IoT celular - Comparação de tecnologias CIoT

Capítulo 9. O cenário competitivo da tecnologia da Internet das Coisas (cont.)

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

9.3 ESCOLHA DA TECNOLOGIA CIoT

9.3.1 COMPARAÇÃO DE TECNOLOGIAS CIoT

As diferentes tecnologias CIoT EC-GSM-IoT, NB-IoT e LTE-M foram amplamente analisadas nos Capítulos 3-8. Aqui, resumimos e comparamos o desempenho e as características. Para NB-IoT, consideramos neste resumo apenas as opções de implantação em banda e autônoma para simplificar. O desempenho do modo de operação da banda de guarda é em grande parte semelhante ao desempenho dentro da banda. A análise de desempenho NB-IoT completa, incluindo a operação de banda de guarda, pode ser encontrada no Capítulo 8.

9.3.1.1 Cobertura e taxa de dados

A taxa de dados em uplink e downlink para todas as tecnologias CIoT estão resumidas nas Figuras 9.7 e 9.8 para diferentes perdas de acoplamento. Todas essas tecnologias introduziram recursos de cobertura estendida, que permitem uma operação com perda de acoplamento de até 164 dB. Esta é uma extensão significativa da faixa de cobertura em comparação com o que pode ser encontrado nas redes do Sistema Global para Comunicações Móveis (GSM), UMTS ou Evolução de Longo Prazo (LTE) hoje. Para EC-GSM-IoT, a perda de acoplamento de 164 dB é baseada em um dispositivo com uma potência de saída de 33 dBm, como é comum em redes GSM. No entanto, isso significa que uma potência de saída do dispositivo 10 dB maior é necessária para uma faixa estendida completa em EC-GSM-IoT em comparação com a potência de saída do dispositivo para NB-IoT e LTE-M para alcançar a mesma cobertura de uplink. Ao examinar mais detalhes dos resultados da cobertura estendida nos Capítulos 4, 6 e 8, é visto que NB-IoT pode operar com uma taxa de erro de bloqueio de canal de controle inferior do que EC-GSM-IoT e LTE-M a 164 dB MCL , tornando-o mais robusto em cobertura extrema. Pode-se notar que LTE-M e EC-GSM-IoT podem aplicar salto de frequência, o que fornece alguma robustez de cobertura adicional devido à diversidade de frequência adicional.

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FIGURA 9.7 Cobertura e taxa de dados da camada física para uplink.

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FIGURA 9.8 Cobertura e taxa de dados da camada física para downlink.

As Figuras 9.7 e 9.8 também fornecem as taxas de dados da camada física valores para as diferentes tecnologias CIoT. O pico instantâneo da taxa de dados da camada física especifica a taxa de dados alcançável dos canais de dados apenas. Os demais valores de taxa de dados nas tabelas referem-se às taxas de dados efetivas da camada física para a transmissão de uma única mensagem, onde também as latências para programação e sinalização de controle são levadas em consideração no tempo de transmissão da mensagem. Nesta comparação, presume-se que a operação half-duplex é usada para todas as tecnologias, mas deve-se notar que os dispositivos LTE-M também podem ser implementados com suporte para operação full-duplex que alcançará taxas de dados mais altas (com taxas de pico próximas ao taxas de dados de camada física de pico instantâneo). Essas taxas são fornecidas para dispositivos com diferentes perdas de acoplamento para a estação base: taxa de dados de pico da camada física corresponde a um dispositivo com uma conexão ideal sem erros a uma estação base. As taxas de dados da camada física com perda de acoplamento de 144 dB correspondem à borda da célula normal da célula de rádio GSM ou LTE, e 154 e 164 dB correspondem a 10 e 20 dB de extensão de cobertura em comparação com a borda da célula do GSM.

O que pode ser visto é que o LTE-M pode atingir taxas de dados significativamente mais altas no uplink e no downlink em comparação com NB-IoT ou EC-GSM-IoT. Este é, em particular, o caso de dispositivos que estão dentro da cobertura normal da célula de rádio. Quando os dispositivos estão localizados em áreas de cobertura estendida, o uplink é limitado pela potência de saída do dispositivo e todas as tecnologias CIoT nos fazem repetições para atingir a qualidade de link necessária. Em situações extremas de cobertura, como perda de acoplamento de 164 dB, as taxas de dados alcançáveis ​​para diferentes tecnologias tornam-se bastante semelhantes ao usar a mesma potência de saída. EC-GSM-IoT tem no MCL 164 dB uma taxa de dados mais alta do que as outras tecnologias devido à potência de saída 10 dB mais alta do dispositivo. Dentro da mesma operadora LTE, LTE-M tem em geral taxas de dados mais altas do que NB-IoT em banda.

Todas as três tecnologias cumprem o requisito 3GPP de atingir 160 bps no MCL de 164 dB.

9.3.1.2 Latência

A latência das tecnologias CIoT foi avaliada em relação a um relatório de exceção , que é uma mensagem IoT rara e de alta importância contida em um pacote IP de 85 bytes, que está sendo transmitido de um dispositivo pela rede CIoT. Todas as tecnologias, LTE-M, NB-IoT e EC-GSM-IoT, cumprem a meta de latência 3GPP de 10 s definida pela primeira vez na Versão 13, conforme ilustrado na Figura 9.9. Quando um dispositivo está dentro da cobertura normal, o LTE-M pode atingir latências um pouco mais baixas devido às taxas de dados mais altas fornecidas pelo LTE-M. Em cobertura estendida, EC-GSM-IoT pode fornecer a latência mais baixa devido à maior potência de saída do dispositivo, que pode fornecer taxas de dados mais altas. O NB-IoT autônomo tem uma latência menor em comparação com o NB-IoT dentro da banda devido à maior potência usada para canais de downlink.

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FIGURA 9.9 Latência para relatório de exceção.

9.3.1.3 Vida útil da bateria

A vida útil da bateria foi analisada para todas as tecnologias CIoT, assumindo duas baterias AA com uma capacidade conjunta de 5 Wh. Uma eficiência do amplificador de potência de 45% -50% foi presumida para todas as três tecnologias IoT.

No geral, todas as tecnologias CIoT aplicam mecanismos para economizar a vida útil da bateria para transmissão infrequente de mensagens, pois é comum para muitos serviços de IoT. Os princípios básicos são que os dispositivos só se tornam ativos para a transferência de dados e, caso contrário, são colocados em um estado de hibernação para economia de bateria. Procedimentos eficientes foram definidos, o que minimiza a sobrecarga de sinalização associada à transferência de dados. Isso é particularmente importante para mensagens pequenas porque qualquer sobrecarga de sinalização pode, então, ser responsável por uma parte significativa do consumo de energia.

Para um relatório diário de uma mensagem de 200 bytes, a vida útil da bateria para as diferentes tecnologias CIoT é ilustrada na Figura 9.10. Os resultados para diferentes tamanhos de mensagens e periodicidades de transferências de dados de IoT estão resumidos na Tabela 9.5. No geral, todas as tecnologias permitem durações de bateria de 10 anos e, em alguns casos, até significativamente mais. O maior desafio para uma longa vida útil da bateria é quando um dispositivo está localizado em uma posição de cobertura muito ruim. No modo de cobertura estendida, taxas de dados muito baixas são usadas e muitas repetições são aplicadas para a transferência de dados. Nessa situação, um dispositivo requer um esforço prolongado para transmissões de dados, o que reduz a oportunidade de descansar em um estado de espera para economia de bateria. Consequentemente, a vida útil da bateria é significativamente reduzida no MCL de 164 dB para todas as tecnologias CIoT. Com uma perda de acoplamento tão grande, uma vida útil da bateria de 10 anos só pode ser alcançada se eventos de transferência de dados de um dispositivo ocorrerem raramente, como uma vez por dia. Para eventos de transferência de dados mais frequentes, como uma mensagem a cada 2 horas, durações da bateria de 1-3 anos são alcançáveis ​​com um MCL de 164 dB.

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FIGURA 9.10 Vida útil da bateria para um dispositivo com um relatório diário de uma mensagem de 200 bytes.

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Tabela 9.5 Vida útil da bateria

Todas as três tecnologias cumprem, ou indicam um potencial de cumprimento, o requisito 3GPP de atingir 10 anos de vida útil da bateria no MCL de 164 dB.