Cellular IoT - Comparación de tecnologías CIoT

Nota del editor:los requisitos crecientes para una mayor disponibilidad de dispositivos de IoT coinciden con la aparición de tecnologías celulares muy adecuadas para IoT . Para los desarrolladores, la necesidad nunca ha sido más aguda de obtener información más detallada sobre las tecnologías celulares y su aplicación al IoT. Extraída del libro, Internet celular de las cosas, esta serie presenta conceptos y tecnologías clave en este campo.

En una serie anterior, los autores describieron el panorama evolutivo de la telefonía celular, su papel en el IoT y las tecnologías para comunicaciones masivas de tipo máquina (mMTC) y comunicaciones ultra confiables de baja latencia (URLLC).

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Adaptado de Cellular Internet of Things, por Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs.

Capítulo 9. El panorama tecnológico competitivo del Internet de las cosas (continuación)

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

9.3 ELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA CIoT

9.3.1 COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS CIoT

Las diferentes tecnologías CIoT EC-GSM-IoT, NB-IoT y LTE-M se han analizado extensamente en los Capítulos 3-8. Aquí resumimos y comparamos el rendimiento y las características. Para NB-IoT, consideramos en este resumen solo las opciones de implementación en banda e independientes para simplificar. El rendimiento del modo de funcionamiento de la banda de guarda es en gran medida similar al rendimiento dentro de la banda. El análisis completo del rendimiento de NB-IoT, incluida la operación de la banda de guarda, se puede encontrar en el Capítulo 8.

9.3.1.1 Cobertura y velocidad de datos

La velocidad de datos en el enlace ascendente y el enlace descendente para todas las tecnologías CIoT se resumen en las Figuras 9.7 y 9.8 para diferentes pérdidas de acoplamiento. Todas esas tecnologías han introducido características de cobertura extendida, que permiten una operación con una pérdida de acoplamiento de hasta 164 dB. Esta es una extensión significativa del rango de cobertura en comparación con lo que se puede encontrar en las redes del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM), UMTS o Evolución a Largo Plazo (LTE) en la actualidad. Para EC-GSM-IoT, la pérdida de acoplamiento de 164 dB se basa en un dispositivo con una potencia de salida de 33 dBm, como es común en las redes GSM. Sin embargo, esto significa que se necesita una potencia de salida del dispositivo 10 dB más alta para un rango extendido completo en EC-GSM-IoT en comparación con la potencia de salida del dispositivo para NB-IoT y LTE-M para lograr la misma cobertura de enlace ascendente. Cuando se analizan más detalles de los resultados de cobertura extendida en los Capítulos 4, 6 y 8, se ve que NB-IoT puede operar con una tasa de error de bloque de canal de control más baja que EC-GSM-IoT y LTE-M a 164 dB MCL , haciéndolo más robusto en una cobertura extrema. Cabe señalar que LTE-M y EC-GSM-IoT pueden aplicar saltos de frecuencia, lo que proporciona cierta solidez de cobertura adicional debido a la diversidad de frecuencia adicional.

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FIGURA 9.7 Cobertura y velocidad de datos de la capa física para el enlace ascendente.

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FIGURA 9.8 Cobertura y velocidad de datos de la capa física para el enlace descendente.

Las figuras 9.7 y 9.8 también proporcionan las velocidades de datos de la capa física valores para las diferentes tecnologías CIoT. La velocidad de datos máxima instantánea de la capa física especifica la velocidad de datos alcanzable de los canales de datos solamente. Los otros valores de velocidad de datos en las tablas se refieren a las velocidades de datos de la capa física efectivas para la transmisión de un solo mensaje, donde también se tienen en cuenta las latencias para la programación y la señalización de control en el tiempo de transmisión del mensaje. En esta comparación, se asume que la operación semidúplex se utiliza para todas las tecnologías, pero debe tenerse en cuenta que los dispositivos LTE-M también se pueden implementar con soporte para operación full-duplex que logrará velocidades de datos más altas (con velocidades máximas cercanas a la velocidades máximas instantáneas de datos de la capa física). Estas velocidades se proporcionan para dispositivos con diferentes pérdidas de acoplamiento a la estación base: velocidad máxima de datos de la capa física corresponde a un dispositivo con una conexión ideal sin errores a una estación base. Las velocidades de datos de la capa física con una pérdida de acoplamiento de 144 dB corresponden al borde de la celda normal de la celda de radio GSM o LTE, y 154 y 164 dB corresponden a 10 y 20 dB de extensión de cobertura en comparación con el borde de la celda de GSM.

Lo que se puede ver es que LTE-M puede lograr velocidades de datos significativamente más altas en el enlace ascendente y el enlace descendente en comparación con NB-IoT o EC-GSM-IoT. Este es, en particular, el caso de los dispositivos que se encuentran dentro de la cobertura normal de la celda de radio. Cuando los dispositivos están ubicados en áreas de cobertura extendida, el enlace ascendente está limitado por la potencia de salida del dispositivo, y todas las tecnologías CIoT nos hacen repeticiones para lograr la calidad de enlace requerida. En situaciones de cobertura extrema, como una pérdida de acoplamiento de 164 dB, las velocidades de datos alcanzables para diferentes tecnologías se vuelven bastante similares cuando se usa la misma potencia de salida. EC-GSM-IoT tiene en el MCL de 164 dB una velocidad de datos más alta que las otras tecnologías debido a la potencia de salida 10 dB más alta del dispositivo. Dentro de la misma portadora LTE, LTE-M tiene, en general, velocidades de datos más altas que NB-IoT en banda.

Las tres tecnologías cumplen con el requisito 3GPP de alcanzar 160 bps en el MCL de 164 dB.

9.3.1.2 Latencia

La latencia de las tecnologías CIoT se ha evaluado con respecto a un informe de excepción , que es un mensaje de IoT poco frecuente de gran importancia contenido en un paquete IP de 85 bytes, que se transmite desde un dispositivo a través de la red CIoT. Todas las tecnologías, LTE-M, NB-IoT y EC-GSM-IoT, cumplen el objetivo de latencia 3GPP de 10 s definido por primera vez en la Versión 13, como se muestra en la Figura 9.9. Cuando un dispositivo se encuentra dentro de la cobertura normal, LTE-M puede lograr latencias algo más bajas debido a las velocidades de datos más altas proporcionadas por LTE-M. En cobertura extendida, EC-GSM-IoT puede proporcionar la latencia más baja debido a la mayor potencia de salida del dispositivo, que puede proporcionar velocidades de datos más altas. El NB-IoT independiente tiene una latencia más baja en comparación con el NB-IoT en banda debido a la mayor potencia utilizada para los canales de enlace descendente.

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FIGURA 9.9 Latencia del informe de excepción.

9.3.1.3 Duración de la batería

La vida útil de la batería se ha analizado para todas las tecnologías CIoT, asumiendo dos baterías AA con una capacidad conjunta de 5 Wh. Se ha supuesto una eficiencia del amplificador de potencia del 45% al ​​50% para las tres tecnologías de IoT.

En general, todas las tecnologías CIoT aplican mecanismos para ahorrar la vida útil de la batería para la transmisión infrecuente de mensajes, como es común para muchos servicios de IoT. Los principios fundamentales son que los dispositivos solo se activan para la transferencia de datos y, de lo contrario, se ponen en un estado de suspensión para ahorrar batería. Se han definido procedimientos eficientes que minimizan la sobrecarga de señalización asociada con la transferencia de datos. Esto es particularmente importante para mensajes pequeños porque cualquier sobrecarga de señalización puede representar una parte significativa del consumo de energía.

Para un informe diario de un mensaje de 200 bytes, la duración de la batería para las diferentes tecnologías CIoT se muestra en la Figura 9.10. Los resultados para diferentes tamaños de mensajes y periodicidades de transferencias de datos de IoT se resumen en la Tabla 9.5. En general, todas las tecnologías permiten una duración de la batería de 10 años y, en algunos casos, incluso significativamente más. El mayor desafío para una batería de larga duración es cuando un dispositivo se encuentra en una posición de cobertura muy mala. En el modo de cobertura extendida, se utilizan velocidades de datos muy bajas y se aplican muchas repeticiones para la transferencia de datos. En esta situación, un dispositivo requiere un esfuerzo prolongado para la transmisión de datos, lo que reduce la oportunidad de descansar en un estado de suspensión que ahorra batería. En consecuencia, la vida útil de la batería se reduce significativamente con el MCL de 164 dB para todas las tecnologías CIoT. Con una pérdida de acoplamiento tan grande, solo se puede lograr una vida útil de la batería de 10 años, si los eventos de transferencia de datos de un dispositivo ocurren raramente, como una vez al día. Para eventos de transferencia de datos más frecuentes, como un mensaje cada 2 h, se pueden alcanzar tiempos de duración de la batería de 1 a 3 años con un MCL de 164 dB.

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FIGURA 9.10 Duración de la batería para un dispositivo con un informe diario de un mensaje de 200 bytes.

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Tabla 9.5 Duración de la batería

Las tres tecnologías cumplen, o indican un potencial de cumplimiento, el requisito de 3GPP para lograr 10 años de duración de la batería con el MCL de 164 dB.