Cellular IoT: EC-GSM-IoT, NB-IoT en LTE-M Prestaties Vergelijken

Editor's Note: De groeiende vraag naar alomtegenwoordige IoT-connectiviteit past perfect bij opkomende cellulair-technologieën ontworpen voor het Internet of Things. Ontwikkelaars hebben nu gedetailleerde, betrouwbare inzichten nodig in deze technologieën en hun real-world toepassingen. Dit artikel, geëxtraheerd uit het boek Cellular Internet of Things, introduceert de kernconcepten en technologieën die het IoT-landschap vormgeven. In een eerdere serie verkenden de auteurs het evoluerende cellulair ecosysteem, de rol ervan in IoT, en de technologieën die massive machine-type communications (mMTC) en ultra-reliable low-latency communications (URLLC) drijven.

Elsevier biedt deze en andere engineering-titels met 30% korting. Gebruik code ENGIN318 bij afrekenen hier.

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

Hoofdstuk 9. Het Competitieve IoT-technologielandschap (Verv.)

9.3 Keuze van CIoT-technologie

9.3.1 Vergelijking van CIoT-technologieën

Hoofdstukken 3-8 presenteren een diepgang-analyse van EC-GSM-IoT, NB-IoT en LTE-M. Hier synthetiseren we de kernprestatiemetrics en kenmerken. Voor NB-IoT focussen we op in-band en stand-alone implementaties; guardband-modus deelt vergelijkbare prestaties en wordt in Hoofdstuk 8 behandeld.

9.3.1.1 Dekking en Datasnelheid

De uplink en downlink datasnelheden voor alle CIoT-technologieën worden samengevat in Figuren 9.7 en 9.8 over variërende koppelingsverliezen. Elke technologie biedt uitgebreide dekking tot een 164 dB koppelingsverlies (MCL), een dramatische verbetering ten opzichte van legacy GSM, UMTS en LTE-netwerken. EC-GSM-IoT bereikt 164 dB met een 33 dBm zendvermogen – 10 dB hoger dan de vermogensvereiste voor NB-IoT en LTE-M om dezelfde dekking te bereiken.

Bij de extreme dekking van 164 dB levert NB-IoT een lagere control-channel block-error-rate dan EC-GSM-IoT en LTE-M, wat het robuuster maakt. LTE-M en EC-GSM-IoT kunnen frequency hopping gebruiken voor toegevoegde frequentie-diversiteit en dekking-resilientie.

Figuur 9.7: Dekking en Fysieke Laag Datasnelheid – Uplink.

Figuur 9.8: Dekking en Fysieke Laag Datasnelheid – Downlink.

De tabellen in Figuren 9.7 en 9.8 tonen zowel instantane piek fysieke-laag datasnelheden (channel-only) als effectieve snelheden die scheduling en control-overhead includeren. We assumeren half-duplex operatie voor alle technologieën; LTE-M-apparaten kunnen ook geconfigureerd worden voor full-duplex, wat de instantane pieksnelheid benadert. Snelheden worden getoond voor ideale links, 144 dB (cel-rand), en 154/164 dB (10/20 dB uitgebreide dekking).

LTE-M overtreft consistent NB-IoT en EC-GSM-IoT in uplink en downlink datasnelheden wanneer apparaten binnen normale dekking zijn. In uitgebreide dekking worden uplink-snelheden beperkt door zendvermogen, en alle drie technologieën steunen op herhalingen om link-kwaliteit te halen. Bij 164 dB convergeren de haalbare snelheden; EC-GSM-IoT leidt lichtelijk door het hogere uitgangsvermogen. LTE-M profiteert ook van hogere datasnelheden binnen dezelfde LTE-carrier vergeleken met in-band NB-IoT.

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

9.3.1.2 Latentie

Latentie werd geëvalueerd met een exception report – een hoog-belang, infrequent bericht (85 bytes). Alle drie technologieën voldoen aan de 3GPP-latentiedoel van 10 s (Release 13). Binnen normale dekking biedt LTE-M lichtelijk lagere latenties dankzij hogere datasnelheden. In uitgebreide dekking bereikt EC-GSM-IoT de laagste latentie omdat het hogere zendvermogen hogere datasnelheden oplevert. Stand-alone NB-IoT geniet ook lagere latentie dan in-band NB-IoT door sterkere downlink-kanalen.

Figuur 9.9: Latentie voor Exception Report.

9.3.1.3 Batterijlevensduur

Batterijleven werd beoordeeld voor alle technologieën met twee AA-batterijen (5 Wh totaal) en een power-amplifier efficiëntie van 45-50%. Alle CIoT-apparaten gebruiken agressieve slaapcycli, alleen activerend voor data-overdracht en anders in laagstroom-modus bleven. Efficiënte procedures reduceren signalering-overhead, wat kritiek is voor kleine-bericht-transmissies.

Figuur 9.10 toont de levensduur voor een dagelijks 200-byte rapport. Tabel 9.5 vat levensduur samen over berichtgroottes en periodiciteiten. Elke technologie ondersteunt ten minste 10 jaar batterijleven onder typische omstandigheden; in het ergste geval 164 dB MCL zijn 10-jaar levensduur alleen haalbaar met dagelijkse transmissies. Vaker rapporteren (bijv. elk 2 uur) verlaagt levensduur tot 1-3 jaar bij 164 dB.

Figuur 9.10: Batterijlevensduur voor een Apparaat met Dagelijks Verslag van een 200-Byte Bericht.

Tabel 9.5: Batterijlevensduur.

Alle drie CIoT-technologieën voldoen of zijn poised om de 3GPP 10-jaar batterijleven-vereiste bij een 164 dB MCL te halen.