CAT-M1 vs NB-IoT - examinando as diferenças reais

À medida que os participantes da indústria buscam fornecer a próxima geração de conectividade IoT, dois padrões diferentes surgiram na versão 13 do 3GPP - CAT-M1 e NB-IoT .

NB-IoT vs Cat-M2

Posteriormente, o mercado ficou fragmentado e é justo dizer que a confusão é grande. De fato, os esforços feitos para promover cada padrão, bem como o tempo e o dinheiro em jogo, estão levando os fabricantes de chips, provedores de hardware e redes de serviço a examinar cuidadosamente cada opção. Primeiro, vamos dar uma olhada em algumas das diferenças de objetivo no gráfico abaixo.

Parâmetro	CAT-M1 (CAT-M)	NB-IoT
Largura de banda	1,4 MHz	200 KHz
Modos de operação	In-band	In-band, Guard-band, autônomo (bandas GSM)
Modo Duplex	HD-FDD / FDD / TDD	HD-FDD (TDD em discussão)
Taxa de pico de dados	375 Kbps (HD-FDD), 1 Mbps (FDD)	~ 50 kbps para HD-FDD (ainda não decidido em 3GPP)
Potência de transmissão UL	23dBm 20dBm	23dBm, menor potência em discussão
Suporte VoLTE	Terá suporte	Sem suporte
Suporte de mobilidade	Suporte total para mobilidade	Sem mobilidade conectada (somente nova seleção do modo inativo)
TTM	vantagem de 6 a 9 meses (estimado)	Padrão ainda não finalizado Alguns aspectos adiados para R14

Como podemos ver, o Cat M-1 tem a vantagem na taxa de pico de dados, bem como no tempo de colocação no mercado, enquanto o NB-IoT tem maior flexibilidade no espectro que pode ser utilizado e nos modos de operação.

Obviamente, os parâmetros-chave que mais interessam aos fornecedores são desempenho, custo e potência. A percepção atual do mercado é que o NB-IoT oferece melhor cobertura, menor consumo de energia e custo significativamente menor. No entanto, um olhar mais atento e crítico dos dados sugere que essa não é a realidade técnica. Vamos nos aprofundar nesses 3 KPIs importantes do ponto de vista técnico, diz Itay Lusky, diretor sênior de Marketing Estratégico de Produto da Altair Semiconductor.

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

A perda máxima de acoplamento (MCL) é definida como a perda total máxima de canal entre o Equipamento do Usuário (UE) e as portas de antena eNodeB (eNB) nas quais o serviço de dados ainda pode ser entregue. Praticamente, inclui ganhos de antena, perda de caminho, sombreamento e quaisquer outras deficiências. Quanto maior o MCL, mais robusto é o link.

De acordo com 3GPP, o MCL para CAT-M1 é 155,7 dB enquanto NB-IoT é 164 dB - uma diferença extraordinária de mais de 8 dB. Superficialmente, isso indicaria uma vantagem significativa para o desempenho do NB-IoT. No entanto, isso é uma surpresa porque, de acordo com a Teoria de Shannon, a baixa capacidade de aproximação SNR é independente da largura de banda se o ruído for branco.

Como resultado, teríamos esperado:

• Cobertura semelhante no uplink, assumindo a mesma potência de transmissão total
• x6 (~ 8dB) melhor cobertura para CAT-M1 no downlink, pois a energia do sinal eNB de entrada é x6 maior devido à largura de banda maior usada

De fato, um olhar mais atento à definição do cenário de referência revela que o MCL nos dois padrões foram definidos usando diferentes potência de transmissão, Figura de ruído e suposições de taxa de transferência alvo, tornando-a uma comparação desigual. Isso pode ser visto na tabela abaixo.

	CAT-M1		NB-IoT
Referências	3GPP 36.888, RP-150492		3GPP 45.820 7A
	Downlink	Uplink	Downlink	Uplink
Tx Power	46dBm / 9MHz	23dBm	43dBm / 180kHz	23dBm
Figura de ruído	9 dB	5 dB	5 dB	3 dB

Se, em vez disso, usarmos as mesmas suposições (potência Tx igual, Figura de ruído e taxa de transferência alvo), veremos que as expectativas acima se mantêm:em UL ambos os padrões têm a mesma cobertura, e em DL CAT-M1 tem cobertura ~ 8dB melhor que NB -IoT.

Na prática, quando consideramos os recursos de salto de frequência e turbo / codificação presentes no padrão CAT-M1, a vantagem do CAT-M1 é ainda mais revelada.

Custo

NB-IoT é percebido como tendo uma estrutura de custo substancialmente menor em comparação com CAT-M1, o que é crucial em produtos como rastreadores inteligentes, sensores e medidores inteligentes.

O diagrama abaixo de um modem típico nos ajudará a avaliar essa afirmação.

O diagrama de blocos mostra os blocos de construção comuns de um projeto de módulo típico. Isso inclui blocos de RF (como filtros, interruptores, PA, transmitir e receber cadeias, etc.), transmitir e receber blocos analógicos, banda base ("BB"), implementação de protocolo de manipulação de processador, memória, outros blocos de serviço (cristais, Unidade de gerenciamento de energia - PMU, suporte eUICC, Real Time Clock- RTC) e blocos opcionais (como GPS e MCU).



A maioria dos blocos, marcados em branco, não mudam em função do padrão 3GPP utilizado.

Isso é verdadeiro assumindo que haja uma comparação comparativa entre as tecnologias (ou seja, mesmo número de bandas, serviços adicionados pela mesma operadora, mesmos recursos adicionados, como GPS integrado, MCU etc.).

O bloco principal que é alterado entre as tecnologias é a camada física de banda base (PHY) responsável pelo Processamento de Sinal Digital (DSP) do modem.

O tamanho do bloco PHY da banda base pode ser substancialmente reduzido passando de processamento de 1,4 MHz para processamento de 200 KHz. No entanto, dada a tecnologia atual, a diferença é de ~ 10 centavos de dólar de custo, o que é ~ 2% dos preços-alvo dos módulos para tecnologias 3GPP R13. Essa lacuna se tornará ainda menor em cerca de 2-3 anos quando a tecnologia amadurecer, levando em consideração o encolhimento da tecnologia de acordo com a lei de Moore.

Resumindo, o NB-IoT tem uma vantagem de custo sobre o CAT-M1, no entanto, é muito menor do que a percepção atual da indústria.

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Poder

O consumo de energia em dispositivos IoT é composto pelo consumo de energia em espera e ativo.

O consumo de energia em espera é uma função do design e da tecnologia usada e, essencialmente, não deve ser diferente entre CAT-M1 e NB-IoT. O consumo de energia ativa difere entre as duas tecnologias. É essencialmente a multiplicação da densidade de potência transmitida e o comprimento da transmissão.

Começando com o consumo de energia ativa DL, CAT-M1 tem suporte de throughput substancialmente mais alto (ambos x6 em largura de banda e suporte de modulação mais alto) do que NB-IoT. Como resultado, o tempo da UE para que dados específicos sejam recebidos é substancialmente menor, resultando em um consumo de energia ativa estimado 50% menor do que o NB-IoT.

Para UL, em boas condições de canal, CAT-M1 tem menor consumo de energia ativa devido ao seu suporte de modulação superior. Em condições de canal limitado, o NB-IoT é superior ao CAT-M1 devido ao seu suporte à transmissão de tom único. Esse benefício provavelmente será encerrado no 3GPP R14.

Para resumir, CAT-M1 tem menor consumo de energia ativa em DL e UL em boas condições de canal. Para condições de canal limitado UL, o NB-IoT hoje tem números de potência ativa melhores.

Conclusão

Tanto CAT-M1 quanto NB-IoT estão sendo perseguidos agressivamente para se tornarem a solução de conectividade de fato para produtos IoT. Embora os dois padrões se saiam bem em cenários diferentes, é fundamental não considerar as percepções do mercado pelo valor de face, mas sim comparar as duas soluções uniformemente, todas as coisas sendo iguais, a fim de tomar as decisões de tecnologia corretas.

Analisamos três KPIs principais, incluindo cobertura, custo e consumo de energia. Embora a percepção do mercado seja que o NB-IoT tem uma vantagem clara sobre o CAT-M1 para esses KPIs, concluímos que o CAT-M1 realmente oferece vantagens de cobertura e potência e apenas uma desvantagem de custo mínima quando comparado ao NB-IoT.

As plataformas futuras que suportam CAT-M1 e NB-IoT podem, em última análise, permitir que os provedores protejam suas apostas, mas até então é crucial entender os dados técnicos e considerar o valor agregado real antes de escolher.

O autor deste blog é Itay Lusky, diretor sênior de Marketing Estratégico de Produto da Altair Semiconductor

Sobre o autor:

Itay Lusky é o diretor sênior de Marketing Estratégico de Produto da Altair Semiconductor, fornecedora líder de chipsets LTE de modo único. O portfólio da Altair cobre o espectro completo das necessidades do mercado de 4G celular, desde aplicações centradas em vídeo sobrealimentadas até potência ultrabaixa, IoT e M2M de baixo custo. A Altair já despachou milhões de chipsets LTE até o momento, comercialmente implantados nas redes LTE mais avançadas do mundo.