Cellular IoT — Vergelijking van CIoT-technologieën

Noot van de redactie:groeiende eisen voor een grotere beschikbaarheid van IoT-apparaten vallen samen met de opkomst van mobiele technologieën die zeer geschikt zijn voor het IoT . Voor ontwikkelaars is de behoefte aan meer gedetailleerde informatie over cellulaire technologieën en hun toepassing op het IoT nog nooit zo nijpend geweest. Een uittreksel uit het boek, Cellular Internet of Things, deze serie introduceert de belangrijkste concepten en technologieën op dit gebied.

In een eerdere serie beschreven de auteurs het evoluerende landschap voor mobiel, de rol ervan in het IoT en technologieën voor massale machine-type communicatie (mMTC) en ultrabetrouwbare communicatie met lage latentie (URLLC).

Elsevier biedt deze en andere technische boeken aan met 30% korting. Om gebruik te maken van deze korting, klik hier en gebruik code ENGIN318 tijdens het afrekenen.

Aangepast van Cellular Internet of Things, door Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs.

Hoofdstuk 9. Het competitieve internet der dingen-technologielandschap (vervolg)

Door Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs

9.3 KEUZE VAN CIoT-TECHNOLOGIE

9.3.1 VERGELIJKING VAN CIoT-TECHNOLOGIEN

De verschillende CIoT-technologieën EC-GSM-IoT, NB-IoT en LTE-M zijn uitgebreid geanalyseerd in de hoofdstukken 3-8. Hier vatten en vergelijken we de prestaties en kenmerken. Voor NB-IoT beschouwen we in deze samenvatting alleen in-band en stand-alone implementatie-opties voor eenvoud. De prestaties van de werkingsmodus van de bewakingsband zijn in grote mate vergelijkbaar met de prestaties in de band. De volledige NB-IoT-prestatieanalyse, inclusief de werking van de bewakingsband, is te vinden in hoofdstuk 8.

9.3.1.1 Dekking en datasnelheid

De datasnelheid in uplink en downlink voor alle CIoT-technologieën is samengevat in Figuren 9.7 en 9.8 voor verschillende koppelingsverliezen. Al deze technologieën hebben uitgebreide dekkingsfuncties geïntroduceerd, die een werking met een koppelingsverlies tot 164 dB mogelijk maken. Dit is een aanzienlijke uitbreiding van het dekkingsbereik in vergelijking met wat tegenwoordig te vinden is in Global System for Mobile Communications (GSM), UMTS of Long-Term Evolution (LTE)-netwerken. Voor EC-GSM-IoT is het koppelingsverlies van 164 dB gebaseerd op een apparaat met een uitgangsvermogen van 33 dBm, zoals gebruikelijk is in GSM-netwerken. Dit betekent echter dat een 10 dB hoger uitgangsvermogen van het apparaat nodig is voor een volledig uitgebreid bereik in EC-GSM-IoT in vergelijking met het uitgangsvermogen van het apparaat voor NB-IoT en LTE-M om dezelfde uplink-dekking te bereiken. Wanneer we meer in detail kijken naar de resultaten van de uitgebreide dekking in de hoofdstukken 4, 6 en 8, blijkt dat NB-IoT kan werken met een lager foutenpercentage voor besturingskanaalblokken dan EC-GSM-IoT en LTE-M bij 164 dB MCL , waardoor het robuuster is bij extreme dekking. Opgemerkt kan worden dat LTE-M en EC-GSM-IoT frequency hopping kunnen toepassen, wat voor wat extra dekkingsrobuustheid zorgt vanwege de toegevoegde frequentiediversiteit.

klik voor grotere afbeelding

AFBEELDING 9.7 Dekking en datasnelheid van de fysieke laag voor uplink.

klik voor grotere afbeelding

AFBEELDING 9.8 Dekking en datasnelheid van de fysieke laag voor downlink.

Figuren 9.7 en 9.8 bieden ook de gegevenssnelheden van de fysieke laag waarden voor de verschillende CIoT-technologieën. De onmiddellijke piek datasnelheid van de fysieke laag specificeert alleen de haalbare datasnelheid van de datakanalen. De andere datasnelheidswaarden in de tabellen verwijzen naar de effectieve datasnelheden van de fysieke laag voor de verzending van een enkel bericht, waarbij ook rekening wordt gehouden met de latenties voor planning en besturingssignalering in de transmissietijd van het bericht. In deze vergelijking wordt aangenomen dat voor alle technologieën half-duplex-werking wordt gebruikt, maar er moet worden opgemerkt dat LTE-M-apparaten ook kunnen worden geïmplementeerd met ondersteuning voor full-duplex-werking, waardoor hogere datasnelheden worden bereikt (met pieksnelheden die dicht bij de momentane piek datasnelheden van de fysieke laag). Deze snelheden zijn bedoeld voor apparaten met verschillende koppelingsverliezen naar het basisstation:piek fysieke laag datasnelheid komt overeen met een apparaat met een ideale foutloze verbinding met een basisstation. Gegevenssnelheden van de fysieke laag bij 144 dB koppelingsverlies komen overeen met de normale celrand van de GSM- of LTE-radiocel, en 154 en 164 dB komen overeen met 10 en 20 dB dekkingsuitbreiding vergeleken met de celrand van GSM.

Wat te zien is, is dat LTE-M aanzienlijk hogere datasnelheden kan bereiken in uplink en downlink in vergelijking met NB-IoT of EC-GSM-IoT. Dit is met name het geval voor apparaten die zich binnen het normale bereik van de radiocel bevinden. Wanneer apparaten zich in gebieden met uitgebreide dekking bevinden, wordt de uplink beperkt door het uitgangsvermogen van het apparaat, en alle CIoT-technologieën maken gebruik van herhalingen om de vereiste linkkwaliteit te bereiken. In extreme dekkingssituaties, zoals bij 164 dB koppelingsverlies, worden de haalbare datasnelheden voor verschillende technologieën vrij gelijkaardig bij gebruik van hetzelfde uitgangsvermogen. EC-GSM-IoT heeft bij de 164 dB MCL een hogere datasnelheid dan de andere technologieën vanwege het 10 dB hogere uitgangsvermogen van het apparaat. Binnen dezelfde LTE-provider heeft LTE-M over het algemeen hogere datasnelheden dan in-band NB-IoT.

Alle drie de technologieën voldoen aan de 3GPP-vereiste voor het bereiken van 160 bps bij de MCL van 164 dB.

9.3.1.2 Latentie

De latentie van de CIoT-technologieën is geëvalueerd met betrekking tot een uitzonderingsrapport , wat een zeldzaam, zeer belangrijk IoT-bericht is in een 85-byte IP-pakket, dat vanaf een apparaat via het CIoT-netwerk wordt verzonden. Alle technologieën, LTE-M, NB-IoT en EC-GSM-IoT, voldoen aan het 3GPP-latentiedoel van 10 s dat voor het eerst werd gedefinieerd in release 13, zoals weergegeven in afbeelding 9.9. Wanneer een apparaat binnen de normale dekking valt, kan LTE-M iets lagere latenties bereiken vanwege de hogere gegevenssnelheden die door LTE-M worden geboden. Bij uitgebreide dekking kan EC-GSM-IoT de laagste latentie bieden vanwege het hogere uitgangsvermogen van het apparaat, wat hogere gegevenssnelheden kan bieden. Stand-alone NB-IoT heeft een lagere latentie vergeleken met in-band NB-IoT vanwege het hogere vermogen dat wordt gebruikt voor downlink-kanalen.

klik voor grotere afbeelding

AFBEELDING 9.9 Latentie voor uitzonderingsrapport.

9.3.1.3 Levensduur batterij

De levensduur van de batterij is geanalyseerd voor alle CIoT-technologieën, uitgaande van twee AA-batterijen met een gezamenlijke capaciteit van 5 Wh. Voor alle drie de IoT-technologieën is uitgegaan van een eindversterkerefficiëntie van 45%-50%.

Over het algemeen passen alle CIoT-technologieën mechanismen toe om de levensduur van de batterij te verlengen voor onregelmatige verzending van berichten, zoals gebruikelijk is voor veel IoT-services. De belangrijkste principes zijn dat apparaten alleen actief worden voor de overdracht van gegevens en anders in een batterijbesparende slaapstand worden gezet. Er zijn efficiënte procedures gedefinieerd die de signaleringsoverhead die gepaard gaat met de gegevensoverdracht tot een minimum beperken. Dit is vooral belangrijk voor kleine berichten, omdat eventuele signaaloverhead dan een aanzienlijk deel van het energieverbruik kan uitmaken.

Voor een dagelijkse rapportage van een bericht van 200 bytes wordt de levensduur van de batterij voor de verschillende CIoT-technologieën weergegeven in figuur 9.10. De resultaten voor verschillende berichtgroottes en periodiciteiten van IoT-gegevensoverdrachten zijn samengevat in Tabel 9.5. Over het algemeen maken alle technologieën een batterijlevensduur van 10 jaar mogelijk, en in sommige gevallen zelfs aanzienlijk langer. De grootste uitdaging voor een lange levensduur van de batterij is wanneer een apparaat zich in een zeer slechte dekkingspositie bevindt. In de uitgebreide dekkingsmodus worden zeer lage gegevenssnelheden gebruikt en worden veel herhalingen toegepast voor de gegevensoverdracht. In deze situatie vereist een apparaat een uitgebreide inspanning voor gegevensoverdracht, waardoor de mogelijkheid om uit te rusten in een batterijbesparende slaapstand wordt verkleind. Dienovereenkomstig wordt de levensduur van de batterij aanzienlijk verminderd bij de MCL van 164 dB voor alle CIoT-technologieën. Met zo'n groot koppelingsverlies kan een batterijlevensduur van 10 jaar alleen worden bereikt als gegevensoverdrachtgebeurtenissen van een apparaat zelden voorkomen, zoals eenmaal per dag. Voor frequentere gegevensoverdrachtgebeurtenissen, zoals één bericht om de 2 uur, is een batterijlevensduur van 1-3 jaar haalbaar bij een MCL van 164 dB.

klik voor grotere afbeelding

AFBEELDING 9.10 Levensduur van de batterij voor een apparaat met een dagelijks rapport van een bericht van 200 bytes.

klik voor grotere afbeelding

Tabel 9.5 Levensduur batterij

Alle drie de technologieën voldoen aan, of geven aan dat ze mogelijk kunnen voldoen, aan de 3GPP-vereiste voor het bereiken van een batterijlevensduur van 10 jaar bij een MCL van 164 dB.