¿Qué es el IoT de banda estrecha (NB-IoT)?

¿Qué es NB-IoT?

Con la introducción de LPWAN (red de área extensa de baja potencia) como LoRa y SigfoxLa industria móvil respondió a estas tecnologías emergentes con NB-IoT (Narrowband Internet of Things) para aplicaciones IoT y M2M (Machine-to-Machine). Esto se introdujo como parte de la versión (13) del organismo de estándares celulares 3GPP, que también se conoce como LTE CAT-NB. Los principales objetivos de la introducción de NB-IoT eran introducir una batería de larga duración, baja latencia, bajo consumo y una mejor cobertura en interiores. Otra característica interesante de los despliegues de NB-IoT es la capacidad de coexistir con 2G, 3G y 4G redes móviles, además el 3GPP ya ha previsto la inclusión de NB-IoT en 5G estándares. Ahora vamos a entrar en más detalles sobre el funcionamiento de NB-IoT y sus características.

¿Cómo funciona?

NB-IoT utiliza la red portadora móvil para la transmisión de datos. Los datos de los sensores se recogen y se transmiten a nodos de transmisión o estaciones base NB-IoT. Estos nodos de transmisión están conectados a una Pasarela IoT y servidores de aplicaciones en la nube IoT para su posterior procesamiento.

Existen tres modos de funcionamiento principales para el despliegue de NB-IoT, a saber: En banda, En banda de guarda y Autónomo. En el modo de funcionamiento en banda, se utiliza para NB-IoT un único bloque fuente de ancho de banda de 180 kHz dentro de la banda GSM asignada. En la banda de guarda, la portadora NB-IoT se transmite utilizando la banda de guarda no utilizada dentro de una portadora LTE. Por último, la portadora NB-IoT se transmite como portadora autónoma en el modo de funcionamiento autónomo.

El modo de funcionamiento autónomo ofrece el mejor rendimiento, pero sin embargo la mayoría de los casos de uso desplegados utilizan el modo de funcionamiento de banda de guarda, que por otro lado afecta al rendimiento de LTE. Sin embargo, este último método es presumiblemente más rentable. Por otro lado, el modo de funcionamiento en banda reduce el rendimiento tanto de LTE como de NB-IoT, ya que empaqueta la portadora NB-IoT en el espectro LTE asignado.

La transmisión de datos de NB-IoT en el canal de enlace ascendente se lleva a cabo de forma eficiente, ya que NB-IoT es semidúplex. Aquí, primero se establece una conexión con la red celular, después se produce la asignación de recursos de red al nodo y, por último, tiene lugar la transmisión de datos. Profundizando en el proceso, el dispositivo estará inicialmente desconectado de la red, hasta que tenga algunos datos que transmitir. Tras establecer la conexión, el dispositivo mantiene conectado el Control de Recursos de Radio (RRC) durante un tiempo configurable hasta que el RRC esté inactivo y entonces se desconectará. NB-IoT ha permitido la terminación immediate de la conexión una vez recibida la confirmación de los datos, reduciendo el exceso de consumo de energía heredado en las redes LTE, que asumen conexiones activas. Además, para enviar datos a una aplicación, en NB-IoT se definen dos optimizaciones para el Internet Celular de las Cosas (CIoT) en el Sistema de Paquetes Evolucionado (EPS), que se aplican al plano de usuario y al plano de control.

Características y ventajas de NB-IoT

Veamos ahora algunas características y ventajas interesantes de NB-IoT.

• Bajo consumo de energía: NB-IoT reduce el consumo de energía de los nodos periféricos alimentados por batería mediante funciones como el modo de ahorro de energía (PSM) y la recepción discontinua ampliada (eDRX). PSM es una función del equipo de usuario (UE), que informa de la frecuencia y el tiempo que necesita estar activo para transmitir datos. eDRX es una ampliación de la función de recepción discontinua (DRX) ya existente en LTE, por la que el equipo de usuario se desconecta de la red durante un periodo de tiempo imperceptible. El objetivo de ambas funciones es proporcionar una autonomía de más de 10 años a los dispositivos de nodos periféricos con baterías de 5 Wh de capacidad.
•  Mejor cobertura: la pérdida máxima de acoplamiento (MCL) de NB-IoT es de 164 dB, lo que permite una cobertura profunda en túneles, sótanos, zonas rurales y entornos abiertos. Esto supone una mejora de 20 dB respecto a LTE y multiplica por 7 el área de cobertura.
• Bajo coste de los dispositivos con baja velocidad de transmisión de datos: Debido a la menor complejidad de los dispositivos, sus precios oscilan en torno a $6 por módulo. Otro factor que contribuye a la menor complejidad de los dispositivos es el modo de communicación semidúplex desplegado en NB-IoT.
•  Capacidad para conectar un número masivo de dispositivos de bajo rendimiento: Soporta al menos más de 50.000 dispositivos conectados dentro de un sector de emplazamiento celular. La velocidad de datos prevista para el enlace ascendente y descendente es de unos 160 bps.
• Canales más estrechos: El ancho de canal de NB-IoT es de 180 kHz. Esto reduce la complejidad del diseño del dispositivo y también la potencia y el coste de los dispositivos. NB-IoT asigna a cada UE una o más subportadoras de 15 kHz en el bloque de recursos de 180 kHz asignado. Existe flexibilidad para reducirlo a 3,75 kHz, lo que permite que más dispositivos compartan el espacio.
• Menor latencia: NB-IoT aspira a latencias inferiores a 10 segundos.
• Capacidad mejorada: Funciones como la optimización de la señalización, la transmisión de banda estrecha, la solicitud de repetición automática híbrida (HARQ) y la modulación adaptativa permiten conectar millones de dispositivos NB-IoT en una zona determinada.
• Seguridad heredada: NB-IoT hereda las funciones de seguridad de LTE, incluida la autenticación basada en SIM.
• Sin movilidad: NB-IoT no admite traspaso y, por tanto, debe permanecer asociada a una única célula o permanecer estacionaria.

Aplicación de NB-IoT

A continuación se enumeran algunas de las áreas de aplicación interesantes de NB-IoT:

• Medición inteligente: Debido a la mayor capacidad de penetración y la cobertura mejorada de NB-IoT, es muy adecuado para los sistemas de medición subterráneos y los sistemas de medición remotos.
• Seguimiento de menos móviles: NB-IoT es ideal para el seguimiento de asistentes menos móviles donde hay menos movilidad.
• Ciudades inteligentes: NB-IoT puede conectar entre sí millones de dispositivos de bajo rendimiento, lo que resulta crucial para diseñar sistemas más complejos, como las ciudades inteligentes.
• Aplicaciones de edificios inteligentes e IoT industrial (IIoT): NB-IoT puede monitorizar datos medioambientales y de mantenimiento a través de las conexiones de banda ancha establecidas en edificios y fábricas.

¿Cuándo considerar NB-IoT?

NB-IoT es muy adecuado para dispositivos dormidos con bajo consumo de energía. También es adecuado para IoT y M2M casos de uso en los que se requieren velocidades de datos bajas y menos movilidad con bajo coste, fuerte cobertura y alta densidad de dispositivos conectados para un rango de operación determinado. Según [1], las mayores cuotas de mercado de NB-IoT en Europa corresponden a los sectores de infraestructuras y agricultura, respectivamente, seguidos por los de automoción y sanidad. Esto le dará una idea de cuándo considerar NB-IoT en su aplicación.

NB-IoT frente a LTE-M

Tanto NB-IoT como LTE-M se introdujeron en 2016 mediante la versión 13 del 3GPP. En primer lugar, LTE-M ofrece velocidades de datos más altas y latencias más bajas que NB-IoT. Además, LTE-M tiene la capacidad de soportar communicación tanto de voz como de datos, mientras que NB-IoT solo puede soportar communicación de datos. Además, gracias a su herencia de LTE, LTE-M está equipado con capacidad de itinerancia "out-of-box", lo que permite su uso en más aplicaciones móviles.

Sin embargo, NB-IoT ofrece más capacidad de cobertura y penetración que LTE-M. Además, NB-IoT tiene retrocompatibilidad con las redes celulares 2G y 3G, lo que supone un inconveniente en LTE-M, ya que estas redes celulares siguen utilizándose ampliamente. Por último, NB-IoT es una alternativa más rentable que LTE-M debido a su escaso ancho de banda y baja velocidad de transmisión de datos.

Compruebe el diferencia entre NB-IoT y LoRa en el IoT si le interesa.

Conclusión

Según [1] , el mercado mundial de NB-IoT está valorado en 578,0 millones de USD en 2018 y se espera que crezca como 3GPP ya ha adoptado disposiciones para NB-IoT también en las communicaciones celulares 5G. Esto permitirá una mayor cobertura y muchos dispositivos interconectados, lo que dará lugar a despliegues masivos de IoT. Por lo tanto, merece la pena considerar NB-IoT en su aplicación IoT estática y de bajo consumo.