Che cos'è l'LTE-M e come si confronta con l'NB-IoT?

Che cos'è l'LTE-M?

Le applicazioni Internet of Things (IoT) distribuite nelle reti geografiche richiedono protocolli di comunicazione affidabili. LTE-M o LTE-Cat M1 è un protocollo WAN di questo tipo. Appartiene alla famiglia WAN a bassa potenza (LPWAN), dove altre tecnologie, come la LoRa e NB-IoT. Può essere considerata un concorrente basato sulla tecnologia cellulare di altre tecnologie LPWAN, specificamente mirate alla realizzazione di applicazioni WAN IoT. È stata rilasciata per la prima volta nel Rilascio 13 da parte di 3GPP nel 2016. L'importanza dell'LTE-M risiede nelle sue applicazioni a larghezza di banda ridotta per il collegamento di dispositivi con risorse limitate su una WAN. LTE-M si basa sull'infrastruttura cellulare esistente, riducendo così i costi generali di creazione di nuove infrastrutture. LTE-M è in grado di fornire una velocità di trasmissione dati fino a 4 Mbps, come previsto dalla Release 14.

Come funziona l'LTE-M?

LTE-M, a differenza delle sue controparti cellulari come LTEè focalizzata su IoT e M2M applicazioni su una rete geografica. A tal fine, l'LTE-M possiede alcune caratteristiche integrate che lo rendono un candidato ideale per questo scopo.

La prima sfida da superare è l'elevato consumo di energia delle tecnologie di co1TP14unicazione cellulare tradizionali. Per superare questo problema, LTE-M utilizza due caratteristiche eccezionali. Si tratta di:

• Modalità di risparmio energetico (PSM)
• Ricezione discontinua estesa (eDRX)

In PSM il dispositivo passa in modalità sleep mentre è registrato in rete. Tuttavia, prima di andare a dormire, il dispositivo deve notificare alla rete l'ora in cui potrà risvegliarsi. Un dispositivo può rimanere in stato di inattività per 12 giorni. Può anche essere attivato prima dell'ora specificata da un'emergenza come un allarme. Questo stato di riposo è noto come sonno registrato. Dopo il risveglio dallo stato di inattività, il dispositivo invia i dati e deve attendere per qualche tempo la risposta della rete.

eDRX riduce la tendenza del dispositivo a communicare con la rete. Un normale LTE ha un ciclo di paging ogni 1,28 secondi. Per un dispositivo LTE-M, invece, il ciclo di paging avviene ogni 10,24 secondi. Ciò suggerisce che un dispositivo LTE-M avrebbe una frequenza di paging inferiore, riducendo così il consumo energetico, in uno stato attivo. La differenza tra il modo in cui PSM ed eDRX raggiungono un basso consumo energetico è che PSM riduce l'energia nello stato di inattività, mentre eDRX riduce il consumo di energia nello stato attivo. La combinazione di queste caratteristiche può aumentare la durata della batteria del dispositivo fino a 36 anni di funzionamento nel caso ideale. Tuttavia, a causa delle correnti di dispersione e degli aspetti legati all'autoscarica della batteria, la durata prevista è di circa 10 anni.

Il basso costo dei dispositivi è un altro fattore critico che consideriamo nel decidere la tecnologia di comunicazione co1TP14 adatta alle nostre applicazioni IoT e M2M. Per affrontare questa sfida, il 3GPP ha rilasciato la Release 12. Nella Release 12 sono state introdotte importanti funzioni di riduzione dei costi e di ottimizzazione. In primo luogo, ha consentito l'utilizzo dell'half-duplex FDD rispetto al full-duplex FDD dell'LTE, eliminando l'uso del filtro duplex. Inoltre, ha ridotto la larghezza di banda a 1,4 MHz e ha introdotto una bassa velocità di trasmissione, riducendo così la complessità del dispositivo. Inoltre, con la Release 13 o LTE-M, è stato supportato un design RF a banda più stretta e una bassa potenza di trasmissione. Questi fattori hanno contribuito a fornire dispositivi più economici e competitivi che utilizzano l'LTE-M.

Inoltre, un'altra sfida che si presenterebbe è il costo di implementazione dell'LTE-M e il raggiungimento della copertura completa. Per superare i costi di implementazione, un dispositivo LTE-M si integrerebbe con un'infrastruttura LTE esistente e per aumentare la copertura, LTE-M fornisce un budget di collegamento aggiuntivo di 15 dB per aumentare la copertura. Questo budget di collegamento aggiuntivo aumenta la copertura dell'area di sette volte.

Mappa di copertura LTE-M

La mappa di copertura LTE-M è uno strumento pratico fornito da vari fornitori di LTE-M per diffondere l'uso di LTE-M nel settore IoT. Una mappa di copertura aiuta gli utenti a determinare il supporto LTE-M in una regione. Alcuni dei fornitori più noti sono Velos, Verizon, AT&T e EMnify. (Di seguito è riportata una mappa di distribuzione dell'IoT mobile fornita da GSMA).

LTE-M vs NB-IoT

LTE-M e NB-IoT sono entrambe tecnologie di communicazione a banda stretta LPWAN. Entrambe si basano sulla tecnologia cellulare. LTE-M fa parte della Release 13, mentre NB-IoT fa parte della Release 14 del 3GPP. Pertanto, entrambe utilizzano uno spettro operativo con licenza. LTE-M ha una buona copertura rispetto a NB-IoT, poiché utilizza l'infrastruttura cellulare 4G esistente. In termini di latenza e velocità di trasmissione dei dati, LTE-M è la soluzione migliore rispetto a NB-IoT. Le velocità di trasmissione dati di LTE-M vanno da 384 kbps a 1Mbps, mentre quelle di NB-IoT sono inferiori a 250 kbps. Tuttavia, NB-IoT ha una buona resistenza alle interferenze rispetto a LTE-M. Inoltre, sia l'LTE-M che l'NB-IoT hanno una buona copertura e prestazioni indoor rispetto ad altre tecnologie LPWAN.

LTE-M è la soluzione migliore rispetto a NB-IoT se l'applicazione richiede elevati requisiti di mobilità. LTE-M utilizza la capacità di handover fornita dalla tecnologia cellulare LTE, a condizione che vi sia copertura in ogni area. Inoltre, LTE-M utilizza uno stack di comunicazione co1TP14 basato su IP, mentre NB-IoT utilizza uno stack di comunicazione co1TP14 basato su messaggi. Un'altra caratteristica interessante, oltre alle elevate capacità di mobilità, è che LTE-M eredita la funzionalità Voice over LTE (VoLTE). Questa non è presente in NB-IoT.

Infine, l'LTE-M è un'alternativa adatta ai dispositivi che richiedono più aggiornamenti del firmware e del software durante il loro ciclo di vita. Inoltre, supporta il roaming sulle reti e sta attualmente guadagnando popolarità nella regione nordamericana rispetto all'NB-IoT, diffuso in Europa e in Asia.

Vantaggi dell'LTE-M

Vediamo alcune delle possibili applicazioni di LTE-M in ambito LPWAN IoT e M2M. Prima di ciò, vale la pena di riassumere i principali vantaggi dell'LTE-M:

• Lunga durata della batteria: È abilitata da PSM e eDRX.
• Dispositivi meno costosi: LTE-M offre dispositivi a basso costo con le interessanti caratteristiche di LTE
• Migliore copertura: LTE-M offre una copertura maggiore rispetto a NB-IoT grazie a un budget di collegamento aggiuntivo.
• Supporta grandi volumi di dispositivi: Grazie alle ottimizzazioni e alle modifiche apportate al core network della rete cellulare LTE, LTE-M è in grado di supportare grandi volumi di dispositivi contemporaneamente.
• Elevato throughput e sicurezza per il futuro: Grazie all'elevato throughput, l'LTE-M può supportare aggiornamenti del software e del firmware senza scaricare la batteria. In questo modo, aumenta l'aspettativa di vita del dispositivo.

LTE-M è una soluzione interessante in presenza di elevati requisiti di mobilità, come nel caso della localizzazione di beni e animali su WAN. Poiché è in grado di supportare molti dispositivi, è anche ampiamente utilizzato nelle applicazioni Smart city. Inoltre, grazie alla sua capacità di roaming, è una delle migliori soluzioni per le applicazioni automobilistiche e logistiche. Queste includono la gestione della flotta e l'ottimizzazione dei percorsi. Inoltre, poiché trasmette i dati a un determinato intervallo di tempo e utilizza il PSM, è ampiamente utilizzato nelle applicazioni che richiedono una bassa frequenza di trasmissione dei dati, ad esempio i contatori intelligenti.

Futuro e fattori trainanti dell'LTE-M

L'adozione dell'LTE-M è guidata da

• Il suo basso costo e il basso costo di implementazione: Poiché l'LTE-M utilizza l'infrastruttura esistente rispetto alle nuove frontiere delle tecnologie cellulari quali 5GLTE-M è una soluzione altamente accessibile.
• In termini di copertura e di efficienza energetica, LTE-M offre una buona capacità e rappresenta un buon compromesso tra questi termini.
• LTE-M ha un supporto vocale e una velocità di trasmissione dati minimi rispetto alle moderne frontiere come il 5G.

Questi fattori e l'elevata competitività del mercato fanno sì che l'LTE-M sia una soluzione LPWAN IoT e M2M migliore.

Conclusione

LTE-M è la soluzione ideale per le applicazioni LPWAN che richiedono elevati requisiti di mobilità con un basso costo dei dispositivi e un basso costo di implementazione. Va inoltre sottolineato che è in grado di supportare grandi volumi di dispositivi, il che è fondamentale in termini di implementazioni di grandi dimensioni. Infine, si può concludere che l'LTE-M è una soluzione migliore nel mercato competitivo dell'IoT.