Хорош ли 4G LTE? Техническая оценка и соображения по развертыванию

По мере того как технологический ландшафт смещается в сторону 5G, легко недооценить непреходящую актуальность 4G LTE. Однако LTE остается рабочей лошадкой промышленных и встраиваемых систем связи. В этом руководстве я проведу тщательную оценку сильных и слабых сторон LTE, а также практических аспектов развертывания, чтобы вы могли сделать осознанный выбор для своего проекта.

Оглавление

• Введение
• Обзор технологии 4G LTE
• Характеристики производительности
• Покрытие, доступность и устойчивость
• Сетевая адресация и подключение
• Функции безопасности и соответствие данным
• Качество обслуживания и приоритизация
• Управление SIM-картами и предоставление услуг в масштабе
• Развертывание частных сетей LTE и CBRS
• Энергопотребление и интеграция устройств
• Оценка и пригодность примеров использования
• Соображения по поводу стоимости

Введение

При разработке промышленной IoT-платформы или встраиваемой системы мониторинга подключение никогда не стоит на втором плане. В то время как 5G находится в центре внимания, 4G LTE предлагает проверенную стабильность и охват. Это руководство поможет вам оценить, насколько производительность и экосистема LTE соответствуют вашим требованиям к развертыванию.

• Зачем оценивать LTE?-Он по-прежнему широко поддерживается, доступен и развит.
• Область примененияПромышленные, встраиваемые и IoT-приложения.
• Аудитория-Инженеры по аппаратному обеспечению, архитекторы решений и разработчики встраиваемых систем.

К концу книги у вас будет ясность, чтобы определить, подходит ли вам LTE или пора инвестировать в альтернативные варианты.

Обзор технологии 4G LTE

LTE, стандартизированный 3GPP, перевел сотовые сети на парадигму all-IP, проложив путь для современного IoT.

• Эволюция-От Release 8 LTE до LTE-Advanced Pro, с агрегацией несущих и усовершенствованиями MIMO.
• Основные характеристики-Пиковая скорость загрузки от 150 Мбит/с (LTE) до более 1 Гбит/с (LTE-A Pro).
• Улучшение задержки-Около 30-50 мс в обе стороны.

Этих возможностей более чем достаточно для многих промышленных применений.

Характеристики производительности

Производительность LTE в реальных условиях сильно зависит от окружающей среды и нагрузки на сеть.

• Пропускная способность-Обычно 20-80 Мбит/с по нисходящей линии в городских районах.
• Латентность-В среднем 30-60 мс, с периодическими скачками во время перегрузок.
• Джиттер-5-20 мс в большинстве сценариев.

"Для SCADA и контуров управления согласованность задержек часто более важна, чем пропускная способность".

Если рабочая нагрузка требует детерминизма, проведите всестороннее тестирование в целевой сетевой среде.

Покрытие, доступность и устойчивость

Покрытие LTE почти повсеместно на развитых рынках, но в других регионах оно варьируется.

• Город-Плотные участки сотовой связи и сильные сигналы внутри помещений.
• Сельская местность-Большие расстояния между вышками; сигнал может быстро ухудшиться.
• Резервирование-Рассмотрите возможность использования SIM-карт с несколькими сетями или перехода на Wi-Fi/спутник.

Перед масштабным развертыванием LTE я рекомендую вам провести обследование территории для проверки зоны покрытия и уровня сигнала.

Сетевая адресация и подключение

Сети LTE обычно используют операторские NAT и IPv4, что создает проблемы для входящих соединений.

• Перевозчик NAT-Блокирует незапрашиваемый входящий трафик.
• IPv6-Растущая поддержка, но непоследовательное внедрение.
• Обход NAT-Зачастую для этого требуются VPN или обратные туннели.

При планировании развертывания выделите время и ресурсы на обходные пути для работы с сетью.

Функции безопасности и соответствие данным

Безопасность LTE значительно улучшилась по сравнению с 2G/3G, однако она не защищена от векторов атак.

• Аутентификация-Учетные данные на основе SIM.
• Шифрование-Шифрование AES защищает радиоканалы.
• Уязвимости-Отлавливатели IMSI и протокольные эксплойты продолжают существовать.

Убедитесь, что вы используете VPN-шифрование для конфиденциальных данных и поддерживаете актуальность прошивки.

Качество обслуживания и приоритизация

LTE поддерживает QoS через QCI, но сети общего пользования не могут гарантировать детерминизм.

Я рекомендую вам сотрудничать с операторами связи для обеспечения выделенных точек доступа или частных участков, если требуется критически важная производительность.

Управление SIM-картами и предоставление услуг в масштабе

Управление тысячами SIM-карт требует автоматизации.

• eSIMs-Упростите логистику с помощью удаленного предоставления.
• Жизненный цикл-План активации, приостановки и вывода из эксплуатации.
• Контракты с перевозчиками-Приобретите условия, соответствующие вашей модели масштабирования.

Использование централизованных платформ управления позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы.

Развертывание частных сетей LTE и CBRS

Частные сети LTE обеспечивают предсказуемую производительность, не завися от публичных сетей.

• Архитектура-Отдельные EPC и eNodeBs.
• CBRS-В США разделение спектра открывает новые возможности.
• Примеры использования-Фабрики, склады и кампусные сети.

"Частный LTE предлагает привлекательное сочетание контроля, безопасности и производительности по сравнению с публичным LTE".

Энергопотребление и интеграция устройств

Модули LTE могут требовать много энергии, особенно во время передачи данных.

• Холостой ход-Низкое энергопотребление (~5-10 мА).
• Передача-Пики до 2 А.
• Оптимизация-Циклический режим работы и настройка встроенного ПО снижают потребление.

При проектировании удаленных установок учитывайте влияние батарей.

Оценка и пригодность примеров использования

LTE по-прежнему очень хорошо подходит для многих сценариев.

• SCADA-Отлично подходит для периодической телеметрии; менее идеально для контуров управления в реальном времени.
• Отслеживание активов-Отличное покрытие и производительность батареи с оптимизированным рабочим циклом.
• Мобильные пограничные вычисления-Пропускная способность достаточна для большинства рабочих нагрузок.

Перед выбором модуля тщательно сопоставьте требования к сценарию использования с возможностями LTE.

Соображения по поводу стоимости

Аппаратные и эксплуатационные затраты на LTE могут быть ниже, чем на альтернативы 5G.

• Стоимость модуля-$10-$40 на устройство, в зависимости от возможностей.
• Планы передачи данных-Варьируется в зависимости от региона и объема.
• Общая стоимость владения-Включает предоставление, управление и обслуживание.

Всегда учитывайте стоимость жизненного цикла, а не только первоначальные расходы на оборудование.

Заключение

Зрелость, зона покрытия и стоимость LTE делают его надежным вариантом для встраиваемых и промышленных систем. Хотя актуальность 5G будет расти, LTE остается основой для многих критически важных развертываний. Я рекомендую проверять производительность локальной сети, планировать обход NAT и проектировать с учетом энергоэффективности. Когда все эти факторы совпадают, LTE по-прежнему остается отличным выбором.

Совет: Для получения дополнительной информации о решениях для встраиваемых систем подключения обратитесь к следующим источникам MiniITXboard.