CAT-M1 vs NB-IoT - examinando las diferencias reales

A medida que los actores de la industria buscan proporcionar la próxima generación de conectividad de IoT, han surgido dos estándares diferentes en la versión 13 de 3GPP: CAT-M1 y NB-IoT .

NB-IoT frente a Cat-M2

Posteriormente, el mercado se fragmentó y es justo decir que abunda la confusión. De hecho, los esfuerzos que se están realizando para promover cada estándar, así como el tiempo y el dinero en juego, están empujando a los fabricantes de chips, proveedores de hardware y redes de servicios a examinar cuidadosamente cada opción. Primero, veamos algunas de las diferencias objetivas en el cuadro a continuación.

Parámetro	CAT-M1 (CAT-M)	NB-IoT
Ancho de banda	1,4 MHz	200 KHz
Modos de funcionamiento	En banda	In-band, Guard-band, independiente (bandas GSM)
Modo dúplex	HD-FDD / FDD / TDD	HD-FDD (TDD en discusión)
Velocidad máxima de datos	375 Kbps (HD-FDD), 1 Mbps (FDD)	~ 50 kbps para HD-FDD (aún no decidido en 3GPP)
Potencia de transmisión UL	23dBm 20dBm	23dBm, menor potencia en discusión
Compatibilidad con VoLTE	Será compatible	No admitido
Soporte de movilidad	Soporte de movilidad total	Sin movilidad conectada (solo reselección en modo inactivo)
TTM	Ventaja de 6 a 9 meses (estimada)	El estándar aún no está finalizado Algunos aspectos aplazados a R14

Como podemos ver, Cat M-1 tiene la ventaja en la velocidad máxima de datos, así como en el tiempo de comercialización, mientras que NB-IoT tiene una mayor flexibilidad en el espectro que se puede utilizar y en los modos de operación.

Por supuesto, los parámetros clave que más interesan a los proveedores son el rendimiento, el costo y la potencia. La percepción actual del mercado es que NB-IoT ofrece una mejor cobertura, menor consumo de energía y un costo significativamente menor. Sin embargo, una mirada más cercana y crítica a los datos sugiere que esta no es la realidad técnica. Profundicemos en estos 3 KPI importantes desde un punto de vista técnico, dice Itay Lusky, director senior de marketing de productos estratégicos en Altair Semiconductor.

Rendimiento de Cat-M1, Cat-M, NB-IoT, Cat-M2

La pérdida de acoplamiento máxima (MCL) se define como la pérdida de canal total máxima entre los puertos de antena del equipo de usuario (UE) y eNodeB (eNB) en los que aún se puede entregar el servicio de datos. En la práctica, incluye ganancias de antena, pérdida de trayectoria, sombreado y cualquier otra degradación. Cuanto mayor sea el MCL, más sólido será el enlace.

Según 3GPP, el MCL para CAT-M1 es de 155,7 dB mientras que NB-IoT es de 164 dB, una diferencia extraordinaria de más de 8 dB. A primera vista, esto indicaría una ventaja significativa para el rendimiento de NB-IoT. Sin embargo, esto es una sorpresa porque, según la teoría de Shannon, la baja capacidad de aproximación de SNR es independiente del ancho de banda si el ruido es blanco.

Como resultado, hubiéramos esperado:

• Cobertura similar en el enlace ascendente asumiendo la misma potencia de transmisión total
• x6 (~ 8dB) mejor cobertura para CAT-M1 en el enlace descendente ya que la energía de la señal eNB entrante es x6 mayor debido al mayor ancho de banda utilizado

De hecho, una mirada más cercana a la definición del escenario de referencia revela que el MCL en los dos estándares se definieron utilizando diferentes suposiciones de potencia de transmisión, figura de ruido y rendimiento objetivo, lo que la convierte en una comparación desigual. Esto se puede ver en la siguiente tabla.

	CAT-M1		NB-IoT
Referencias	3GPP 36.888, RP-150492		3GPP 45.820 7A
	Enlace descendente	Enlace ascendente	Enlace descendente	Enlace ascendente
Tx Power	46dBm / 9MHz	23dBm	43dBm / 180 kHz	23dBm
Figura de ruido	9 dB	5 dB	5 dB	3 dB

Si, en cambio, usamos las mismas suposiciones (igual potencia Tx, figura de ruido y rendimiento objetivo), veremos que las expectativas anteriores se cumplen:en UL ambos estándares tienen la misma cobertura, y en DL CAT-M1 tiene ~ 8dB mejor cobertura que NB -IoT.

En la práctica, cuando consideramos las funciones de codificación / turbo y salto de frecuencia presentes en el estándar CAT-M1, la ventaja de CAT-M1 se revela aún más.

Costo

Se percibe que NB-IoT tiene una estructura de costos sustancialmente más baja en comparación con CAT-M1, que es fundamental en productos como rastreadores inteligentes, sensores y medidores inteligentes.

El siguiente diagrama de un módem típico nos ayudará a evaluar esta afirmación.

El diagrama de bloques muestra los bloques de construcción comunes de un diseño de módulo típico. Esto incluye bloques de RF (como filtros, interruptores, PA, cadenas de transmisión y recepción, etc.), bloques analógicos de transmisión y recepción, banda base ("BB"), implementación del protocolo de manejo del procesador, memoria, otros bloques de servicio (cristales, unidad de administración de energía - PMU, soporte eUICC, reloj en tiempo real (RTC) y bloques opcionales (como GPS y MCU).

La mayoría de los bloques, marcados en blanco, no cambian como función del estándar 3GPP utilizado.

Esto es cierto asumiendo que hay una comparación de manzanas con manzanas entre tecnologías (es decir, el mismo número de bandas, los mismos servicios agregados por el operador, las mismas capacidades adicionales como GPS integrado, MCU, etc.).

El bloque principal que se cambia entre tecnologías es la capa física de banda base (PHY) a cargo del procesamiento de señal digital (DSP) del módem.

El tamaño del bloque PHY de banda base puede reducirse sustancialmente al pasar del procesamiento de 1.4Mhz al procesamiento de 200KHz. Sin embargo, dada la tecnología actual, la diferencia es de ~ 10 centavos del costo delta, que es ~ 2% de los precios de los módulos objetivo para las tecnologías 3GPP R13. Esa brecha se reducirá aún más en aproximadamente 2-3 años cuando la tecnología madure teniendo en cuenta la contracción de la tecnología según la ley de Moore.

En resumen, NB-IoT tiene una ventaja de costos sobre CAT-M1, sin embargo, es mucho menor que la percepción actual de la industria.

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Energía

El consumo de energía en los dispositivos de IoT se compone tanto del consumo de energía en espera como activo.

El consumo de energía en espera es una función del diseño y la tecnología utilizada, y esencialmente no debería diferir entre CAT-M1 y NB-IoT. El consumo de energía activa difiere entre las dos tecnologías. Es esencialmente la multiplicación de la densidad de potencia transmitida y la duración de la transmisión.

Comenzando con el consumo de energía activa DL, CAT-M1 tiene un soporte de rendimiento sustancialmente mayor (tanto x6 en ancho de banda como soporte de modulación más alto) que NB-IoT. Como resultado, el tiempo de la UE para recibir datos específicos es sustancialmente menor, lo que resulta en un consumo de energía activa estimado en un 50% menor que NB-IoT.

Para UL, en buenas condiciones de canal, CAT-M1 tiene un menor consumo de energía activa debido a su mayor soporte de modulación. En condiciones de canal limitadas, NB-IoT es superior a CAT-M1 debido a que admite la transmisión de un solo tono. Es probable que ese beneficio se cierre en 3GPP R14.

En resumen, CAT-M1 tiene un menor consumo de energía activa en DL y UL en buenas condiciones de canal. Para las condiciones de canal limitadas de UL, NB-IoT hoy tiene mejores números de potencia activa.

Conclusión

Tanto CAT-M1 como NB-IoT se persiguen de manera agresiva para convertirse en la solución de conectividad de facto para los productos de IoT. Si bien a ambos estándares les va bien en diferentes escenarios, es fundamental no tomar las percepciones del mercado al pie de la letra, sino comparar ambas soluciones de manera uniforme, en igualdad de condiciones, para tomar las decisiones tecnológicas correctas.

Analizamos tres KPI clave, incluidos la cobertura, el costo y el consumo de energía. Si bien la percepción del mercado es que NB-IoT tiene una clara ventaja sobre CAT-M1 para estos KPI, concluimos que CAT-M1 en realidad ofrece ventajas de cobertura y potencia, y solo una desventaja de costo mínima en comparación con NB-IoT.

Las plataformas futuras que admitan tanto CAT-M1 como NB-IoT pueden, en última instancia, permitir a los proveedores cubrir sus apuestas, pero hasta entonces es crucial comprender los datos técnicos y considerar el valor agregado real antes de elegir.

El autor de este blog es Itay Lusky, director senior de marketing de productos estratégicos en Altair Semiconductor

Acerca del autor:

Itay Lusky es el director senior de marketing de productos estratégicos en Altair Semiconductor, un proveedor líder de conjuntos de chips LTE monomodo. La cartera de Altair cubre el espectro completo de las necesidades del mercado de 4G celular, desde aplicaciones centradas en video sobrealimentadas hasta potencia ultrabaja, IoT y M2M de bajo costo. Altair ha enviado millones de conjuntos de chips LTE hasta la fecha, implementados comercialmente en las redes LTE más avanzadas del mundo.