Czym jest LTE? Kompletny przewodnik | Com4

W przypadku Internetu rzeczy (IoT) technologia LTE i jej warianty o niskim poborze mocy stanowią warstwę łączności, na której opiera się wszystko – od cyfrowych wyświetlaczy na przystankach autobusowych w krajach skandynawskich po podwodne roboty w norweskich hodowlach ryb, jak pokazują przykłady klientów firmy Com4 przedstawione poniżej.

LTE w prostych słowach

LTE to standard bezprzewodowy 4G opracowany w celu zapewnienia znacznie większej prędkości transmisji danych i mniejszych opóźnień niż w przypadku poprzedzających go sieci 3G. Został zaprojektowany od podstaw z myślą o transmisji danych – w tym przeglądaniu stron internetowych, przesyłaniu wideo oraz, w coraz większym stopniu, obsłudze urządzeń podłączonych do sieci – a nie stworzony przede wszystkim z myślą o połączeniach głosowych, a dopiero później dostosowany do przesyłania danych.

W codziennym użyciu terminy „LTE” i „4G” są często traktowane jako zamienne. Z technicznego punktu widzenia LTE było pierwszym krokiem w kierunku prawdziwych prędkości 4G, a późniejsze udoskonalenia (LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro) zniwelowały różnicę w stosunku do pełnego standardu 4G. W praktyce, gdy na urządzeniu lub na mapie zasięgu widnieje oznaczenie „LTE”, oznacza to, że korzystasz z sieci klasy 4G.

Jak działa LTE

Sieci LTE wykorzystują bardziej płaską i wydajniejszą architekturę niż wcześniejsze generacje sieci komórkowych. Zamiast kierować połączenia i dane przez kilka warstw urządzeń przełączających, LTE przenosi większą część inteligencji sieciowej do stacji bazowych (zwanych eNodeB) i łączy je bardziej bezpośrednio z siecią rdzeniową (Evolved Packet Core, czyli EPC). Ta bardziej płaska konstrukcja zmniejsza liczbę przeskoków, jakie muszą pokonać dane, co skraca opóźnienia.

O wydajności LTE decyduje kilka elementów technicznych:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). LTE dzieli swój kanał radiowy na wiele wąskich podnośnych, umożliwiając sieci efektywny przydział przepustowości między wieloma podłączonymi urządzeniami jednocześnie, co ma znaczenie, gdy setki urządzeń IoT współdzielą tę samą komórkę.
• Agregacja nośnych. Nowsze implementacje LTE mogą łączyć wiele pasm częstotliwości w jedno połączenie, zwiększając dostępną przepustowość bez konieczności pozyskiwania nowego widma.
• Warianty FDD i TDD. LTE może działać w trybie Frequency-Division Duplex (oddzielne częstotliwości dla wysyłania i pobierania danych, powszechnym w krajach skandynawskich) lub w trybie Time-Division Duplex (wspólna częstotliwość, podzielona czasowo), w zależności od pasma częstotliwości, jakim dysponuje operator.
• LTE-M (LTE Cat-M1) to energooszczędna wersja LTE stworzona specjalnie dla urządzeń IoT, które wymagają umiarkowanej szybkości transmisji danych, obsługi mobilności oraz długiej żywotności baterii. Przykładami są urządzenia do śledzenia floty, terminale płatnicze oraz urządzenia noszone.
• NB- to pokrewny, ale jeszcze bardziej energooszczędny standard o mniejszej przepustowości, zoptymalizowany pod kątem stacjonarnych czujników, które rzadko wysyłają niewielkie ilości danych, takich jak inteligentne liczniki.
• Standardowe LTE (Cat-1 i wyższe) nadal ma swoje zastosowanie w przypadku urządzeń IoT wymagających większej przepustowości, takich jak cyfrowe oznakowanie strumieniowo przesyłające aktualizowane treści lub podłączone systemy kasowe.

W połączeniu z szerszymi kanałami częstotliwościowymi i bardziej efektywnym wykorzystaniem widma właśnie to zapewnia LTE przewagę pod względem prędkości i responsywności nad 3G.

Kategorie LTE i poziomy prędkości

Nie wszystkie połączenia LTE są takie same. Standard LTE definiuje kilka „kategorii UE” (kategorii urządzeń), z których każda charakteryzuje się innym stosunkiem prędkości, złożoności i zużycia energii. Ma to bezpośrednie znaczenie przy wyborze sprzętu IoT:

Większość urządzeń konsumenckich korzysta z kategorii Cat-4 lub wyższej. Większość wdrożeń IoT nie wymaga tak dużej przepustowości, a wybór niższej kategorii LTE, takiej jak Cat-1, Cat-M1 lub Cat-NB1, zazwyczaj oznacza tańsze moduły, mniejsze zużycie energii i dłuższą żywotność baterii, bez utraty korzyści związanych z zasięgiem wynikających z działania w ramach sprawdzonej infrastruktury 4G.

Dlaczego LTE nadal ma znaczenie dla IoT

Operatorzy celowo zbudowali tę wspólną infrastrukturę. Sieć LTE została pierwotnie stworzona z myślą o mobilnym internecie szerokopasmowym, a nie o zasilanych bateryjnie czujnikach wysyłających kilkaset bajtów dziennie. Organizacja 3GPP dodała tryb oszczędzania energii (Power Saving Mode), eDRX oraz tryby wąskopasmowe, aby dostosować sieć do tych nowych wymagań.

Operatorzy mieli jasne powody, by rozbudować LTE w ten sposób zamiast tworzyć oddzielną infrastrukturę:

• Istniejący zasięg: wydali już miliardy na ogólnokrajową sieć LTE, a urządzenia IoT mogły z niej od razu korzystać.

• Oprogramowanie zamiast sprzętu: Wiele stacji bazowych uzyskało obsługę IoT dzięki aktualizacji, a nie nowemu sprzętowi.

• Licencjonowane pasmo: ryzyko zakłóceń pozostało niskie, co stanowi istotny czynnik w przypadku umów SLA dla przemysłu i sektora użyteczności publicznej.

• Wbudowane zabezpieczenia: uwierzytelnianie oparte na karcie SIM zapewniło każdemu urządzeniu ten sam sprzętowy „korzeń zaufania”, z którego operatorzy korzystali już w przypadku telefonów.

Wycofanie sieci 2G i 3G sprawiło, że ta zaleta stała się wymogiem. Według GSA do połowy 2026 r. w około 90 krajach zakończono, zaplanowano lub trwają prace nad ponad 300 wyłączeniami sieci, przy czym w Ameryce Północnej proces ten zostanie w dużej mierze zakończony do 2023 r., a sieć 3G w Europie przestanie działać pod koniec lat 20. XXI wieku. Urządzenia nadal działające w tych starych sieciach potrzebują nowych rozwiązań łączności. LTE, LTE-M i NB-IoT stanowią bezpośrednią ścieżkę zastąpienia, opartą na istniejących już relacjach z operatorami i zasięgu sieci.

W jaki sposób urządzenia IoT oparte na technologii LTE faktycznie oszczędzają energię

Technologia LTE została stworzona z myślą o smartfonach, które pozostają aktywne przez cały dzień i są ładowane w nocy. Czujniki IoT zasilane bateryjnie działają inaczej. Przesyłają dane rzadko i muszą działać przez lata na jednym akumulatorze. Tryb oszczędzania energii (PSM) oraz rozszerzony odbiór przerywany (eDRX) to dwa standardy 3GPP, które mają wypełnić tę lukę.

Tryb oszczędzania energii, wprowadzony w wersji 3GPP Release 12, pozwala urządzeniu uzgodnić z siecią dwa timery. Po wysłaniu danych urządzenie pozostaje dostępne przez krótki okres czasu określony przez timer aktywności, a następnie przechodzi w stan głębokiego uśpienia. Pozostaje zarejestrowane, co pozwala uniknąć pełnego ponownego łączenia się po wybudzeniu. Pobór prądu w trybie uśpienia spada do niskiego, jednocyfrowego zakresu mikroamperów, a maksymalny czas trwania uśpienia wynosi 413 dni.

Dodana w wersji 13 funkcja eDRX sprawia, że urządzenie przez krótki czas nasłuchuje komunikatów sieciowych w dłuższych odstępach czasu, zamiast całkowicie wyłączać moduł radiowy. Urządzenia LTE-M mogą wydłużyć ten cykl do ponad 40 minut, poświęcając oszczędność energii na rzecz szybszej dostępności.

W większości wdrożeń stosuje się połączenie obu rozwiązań. Urządzenie LTE-M bez trybu oszczędzania energii pobiera prąd o natężeniu ponad 1 mA w trybie ciągłym. Po włączeniu funkcji PSM i eDRX średni prąd spada do kilkudziesięciu mikroamperów. To właśnie różnica między miesiącami a latami pracy na baterii.

Praktyczne przykłady zastosowań IoT opartego na technologii LTE

Inteligentne liczniki

HEDNO, grecki krajowy dystrybutor energii elektrycznej, wdraża technologie NB-IoT i LTE-M w 7,7 mln liczników, zapewniając odczyty co 15 minut oraz zdalne wykrywanie awarii. W Szwecji firma Telia podłączyła ponad dwa miliony inteligentnych liczników energii elektrycznej przy użyciu technologii LTE-M (Cat-M1) dla przedsiębiorstw użyteczności publicznej, takich jak E.ON, Ellevio i Kraftringen.

Śledzenie zasobów i floty

Technologie LTE-M i Cat-1 obsługują zastosowania mobilne. Urządzenia przełączają się między komórkami w miarę przemieszczania się, zapewniając transmisję danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Logistyka, sprzęt budowlany oraz transgraniczne śledzenie ładunków opierają się na tej kombinacji.

Rolnictwo precyzyjne

Czujniki wilgotności gleby, temperatury i nawadniania pozostają zamontowane w jednym miejscu przez lata, wysyłając niewielkie odczyty zgodnie z ustalonym harmonogramem. Technologie LTE-M i NB-IoT, w połączeniu z PSM i eDRX, rutynowo zapewniają żywotność baterii od 5 do 15 lat, co ogranicza konieczność wymiany baterii na rozległych polach.

Inne zastosowania

Czujniki w inteligentnych miastach monitorują jakość powietrza, poziom hałasu i sytuację parkingową. Monitorowanie przemysłowe obejmuje rurociągi, zbiorniki i sprzęt w trudno dostępnych miejscach. Śledzenie łańcucha chłodniczego przekazuje dane o temperaturze i wilgotności zgodnie z harmonogramem lub w przypadku przekroczenia progu.

Każdy z tych przypadków wykorzystania opiera się na tych samych trzech atutach LTE: istniejącym zasięgu, tożsamości opartej na karcie SIM oraz bezpieczeństwie na poziomie sieci, których technologie nielicencjonowane, takie jak LoRaWAN, nie zapewniają w standardzie.

LTE i LTE-M w skandynawskich wdrożeniach IoT: przykłady klientów Com4

Najlepszym sposobem na zrozumienie, jakie możliwości faktycznie oferuje łączność oparta na LTE, jest przyjrzenie się jej dzisiejszym zastosowaniom. Wszystkie poniższe przykłady dotyczą prawdziwych klientów Com4 i obejmują standardowe LTE, LTE-M oraz stacjonarny dostęp bezprzewodowy oparty na LTE.

ZetaDisplay: zapewnienie ciągłej dostępności cyfrowych wyświetlaczy w krajach skandynawskich. Ekrany ZetaDisplay działają w miejscach, gdzie instalacja stałych linii jest trudna lub niemożliwa, w tym na przystankach autobusowych, w pociągu Oslo Airport Express oraz na największej w Europie cyfrowej tablicy informacyjnej na dworcu Oslo Central. Każdy wyświetlacz łączy przemysłowy modem 4G z kartą SIM firmy Com4, zapewniając ekranowi bezpieczne, zawsze aktywne połączenie z opartym na chmurze systemem zarządzania treścią, nawet tam, gdzie Wi-Fi i światłowody nie są niezawodnymi opcjami. Cały ruch jest chroniony za pomocą sieci VPN i szyfrowania, a informacje o krytycznym znaczeniu czasowym, takie jak odjazdy pociągów, mogą być aktualizowane w ciągu kilku sekund.

Just Eat Norwegia: łączność mobilna obsługująca ogólnokrajową sieć kiosków. Norweski oddział Just Eat przeszedł od faksów przez ISDN, a następnie na sieci komórkowe jako główny sposób komunikacji. Łączność zapewniana przez Com4 umożliwia obecnie podłączenie starszego sprzętu kiosków i terminali w całym kraju, łącząc każde urządzenie z centralnym systemem, z którego partnerzy restauracyjni korzystają do zarządzania zamówieniami i aktualizowania informacji. Według Just Eat efektem tego jest stała dostępność bez żadnych przestojów spowodowanych problemami z łącznością.

Soundsensing: LTE-M dla kompaktowych czujników w budynkach o dużej gęstości konstrukcji. Soundsensing tworzy czujniki, które monitorują pracę urządzeń w budynkach, takich jak systemy wentylacyjne, i wykorzystują uczenie maszynowe do wykrywania nietypowych dźwięków, zanim dojdzie do awarii sprzętu. Czujniki są niewielkie i często instalowane w piwnicach, co sprawia, że LTE-M doskonale się do tego nadaje: oferuje wystarczającą przepustowość dla potrzeb czujników, wysoką efektywność energetyczną zapewniającą długi czas pracy na baterii oraz głębszą penetrację budynku, którą wspiera konstrukcja LTE-M. Obecnie firma Soundsensing posiada ponad 1 500 czujników działających w 150 budynkach, w tym w obiektach należących do Statsbygg i miasta Oslo, korzystających z łączności LTE-M zapewnianej przez Com4.

Remora Robotics: dostępkomórkowy i stacjonarny bezprzewodowy do monitorowania w czasie rzeczywistym. Autonomiczne roboty podwodne firmy Remora czyszczą sadze rybne w norweskich zakładach akwakultury, a ich centrum operacyjne w Stavanger potrzebuje obrazu wideo i danych z czujników w czasie rzeczywistym do monitorowania zadań i szkolenia sztucznej inteligencji robotów. Com4 zapewnia stacjonarny dostęp bezprzewodowy oraz łączność komórkową łączącą sadze z centrum operacyjnym, obsługując flotę, której wielkość wzrosła ponad dwukrotnie w latach 2023–2024.

Gomero: komórkowy Internet rzeczy (IoT) do konserwacji predykcyjnej w dziewięciu krajach. Gomero wykorzystuje łączność mobilną firmy Com4 do gromadzenia danych w czasie rzeczywistym z urządzeń w lokalizacjach klientów dla ponad 100 firm w dziewięciu krajach, umożliwiając przejście od konserwacji planowej do konserwacji predykcyjnej opartej na zapotrzebowaniu. Dyrektor ds. technologii w firmie Gomero docenił firmę Com4 za zapewnienie niezawodnego połączenia we wszystkich krajach, w których firma prowadzi działalność, co ma znaczenie, gdy dane dotyczące stanu sprzętu muszą być dostarczane w sposób ciągły, niezależnie od lokalizacji.

Kwestie bezpieczeństwa w sieci LTE

Bezpieczeństwo sieci LTE opiera się na trzech filarach: wzajemnym uwierzytelnianiu, wielowarstwowym szyfrowaniu oraz opartym na karcie SIM „korzeniu zaufania”. Każdy z nich eliminuje inny rodzaj ryzyka, a razem zapewniają one sieci LTE silniejszą podstawę bezpieczeństwa niż w przypadku sieci 2G czy wczesnych wersji 3G. Pozostaje jednak kilka luk, omówionych poniżej, a ich wyeliminowanie wymaga starannej konfiguracji.

Wzajemne uwierzytelnianie sieci

Protokół EPS-AKA działa między kartą SIM a serwerem macierzystym abonenta (Home Subscriber Server) sieci w momencie nawiązania połączenia, a każda ze stron potwierdza tożsamość drugiej strony. Ta dwustronna weryfikacja eliminuje lukę występującą w sieci 2G, gdzie fałszywe stacje bazowe mogły przechwytywać ruch, ponieważ sieć nigdy nie była weryfikowana.

Warstwowe klucze szyfrujące

Sygnały i większość danych użytkownika są szyfrowane za pomocą algorytmów AES, SNOW 3G lub ZUC. Klucz główny na karcie SIM generuje oddzielne klucze do szyfrowania sygnałów, dostępu radiowego oraz płaszczyzny użytkownika, dzięki czemu naruszenie bezpieczeństwa na jednej warstwie nie naraża na niebezpieczeństwo pozostałych.

Znane luki w zabezpieczeniach

Ochrona integralności płaszczyzny użytkownika jest opcjonalna, więc aplikacje nie powinny polegać wyłącznie na sieci w wykrywaniu manipulacji. Diameter, protokół sygnalizacyjny między operatorami, może ujawnić lokalizację abonenta lub umożliwić oszustwo, jeśli zostanie nieprawidłowo skonfigurowany.

Zabezpieczanie wdrożeń LTE

Należy utrzymywać włączone szyfrowanie i sprawdzanie integralności, nigdy nie akceptować algorytmu zerowego oraz dodawać szyfrowanie TLS lub na poziomie aplikacji dla wrażliwych danych. Należy korzystać z prywatnych sieci APN, aby utrzymać ruch z dala od otwartego internetu, oraz utrzymywać ścieżkę OTA, aby łatki były instalowane na urządzeniach w terenie.

Zabezpieczenia na poziomie karty SIM chronią warstwę sieciową. Dodaj szyfrowanie na warstwie aplikacji dla wszelkich wrażliwych danych – te dwa elementy łącznie zapewniają ochronę przed większością rzeczywistych zagrożeń.

LTE vs. 4G vs. 5G: wersja skrócona

W przypadku zdecydowanej większości zastosowań IoT, takich jak śledzenie zasobów, pomiary, zdalne monitorowanie oraz przykłady z zakresu cyfrowych oznakowań i robotyki, o których mowa powyżej, łączność oparta na standardzie LTE (poprzez standardowe LTE, LTE-M lub NB-IoT) zapewnia odpowiednią równowagę między zasięgiem, kosztami i efektywnością energetyczną. Ultradługie opóźnienia i ogromna przepustowość sieci 5G mają znaczenie w węższym zakresie zastosowań, takich jak automatyka przemysłowa lub aplikacje intensywnie wykorzystujące transmisję wideo.

Wybór odpowiedniej sieci dla urządzeń IoT

Wybór odpowiedniego standardu sieciowego zależy całkowicie od tego, do czego urządzenie ma służyć. Przed określeniem specyfikacji sprzętu należy rozważyć następujące kwestie:

1. Ile danych wysyła urządzenie i jak często? Częste lub większe przesyły danych, takie jak aktualizacje treści w ZetaDisplay, wymagają standardowego LTE. Niewielkie, sporadyczne odczyty, takie jak dane z czujników w Soundsensing, wymagają LTE-M lub NB-IoT.
2. Czy urządzenie jest ruchome? Urządzenia mobilne wymagają standardu LTE-M lub standardowego LTE, które obsługują przełączanie między komórkami. Czujniki stacjonarne mogą korzystać z większej oszczędności energii oferowanej przez NB-IoT.
3. Jaki jest budżet energetyczny? Urządzenia zasilane bateryjnie o wieloletniej żywotności powinny domyślnie korzystać z LTE-M lub NB-IoT zamiast wyższych kategorii LTE.
4. Jakie jest środowisko wdrożenia? Piwnice, zamknięte budynki i odległe lokalizacje zyskują dzięki lepszej penetracji sygnału w sieciach LTE-M i NB-IoT w porównaniu z wyższymi kategoriami LTE.
5. Czy dostępna jest łączność stacjonarna? Tam, gdzie światłowody lub kable nie są praktycznym rozwiązaniem, np. na przystankach autobusowych lub w morskich hodowlach ryb, stacjonarny dostęp bezprzewodowy oparty na LTE może całkowicie je zastąpić.

Com4 pomaga firmom dopasować urządzenia IoT do odpowiedniej sieci bazowej – niezależnie od tego, czy jest to standardowe LTE, LTE-M, NB-IoT czy stacjonarny bezprzewodowy dostęp oparty na LTE – oraz zapewnia odpowiednią łączność SIM, dzięki czemu urządzenia pozostają online niezależnie od miejsca ich wdrożenia w krajach skandynawskich i poza nimi.