Využití 4G/5G komunikace v embedded systémech

Abstract

Rostoucí počet propojených zařízení internetu věcí (IoT) a jejich narůstající složitost kladou nové požadavky na dosah, spolehlivost a škálovatelnost komunikačních sítí. Mo- bilní sítě 4G a 5G nabízejí slibné řešení pro komunikaci s nízkou spotřebou energie na velké vzdálenosti. 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 a LTE-M, zdůrazňuje jejich výhody, omezení a rozdíly ve srovnání s tradičními mobilními sítěmi. 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, zamě- řenou na simulaci reálných scénářů, jako je vzdálené monitorování, chytré zemědělství, chytrá města a sledování majetku. Byly provedeny laboratorní experimentální měření zaměřené na klíčové komunikační pa- rametry, 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. Na závěr byla provedena experimentální měření v terénu, aby se ověřila schopnost navržených scénářů komunikovat v mobilním prostředí.

The growing number of interconnected Internet of Things (IoT) devices and their in- creasing complexity are placing new demands on range, reliability, and scalability of communication networks. 4G and 5G cellular networks offer a promising solution for wide-area low-power communication. This thesis explores the fundamental principles of 4G and 5G mobile networks with a focus on their architecture, communication pro- tocols, and specific features relevant to IoT use cases. It further analyzes Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) protocols, specifically NB- IoT and LTE-M, highlighting their advantages, limitations, and differences compared to traditional mobile networks. The work also provides an overview of the Nordic Semiconductor nRF9160 and nRF9161 chipsets, along with a review of commercially available development modules. To demon- strate practical usage, a universal low-cost tracking application is developed using the selected kit, aimed to simulate real-world scenarios such as remote monitoring, smart agriculture, smart cities, and asset tracking. Laboratory experimental measurements are carried out, focusing on key communication parameters such as power consumption, signal strength, and data throughput. The col- lected data are analyzed and compared with theoretical expectations as well as other commonly used communication systems to evaluate performance and suitability for in- dustrial IoT applications. Lastly in-field experimental measurements are carried out in the field to verify ability of suggested scenarios to communicate in mobile setting.