE, korzystając z sześciu PRB, czyli z teoretyczną szerokością pasma 1,08 MHz. W tym przypadku nie ma jednak konieczności „wycinania” tego bloku z całego pasma dostępnego dla operatora. Stacja bazowa sama decyduje (mówiąc bardziej technicznie: dynamicznie przydziela zasoby) czy w danym momencie będzie obsługiwać nasze telefony i tablety (w ramach 4G LTE), czy też urządzenia IoT (dzięki LTE-M). By pokazać, jak niewielką część pasma zajmować może LTE-M dodam tylko, że klasyczne 4G LTE – to, z którego korzystamy, na co dzień na częstotliwości 800 MHz w kanale 10 MHz operuje na aż 50 PRB.
Czytaj także: Sieć szkieletowa cz. 1,5, czyli dlaczego poprzednio nie było nic o 4G LTE?
Podsumowując – albo węższe pasmo, ale kilka trybów działania, albo też pasmo szersze, lecz w nieco większym stopniu obciążające istniejącą sieć. Za obydwoma rozwiązaniami idą dalsze konsekwencje. Na przykład…
Przepływności – ile danych można przesłać
Możliwości transmisyjne wynikają bezpośrednio z pasma pracy. LTE-M jest systemem o maksymalnej przepływności 1 Mb/s, a realnie możemy mówić o transferach rzędu kilkuset kb/s. NB-IoT dla odmiany ma bardzo wąski kanał, który poza danymi z urządzeń musi przenosić informacje kontrolne samego systemu, dlatego też możemy w nim osiągnąć jedynie przepływności rzędu dziesiątek kb/s. Oczywiście są sytuacje, w których owe dziesiątki kb/s będą w zupełności wystarczać – przykładem są choćby czujniki zużycia wody czy prądu, które przesyłają niewielką paczkę danych raz na miesiąc. Na drugim końcu skali mogą być czujniki medyczne przesyłające na bieżąco dane organizmu, czy też czujniki pogody, możliwe do zastosowania chociażby w ramach naszego środowiska dla Smart City. Mnogość zastosowań w ramach IoT jest niezwykle duża, a co za tym idzie, wymagania transferu są różne. Znaczenie ma jednak także…
Zasięg – by czujnik w piwnicy złapał sieć
To olbrzymie wyzwanie. Czujniki IoT bardzo często funkcjonują w miejscach, gdzie zasięg jest bardzo ograniczony – na przykład w piwnicach. Wyzwaniem są także czujniki, które muszą być cały czas w zasięgu, na przykład wspomniane czujniki medyczne. Co by się stało, gdyby kontrolowany w taki sposób pacjent dostał na przykład zawału serca poza zasięgiem? Cały czas mocno inwestujemy w sieć, ale nie da się tego wykluczyć.
Czytaj więcej: Sieć #1 po pierwszym półroczu
Dlatego od początku postawiono przed nowymi systemami cel osiągnięcia zasięgu lepszego, niż stosowany w sieci 4G LTE, z której korzystamy obecnie. Rozwiązanie, które zastosowano jest proste, lecz uprzedzając wszystkich – trudne do zastosowania w obecnie funkcjonującej sieci. Zakłada ono, bowiem… wielokrotne powtórzenie tego samego sygnału. Czyli strategię karabinu maszynowego. Gdy wystrzelisz 100 pocisków któryś zapewne trafi w cel, nawet, jeżeli jest daleko i dobrze schowany. A co gdy, pocisków jest 2000? Właśnie tyle raz może być powtórzony sygnał w LTE-M. Oczywiście nie ma nic za darmo – odbija się do na opóźnieniach i pojemności systemu, bo wiele sił marnowanych jest na wielokrotne powtórzenia, ale w tym przypadku cel uświęca środku.
System NB-IoT (ten z węższym pasmem i trzema trybami pracy) przynajmniej na papierze osiąga nieco lepszy zasięg niż LTE-M. Jednak jak wiemy papier dużo przyjmie, a wszystko i tak wychodzi w praniu.
No właśnie… praniu.
Dlaczego zabieramy się na blogu za Internet of Things właśnie teraz?
W ostatnich dniach w polskim Orange Labs zostało wykonane pierwsze połączenie w technologii NB-IoT. Jest to ważny krok w kierunku zbadania tej technologii w celu późniejszego określenia czy i na ile spełni nasze oczekiwania dotyczące nowych wdrożeń IoT. Nie zamykamy się jednak na tą technologię i dlatego porównujemy do niej inne rozwiązania. Jak widzicie naszymi przemyśleniami dzielimy się z Wami na bieżąco i w gruncie rzeczy jesteście naocznymi świadkami testów. Nie jest to, jak się może wydawać eksperyment w laboratorium, lecz także pracochłonne ślęczenie nad danymi i rozważanie możliwych kierunków działania. Orange aktywnie uczestniczy w standaryzacji, aby być gotowym na rozwiązania, które dopiero nadejdą. Od ustanowienia standardu do jego wdrożenia mijają miesiące, a nawet lata, a obecnie znajdujemy się w okresie gdy technologie pod IoT są na tyle rozwinięte, że można je próbować przekuwać w realne usługi.
(nie pytajcie mnie o to do czego to służy ;-))
Ciąg dalszy nastąpi… a w nim o kasie, ostrej jeździe i prądzie. Czyli It's Electric jak śpiewała Metallica.
P.S. nie myślcie sobie, że jestem taki mądry. Ten tekst to w całości wiedza kolegów, którzy na co dzień zajmują się rozwojem naszej sieci mobilnej. Niektórzy z Was – Ci, którzy byli u nas na tegorocznym zlocie blogowym mieli okazję się z nimi spotkać i przyjrzeć się ich pracy ;-)
Wojtek Jabczyński 
Komentarze
A ja dalej będę przeciwnikiem podłączania wszystkiego do sieci. My paranoicy nie lubimy gdy szpieguje nas żelazko 😛
OdpowiedzPiotrze podesłałem maila. Sprawdź proszę i odpisz ok?
Odpisałem 😉 A co do podłączania do sieci – tu nikt nie mówi o żelazkach. Chodzi o samoloty, statki, drony, samochody i czujniki. Masę czujników.
OdpowiedzPiotrze dziś nie, ale jutro? Żelazko, buty, kurtka? Nierealne? Na pewno?
OdpowiedzGdy będzie miało sens i będzie opłacalne? Tylko, że prawdziwej zmiany w gospodarce nie zrobią skarpetki, które raportują do smartfona odkształcenia stopy w trakcie biegania 😉
OdpowiedzPiotrze kurtka, czujniki medyczne, masa czujników. Żelazko wymóg ubezpieczyciela podłączania do wifi domowego wszelkiego rodzaju niebezpiecznych sprzętów mogących spowodować np pożar. Buty specjalne np policyjne, trekingowe z możliwością pozycjonowania-kwestia zarządzania żołnierzami czy odnajdowanie turystów. Jest możliwość i każdy będzie chciał zarobić i szukał niszy.
OdpowiedzAkurat podłączenie żelazka do sieci to mega przydatna sprawa. Można go zdalnie wyłączyć jak się zapomni o tym wychodząc z domu
OdpowiedzPiszesz jakbyś z czegoś takiego korzystał, lub miał taki plan 😉
OdpowiedzKiedy planowany jest komercyjny start?
OdpowiedzMy tu na razie zastanawiamy się jakie rozwiązanie wybrać, a Ty nas pytasz o start komercyjny? Troszkę jeszcze na to za wcześnie 😉
OdpowiedzNo to trudny temat macie do rozgryzienia 🙂 Moim skromnym zdaniem jeśli tylko urządzenia na nowy system będą tanie (cena), takie jak te z 2G Only jestem za rozwiązaniem opartym na LTE.
OdpowiedzZacytuję tutaj kawałek tego wpisu, który jest podstawą do zmian komercyjnych: „Teraz zaczyna się najlepsza zabawa – trzeba sprawdzić czy można te rozwiązania wdrożyć w realnie istniejącej sieci (a nie na papierze, czy w formie testu w laboratorium), ile to będzie kosztować i czy ktokolwiek będzie chciał za to zapłacić. Bo nawet najbardziej genialne rozwiązanie, jeżeli nie będzie opłacalne nie przebije się”.
Podsumowując: rozwiązanie musi być opłacalne cenowo dla użytkownika końcowego. Rozwiązanie oparte na 4G czyli wewnątrz tego pasma z 6 PRB z 50 w 10MHz na 800 lub rozwój w systemy z 2G, które zaczyna być zapomniane. Jedna ważna uwaga jak zostało wspomniane 2G nie jest niezawodne, ale uważam, że absolutnie najmniej awaryjne. 🙂
@Piotrek, CBOS podał dane dotyczące korzystania z telefonów komórkowych. Warto zrobić wpis będzie ciekawie, który pokazuje, że 43% dalej korzysta z zwykłych telefonów komórkowych. Czyli głównie 2G w użyciu tych 43%. Dodatkowo przeglądanie internetu jest na 6 miejscu. 🙂
OdpowiedzRon, ja nadal się zasadzam na tekst o tym jak wyglądały rozmowy w 2G, 3G i 4G w ostatnim półroczu. Może wtedy wyciągnę ten temat 😉
OdpowiedzOk czekam na ciekawy wpis 🙂 3G będzie przed 2G w Voice, wszystko możliwe z powodu ilości smartfonów, ale jak głos przechodzi w ilości 20%-30% przez 2G, to będzie i tak dobrze i wciąż dużo 🙂
OdpowiedzA Orange w raporcie półrocznym podawał 69% smartfonów w sieci i ja bardziej wierzę w takie dane niż w sondaże CBOS’u na losowych ludziach gdzie mogli trafić w większości na osoby starsze.
OdpowiedzNo i ok, ale ważne przez jakie technologie (2G/3G/4GLTE) przechodzą rozmowy (procentowo)? To pytanie jest ważniejsze 🙂
OdpowiedzCzy Orange obsługuje standard LTE Cat 1 (nie mylić z Cat M1)?
OdpowiedzMamy kilka (dosłownie kilka) stacji, które testowo wspierają ten standard. Niedługo napiszemy więcej na ten temat na blogu.
Odpowiedz