Mikä on LTE? Kattava opas

Erityisesti esineiden internetin (IoT) osalta LTE ja sen vähävirtaiset versiot muodostavat yhteyskerroksen, joka mahdollistaa kaiken pohjoismaisten bussipysäkkien digitaalisista opasteista norjalaisten kalankasvatuslaitosten vedenalaisiin robotteihin, kuten jäljempänä esitetyt Com4:n asiakasesimerkit osoittavat.

LTE yksinkertaisesti selitettynä

LTE on 4G-langaton standardi, joka on kehitetty tarjoamaan huomattavasti nopeampia datanopeuksia ja pienempää viivettä kuin sitä edeltäneet 3G-verkot. Se on suunniteltu alusta alkaen dataa varten, mukaan lukien verkkoselaaminen, videot ja yhä useammin verkkoon liitetyt laitteet, sen sijaan että se olisi rakennettu ensisijaisesti äänipuheluita varten ja mukautettu myöhemmin datan käyttöön.

Jokapäiväisessä käytössä termejä ”LTE” ja ”4G” pidetään usein synonyymeinä. Teknisesti LTE oli ensimmäinen askel kohti todellisia 4G-nopeuksia, ja myöhemmät parannukset (LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro) kavensivat kuilua täyteen 4G-standardiin. Käytännössä se tarkoittaa, että kun laitteessa tai peittokartalla näkyy ”LTE”, olet 4G-luokan verkossa.

Miten LTE toimii

LTE-verkot käyttävät tasaisempaa ja tehokkaampaa arkkitehtuuria kuin aiemmat matkapuhelintekniikan sukupolvet. Sen sijaan, että puhelut ja data reititettäisiin useiden kytkentälaitteiden kerrosten läpi, LTE siirtää suuremman osan verkon älykkyydestä tukiasemille (ns. eNodeB:t) ja yhdistää ne suoremmin runkoverkkoon (Evolved Packet Core, EPC). Tämä tasaisempi rakenne vähentää datan välitysvaiheiden määrää, mikä lyhentää viivettä.

LTE:n suorituskyvyn taustalla on muutama tekninen peruselementti:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). LTE jakaa radiokanavansa moniin kapeisiin alikantoaaltoihin, jolloin verkko voi jakaa kaistanleveyttä tehokkaasti useille kytketyille laitteille kerralla, mikä on tärkeää, kun satoja IoT-laitteita jakaa saman solun.
• Kantoaaltoyhdistelmä. Uudemmat LTE-toteutukset voivat yhdistää useita taajuuskaistoja yhdeksi yhteydeksi, mikä lisää käytettävissä olevaa kaistanleveyttä ilman uutta taajuusaluetta.
• FDD- ja TDD-variantit. LTE voi toimia taajuusjakoduplex-tilassa (erilliset taajuudet lähetykselle ja vastaanotolle, yleistä Pohjoismaissa) tai aikajakoduplex-tilassa (jaettu taajuus, jaettu ajan mukaan), riippuen operaattorin käytettävissä olevasta taajuusalueesta.
• LTE-M (LTE Cat-M1) on vähävirtainen LTE-versio, joka on kehitetty erityisesti IoT-laitteille, jotka tarvitsevat kohtuullisia datanopeuksia, liikkuvuustukea ja pitkää akunkestoa. Esimerkkeinä voidaan mainita ajoneuvoseurantalaitteet, maksupäätteet ja puettavat laitteet.
• NB- on samankaltainen, mutta vieläkin pienemmällä teholla ja kapeammalla kaistalla toimiva standardi, joka on optimoitu kiinteille antureille, jotka lähettävät pieniä määriä dataa harvoin, kuten älymittarit.
• Tavallisella LTE:llä (Cat-1 ja sitä korkeammat) on edelleen käyttöä IoT-laitteissa, jotka tarvitsevat suurempaa siirtonopeutta, kuten digitaaliset opasteet, jotka suoratoistavat päivitettyä sisältöä, tai verkkoon liitetyt kassajärjestelmät.

Yhdessä leveämpien taajuuskanavien ja taajuuksien tehokkaamman käytön kanssa juuri tämä antaa LTE:lle nopeus- ja reagointikykyedun 3G:hen verrattuna.

LTE-luokat ja nopeustasot

Kaikki LTE-yhteydet eivät ole samanlaisia. LTE-standardi määrittelee useita ”UE-luokkia” (laiteluokkia), joista jokaisella on erilainen tasapaino nopeuden, monimutkaisuuden ja virrankulutuksen välillä. Tällä on suora vaikutus IoT-laitteiston valintaan:

Useimmat kuluttajalaitteet käyttävät Cat-4:ää tai sitä korkeampaa luokkaa. Useimmat IoT-sovellukset eivät tarvitse niin suurta kaistanleveyttä, ja alemman LTE-luokan, kuten Cat-1:n, Cat-M1:n tai Cat-NB1:n, valitseminen tarkoittaa yleensä edullisempia moduuleja, pienempää virrankulutusta ja pidempää akunkestoa ilman, että joudutaan tinkimään vakiintuneen 4G-infrastruktuurin tarjoamista peittoalueen eduista.

Miksi LTE on edelleen tärkeää IoT:lle

Operaattorit rakensivat tuon jaetun infrastruktuurin tarkoituksella. LTE kehitettiin alun perin mobiililaajakaistakäyttöön, ei akkukäyttöisille antureille, jotka lähettävät muutamia satoja tavuja päivässä. 3GPP lisäsi virransäästötilan, eDRX:n ja kapeakaistatilat sovittaakseen verkon uuteen kysyntään.

Operaattoreilla oli selkeät syyt laajentaa LTE:tä tällä tavalla sen sijaan, että olisivat rakentaneet jotain erillistä:

• Olemassa oleva peittoalue: Operaattorit olivat jo investoineet miljardeja valtakunnalliseen LTE-verkkoon, ja IoT-laitteet pystyivät hyödyntämään sitä välittömästi.

• Ohjelmisto laitteiston sijaan: Monet tukiasemat saivat IoT-tuen päivityksen avulla, ilman uusia laitteita.

• Lisensoitu taajuusalue: Häiriöriski pysyi alhaisena, mikä oli tärkeä tekijä teollisuuden ja yleishyödyllisten palvelujen SLA-sopimuksissa.

• Sisäänrakennettu tietoturva: SIM-korttiin perustuva todennus antoi jokaiselle laitteelle saman laitteistopohjaisen luottamuksen perustan, jota operaattorit jo käyttivät puhelimissa.

2G- ja 3G-verkkojen käytöstäpoisto muutti tämän edun vaatimukseksi. GSA:n mukaan yli 300 verkon sulkemista on saatu päätökseen, suunniteltu tai käynnissä noin 90 maassa vuoden 2026 puoliväliin mennessä. Pohjois-Amerikassa sulkemiset on pääosin saatu päätökseen vuoteen 2023 mennessä, ja Euroopassa 3G-verkot lakkautetaan 2020-luvun loppupuolella. Laitteet, jotka toimivat edelleen näillä vanhoilla verkoilla, tarvitsevat uuden yhteyden. LTE, LTE-M ja NB-IoT ovat suorat korvaavat ratkaisut, jotka on jo integroitu samoihin operaattorisuhteisiin ja peittoalueisiin.

Miten LTE-pohjaiset IoT-laitteet todella säästävät virtaa

LTE kehitettiin älypuhelimille, jotka ovat aktiivisia koko päivän ja latautuvat yöllä. Paristokäyttöiset IoT-anturit toimivat eri tavalla. Ne lähettävät dataa harvoin ja tarvitsevat yhdeltä paristolta useiden vuosien käyttöiän. Virransäästötila (PSM) ja laajennettu jaksottainen vastaanotto (eDRX) ovat kaksi 3GPP-standardia, jotka kurovat tämän kuilun umpeen.

3GPP-versiossa 12 esitelty virransäästötila (Power Saving Mode) antaa laitteelle mahdollisuuden neuvotella verkoston kanssa kahdesta ajastimesta. Tietojen lähettämisen jälkeen laite pysyy tavoitettavissa lyhyen aktiivisen ajastimen (Active Timer) ajan, minkä jälkeen se siirtyy syvään lepotilaan. Laite pysyy rekisteröitynä, jolloin se välttää täydellisen uudelleenkytkennän herätessään. Lepovirta laskee alhaiselle yksinumeroiselle mikroampeerin alueelle, ja suurin lepoaika on 413 päivää.

Release 13:ssa lisätty eDRX pitää laitteen kuuntelemassa verkkoviestejä lyhyesti pidemmillä aikaväleillä sen sijaan, että radio sammutettaisiin kokonaan. LTE-M-laitteet voivat pidentää tätä jaksoa yli 40 minuuttiin, jolloin virransäästöä vaihdetaan nopeampaan tavoitettavuuteen.

Useimmissa käyttöönotoissa yhdistetään molempia. LTE-M-laite ilman virransäästöä kuluttaa jatkuvasti yli 1 mA. Kun PSM ja eDRX ovat käytössä, keskimääräinen virrankulutus laskee kymmeniin mikroampeereihin. Se on ero kuukausien ja vuosien akunkeston välillä.

LTE-pohjaisen IoT:n käytännön käyttötapauksia

Älykkäät mittarit

Kreikan kansallinen sähkönjakelija HEDNO on ottamassa käyttöön NB-IoT- ja LTE-M-tekniikkaa 7,7 miljoonassa mittarissa, joissa lukemat otetaan 15 minuutin välein ja sähkökatkokset havaitaan etäyhteyden kautta. Ruotsissa Telia on kytkenyt yli kaksi miljoonaa älymittaria LTE-M (Cat-M1) -tekniikan avulla muun muassa E.ON-, Ellevio- ja Kraftringen-yhtiöille.

Omaisuuden ja ajoneuvokannan seuranta

LTE-M ja Cat-1 mahdollistavat liikkuvuuden. Laitteet siirtyvät solusta toiseen liikkuessaan, jolloin telemetria pysyy lähes reaaliaikaisena. Logistiikka, rakennuskoneet ja rajat ylittävä rahdin seuranta perustuvat tähän yhdistelmään.

Tarkkuusmaatalous

Maaperän kosteus-, lämpötila- ja kastelusensorit pysyvät paikallaan vuosia ja lähettävät pieniä lukemia ennalta määrätyn aikataulun mukaisesti. LTE-M ja NB-IoT yhdessä PSM:n ja eDRX:n kanssa tarjoavat yleensä 5–15 vuoden akunkeston, mikä vähentää akkujen vaihtokäyntejä suurilla pelloilla.

Muita käyttötapauksia

Älykaupunkien anturit seuraavat ilmanlaatua, melua ja pysäköintitilannetta. Teollisuuden valvonta kattaa putkistot, säiliöt ja laitteet vaikeapääsyisissä paikoissa. Kylmäketjun seuranta raportoi lämpötilan ja kosteuden ennalta määritetyn aikataulun mukaisesti tai raja-arvojen ylittyessä.

Jokainen näistä käyttötapauksista perustuu samoihin kolmeen LTE:n vahvuuteen: olemassa olevaan peittoalueeseen, SIM-korttiin perustuvaan tunnistautumiseen ja verkkotason tietoturvaan, joita LoRaWANin kaltaiset lisensoimattomat teknologiat eivät tarjoa valmiina.

LTE ja LTE-M pohjoismaisissa IoT-käyttöönotoissa: Com4:n asiakasesimerkkejä

Selkein tapa ymmärtää, mihin LTE-pohjainen yhteys todella mahdollistaa, on tarkastella, miten sitä käytetään nykyään. Nämä esimerkit ovat kaikki todellisia Com4:n asiakkaita, ja ne kattavat tavallisen LTE:n, LTE-M:n sekä LTE-pohjaisen kiinteän langattoman yhteyden.

ZetaDisplay: digitaalisten opasteiden pitäminen verkossa koko Pohjoismaissa. ZetaDisplayn näytöt toimivat paikoissa, joihin kiinteiden linjojen asentaminen on vaikeaa tai mahdotonta, kuten bussipysäkeillä, Oslon lentokenttäjunassa sekä Oslon päärautatieaseman Euroopan suurimmalla digitaalisella infotaululla. Jokaisessa näytössä yhdistyvät teollisuuskäyttöön tarkoitettu 4G-modeemi ja Com4-SIM-kortti, mikä takaa näytölle turvallisen, jatkuvasti toimivan yhteyden pilvipohjaiseen sisällönhallintajärjestelmäänsä silloinkin, kun Wi-Fi-yhteys tai kuituverkko eivät ole luotettavia vaihtoehtoja. Kaikki liikenne on suojattu VPN:llä ja salauksella, ja aikakriittiset tiedot, kuten junien lähtöajat, voidaan päivittää sekunneissa.

Just Eat Norja: mobiiliyhteydet valtakunnallisen kioskiverkoston ylläpidossa. Just Eatin Norjan-toiminta siirtyi faksilaitteista ISDN-verkkoon ja sieltä edelleen mobiiliverkkoihin pääasiallisena viestintätapana. Com4:n yhteysratkaisut tuovat nyt vanhemmat kioski- ja päätelaitteet verkkoon ympäri maata, yhdistämällä jokaisen laitteen keskusjärjestelmään, jota ravintolakumppanit käyttävät tilausten hallintaan ja tietojen päivittämiseen. Just Eatin mukaan tuloksena on ollut vakaa käytettävyys ilman yhteyskerrokseen liittyviä käyttökatkoksia.

Soundsensing: LTE-M tiheästi rakennetuissa rakennuksissa käytettäville pienikokoisille antureille. Soundsensing valmistaa antureita, jotka kuuntelevat rakennusten laitteita, kuten ilmanvaihtojärjestelmiä, ja käyttävät koneoppimista epätavallisten äänien tunnistamiseen ennen laitteiden vikaantumista. Anturit ovat pieniä ja asennetaan usein kellareihin, minkä vuoksi LTE-M sopii niihin erinomaisesti: se tarjoaa riittävän kaistanleveyden anturien tarpeisiin, erinomaista energiatehokkuutta pitkän akunkeston takaamiseksi sekä syvemmän tunkeutumiskyvyn rakennuksiin, jota LTE-M:n rakenne tukee. Soundsensingillä on nyt yli 1 500 anturia käytössä 150 rakennuksessa, mukaan lukien Statsbyggin ja Oslon kaupungin kohteet, jotka toimivat Com4:n LTE-M-yhteyden kautta.

Remora Robotics: matkapuhelinverkko ja kiinteä langaton yhteys reaaliaikaiseen seurantaan. Remoran itsenäisesti toimivat vedenalaiset robotit puhdistavat kalankasvatushäkkejä norjalaisissa vesiviljelylaitoksissa, ja niiden Stavangerissa sijaitseva operaatiokeskus tarvitsee reaaliaikaista video- ja anturidataa töiden seurantaan ja robottien tekoälyn kouluttamiseen. Com4 tarjoaa kiinteän langattoman yhteyden ja matkapuhelinverkkoyhteyden, joka yhdistää kalasäiliöt operaatiokeskukseen, ja tukee laivastoa, jonka koko yli kaksinkertaistui vuosien 2023 ja 2024 välillä.

Gomero: matkapuhelinverkkopohjainen IoT ennakoivaan kunnossapitoon yhdeksässä maassa. Gomero käyttää Com4:n matkapuhelinyhteyksiä kerätäkseen reaaliaikaista dataa asiakkaiden laitteista yli 100 yritykselle yhdeksässä maassa, mikä mahdollistaa siirtymisen aikataulutetusta kunnossapidosta kysyntälähtöiseen, ennakoivaan kunnossapitoon. Gomeron teknologiajohtaja on kiittänyt Com4:ää luotettavan yhteyden tarjoamisesta kaikissa maissa, joissa yritys toimii. Tämä on tärkeää, kun laitteiden kuntoa koskevien tietojen on saavuttava johdonmukaisesti sijainnista riippumatta.

LTE:n turvallisuusnäkökohdat

LTE:n turvallisuus perustuu kolmeen pilariin: keskinäiseen todennukseen, monikerroksiseen salaukseen ja SIM-korttiin perustuvaan luottamuksen perustaan. Kukin niistä torjuu erityyppisiä riskejä, ja yhdessä ne antavat LTE:lle vahvemman perustan kuin 2G- tai varhaisella 3G-verkolla. Kuten jäljempänä käsitellään, muutamia aukkoja on edelleen jäljellä, ja niiden korjaaminen vaatii huolellista konfigurointia.

Vastavuoroinen verkon todennus

EPS-AKA toimii yhteyden muodostamisen yhteydessä SIM-kortin ja verkon kotitilaajapalvelimen välillä, ja kumpikin osapuoli vahvistaa toisen osapuolen identiteetin. Tämä kaksisuuntainen tarkistus korjaa 2G-verkossa olleen aukon, jossa väärennetyt tukiasemat pystyivät sieppaamaan liikennettä, koska verkkoa ei koskaan todennettu.

Kerrostetut salausavaimet

Signalointi ja suurin osa käyttäjätiedoista salataan AES-, SNOW 3G- tai ZUC-algoritmeilla. SIM-kortilla oleva juurikoodi johtaa erilliset avaimet signalointia, radioyhteyttä ja käyttäjätason salausta varten, joten yhden tason vaarantuminen ei paljasta toista.

Tunnetut tietoturva-aukot

Käyttäjätason eheyden suojaus on valinnainen, joten sovellukset eivät saisi luottaa pelkästään verkkoon väärinkäytösten havaitsemisessa. Operaattoreiden välinen signaalointiprotokolla Diameter voi paljastaa tilaajan sijainnin tai mahdollistaa petoksia, jos se on määritetty väärin.

LTE-käyttöönottojen vahvistaminen

Pidä salaus ja eheyden tarkistus päällä, älä koskaan hyväksy nollalgoritmia ja lisää TLS- tai sovelluskerroksen salaus arkaluontoisille tiedoille. Käytä yksityisiä APN-verkkoja pitääksesi liikenteen poissa avoimesta internetistä ja ylläpidä OTA-reittiä, jotta korjaukset voidaan asentaa kentällä oleviin laitteisiin.

SIM-tason suojaus suojaa verkkokerrosta. Lisää salaus sovelluskerroksessa kaikkeen arkaluonteiseen tietoon, ja yhdessä nämä suojaukset kattavat suurimman osan todellisista uhkista.

LTE vs. 4G vs. 5G: lyhyt versio

Suurimmalle osalle IoT-sovelluksista, kuten omaisuuden seurannasta, mittauksista, etävalvonnasta sekä edellä mainituista digitaalisista opasteista ja robotiikasta, LTE-pohjainen yhteys (standardin mukaisen LTE:n, LTE-M:n tai NB-IoT:n kautta) tarjoaa oikean tasapainon kattavuuden, kustannusten ja energiatehokkuuden välillä. 5G:n erittäin alhainen viive ja valtava kaistanleveys ovat tärkeitä kapeammalle käyttötapausjoukolle, kuten teollisuuden automaatiolle tai videopainotteisille sovelluksille.

Oikean verkon valinta IoT-laitteillesi

Oikea verkkostandardi riippuu täysin siitä, mitä laitteen on tarkoitus tehdä. Mieti seuraavia kysymyksiä ennen laitteiston määrittämistä:

1. Kuinka paljon dataa laite lähettää ja kuinka usein? Usein toistuvat tai suuremmat datamäärät, kuten ZetaDisplayn sisältöpäivitykset, sopivat paremmin tavalliseen LTE-verkkoon. Pienet, harvoin lähetettävät lukemat, kuten Soundsensingin anturidata, sopivat paremmin LTE-M- tai NB-IoT-verkkoon.
2. Liikkuuko laite? Liikkuvat laitteet tarvitsevat LTE-M:ää tai standardi-LTE:tä, jotka molemmat tukevat solujen välistä siirtymistä. Paikallaan pysyvät anturit voivat hyödyntää NB-IoT:n suurempia virransäästöjä.
3. Mikä on virrankulutusbudjetti? Paristokäyttöisissä laitteissa, joiden käyttöikä on useita vuosia, tulisi oletuksena valita LTE-M tai NB-IoT korkeampien LTE-luokkien sijaan.
4. Mikä on käyttöönottoympäristö? Kellarit, suljetut rakennukset ja syrjäiset kohteet hyötyvät LTE-M:n ja NB-IoT:n paremmasta signaalin läpäisykyvystä verrattuna korkeampiin LTE-luokkiin.
5. Onko kiinteää verkkoyhteyttä saatavilla? Paikoissa, joissa kuitu- tai kaapeliyhteys ei ole käytännöllinen, kuten bussipysäkeillä tai merellä sijaitsevilla vesiviljelyalueilla, LTE-pohjainen kiinteä langaton yhteys voi korvata sen kokonaan.

Com4 auttaa yrityksiä valitsemaan IoT-laitteille sopivan verkon, olipa kyseessä sitten tavallinen LTE, LTE-M, NB-IoT tai LTE-pohjainen kiinteä langaton yhteys, ja järjestää tarvittavan SIM-yhteyden, jotta laitteet pysyvät verkossa riippumatta siitä, mihin ne sijoitetaan Pohjoismaissa tai niiden ulkopuolella.