Che cos'è l'IoT a banda stretta (NB-IoT)?

Che cos'è l'NB-IoT?

Con l'introduzione di sistemi non cellulari LPWAN (Low Power Wide Area Network), come le tecnologie LoRa e SigfoxIl settore della telefonia mobile ha risposto a queste tecnologie emergenti con NB-IoT (Narrowband Internet of Things) per applicazioni IoT e M2M (Machine-to-Machine). Questa tecnologia è stata introdotta nell'ambito della release (13) dell'organismo di standardizzazione cellulare 3GPP, nota anche come LTE CAT-NB. Gli obiettivi principali dell'introduzione di NB-IoT erano l'introduzione di una lunga durata della batteria, una bassa latenza, un basso consumo energetico e una migliore copertura interna. Un'altra caratteristica interessante delle implementazioni NB-IoT è la capacità di coesistere con le reti 2G, 3G e LTE. 4G reti mobili, inoltre il 3GPP ha già previsto l'inclusione dell'NB-IoT nelle reti mobili. 5G standard. Vediamo ora di approfondire il funzionamento di NB-IoT e le sue caratteristiche.

Come funziona?

NB-IoT utilizza la rete portante mobile per la trasmissione dei dati. I dati provenienti dai sensori vengono raccolti e trasmessi ai nodi di trasmissione o alle stazioni base NB-IoT. Questi nodi di trasmissione sono collegati a una Gateway IoT e i server delle applicazioni cloud IoT per un'ulteriore elaborazione.

Esistono tre modalità operative principali per l'implementazione di NB-IoT, ovvero: In-band, Guard-band e Standalone. Nella modalità di funzionamento in-band, per l'NB-IoT viene utilizzato un singolo blocco sorgente di larghezza di banda 180 KHz all'interno della banda GSM assegnata. In banda di guardia, la portante NB-IoT viene trasmessa utilizzando la banda di guardia inutilizzata all'interno di una portante LTE. Infine, la portante NB-IoT viene trasmessa come portante autonoma in modalità di funzionamento standalone.

La modalità di funzionamento standalone offre le migliori prestazioni, ma la maggior parte dei casi d'uso utilizzati utilizza la modalità di funzionamento in banda di guardia, che d'altra parte influisce sulle prestazioni del sistema. LTE. Tuttavia, quest'ultimo metodo è presumibilmente più conveniente. D'altra parte, la modalità di funzionamento in banda limita le prestazioni sia dell'LTE che dell'NB-IoT, poiché impacchetta la portante NB-IoT nello spettro LTE assegnato.

La trasmissione dei dati da NB-IoT nel canale uplink avviene in modo efficiente, poiché NB-IoT è half-duplex. In questo caso, prima viene stabilita una connessione alla rete cellulare, poi avviene l'assegnazione delle risorse di rete al nodo e infine la trasmissione dei dati. Per approfondire il processo, il dispositivo sarà inizialmente disconnesso dalla rete, finché non avrà dei dati da trasmettere. Dopo aver stabilito la connessione, il dispositivo mantiene il Radio Resource Control (RRC) connesso per un tempo configurabile fino a quando l'RRC è inattivo e quindi si disconnette. NB-IoT ha permesso la terminazione immediata della connessione una volta ricevuta la conferma dei dati, riducendo il consumo energetico in eccesso ereditato dalle reti LTE, che presuppongono connessioni attive. Inoltre, per inviare dati a un'applicazione, in NB-IoT sono state definite due ottimizzazioni per il Cellular Internet of Things (CIoT) nell'Evolved Packet System (EPS), applicate al piano utente e al piano di controllo.

Caratteristiche e vantaggi di NB-IoT

Vediamo ora alcune interessanti caratteristiche e vantaggi di NB-IoT.

• Basso consumo energetico: NB-IoT riduce il consumo energetico dei nodi edge alimentati a batteria utilizzando funzioni come la modalità di risparmio energetico (PSM) e la ricezione discontinua estesa (eDRX). La PSM è una funzione dell'apparecchiatura utente (UE) che segnala la frequenza e la durata della sua attività per la trasmissione dei dati. Si tratta di una funzione simile allo spegnimento, ma l'UE rimarrà registrato alla rete, risolvendo così la necessità di ristabilire la connessione. eDRX è una funzione estesa della funzione di ricezione discontinua (DRX) già esistente nell'LTE, in cui l'UE si stacca dalla rete per un periodo di tempo impercettibile. Entrambe le funzioni mirano a garantire una durata della batteria di oltre 10 anni per i dispositivi edge node con una capacità della batteria di 5Wh.
•  Migliore copertura: la perdita massima di accoppiamento (MCL) per NB-IoT è di 164 dB, consentendo una copertura profonda in gallerie, scantinati, aree rurali e ambienti aperti. Si tratta di un miglioramento di 20 dB rispetto all'LTE e di un aumento di 7 volte dell'area di copertura.
• Basso costo dei dispositivi con bassa velocità di trasmissione dei dati: Grazie alla minore complessità dei dispositivi, il loro prezzo si aggira intorno a $6 per modulo. Un altro fattore che contribuisce a ridurre la complessità dei dispositivi è la modalità di comunicazione half-duplex comm che viene utilizzata in NB-IoT.
•  Capacità di collegare un numero massiccio di dispositivi a bassa velocità: Supporto di almeno 50.000 dispositivi connessi all'interno di un settore di un sito cellulare. La velocità di trasmissione dei dati prevista per l'uplink e il downlink è di circa 160 bps.
• Canali più stretti: La larghezza del canale per NB-IoT è di 180 kHz. Questo riduce la complessità della progettazione dei dispositivi e ne riduce anche la potenza e il costo. NB-IoT assegna a ogni UE uno o più sottocarri da 15 kHz nel blocco di risorse da 180 kHz. È possibile ridurre questo blocco a 3,75 kHz, consentendo a più dispositivi di condividere lo spazio.
• Latenza inferiore: NB-IoT punta a latenze inferiori a 10 secondi.
• Capacità migliorata: Caratteristiche come l'ottimizzazione dei segnali, la trasmissione a banda stretta, la richiesta ibrida di ripetizione automatica (HARQ) e la modulazione adattiva consentono di collegare milioni di dispositivi NB-IoT in una determinata area.
• Sicurezza ereditata: NB-IoT eredita le funzioni di sicurezza da quelle di LTE, compresa l'autenticazione basata su SIM.
• Nessuna mobilità: NB-IoT non supporta l'handover e quindi deve rimanere associato a una singola cella o rimanere fermo.

Applicazione di NB-IoT

Di seguito sono elencate alcune interessanti aree di applicazione NB-IoT:

• Misurazione intelligente: Grazie alle maggiori capacità di penetrazione e alla maggiore copertura di NB-IoT, è adatto ai sistemi di misurazione sotterranei e ai sistemi di misurazione remoti.
• Tracciamento di persone meno mobili: NB-IoT è ideale per il tracciamento degli asst meno mobili, dove la mobilità è minore.
• Città intelligenti: NB-IoT è in grado di connettere tra loro milioni di dispositivi a bassa velocità, il che è fondamentale per la progettazione di sistemi più complessi come le città intelligenti.
• Applicazioni per edifici intelligenti e Industrial IoT (IIoT): NB-IoT è in grado di monitorare i dati ambientali e di manutenzione attraverso le connessioni a banda larga presenti negli edifici e nelle fabbriche.

Quando prendere in considerazione l'NB-IoT?

NB-IoT è adatto ai dispositivi dormienti a basso consumo energetico. È adatto anche per IoT e M2M casi d'uso in cui sono richieste basse velocità di trasmissione dati e minore mobilità, con costi contenuti, forte copertura e alta densità di dispositivi connessi per un determinato raggio d'azione. Secondo [1], in Europa le quote di mercato più elevate di NB-IoT sono detenute rispettivamente dai settori delle infrastrutture e dell'agricoltura, seguiti dai settori automobilistico e sanitario. Questo vi darà un'idea di quando considerare l'NB-IoT nelle vostre applicazioni.

NB-IoT vs LTE-M

Sia NB-IoT che LTE-M sono stati introdotti nel 2016 dalla release 13 del 3GPP. In primo luogo, l'LTE-M offre velocità di trasmissione dati più elevate e latenze più basse rispetto all'NB-IoT. Inoltre, LTE-M ha la capacità di supportare sia la communicazione vocale che quella dati, mentre NB-IoT può supportare solo la communicazione dati. Inoltre, grazie alla sua eredità dall'LTE, l'LTE-M è dotato di funzionalità di roaming out-of-box, che ne consentono l'utilizzo in un maggior numero di applicazioni mobili.

Tuttavia, NB-IoT offre una maggiore capacità di copertura e penetrazione rispetto a LTE-M. Inoltre, NB-IoT è retrocompatibile con le reti cellulari 2G e 3G, il che rappresenta uno svantaggio per LTE-M, poiché queste reti cellulari sono ancora ampiamente utilizzate. Infine, NB-IoT è un'alternativa più economica di LTE-M a causa della sua larghezza di banda ridotta e della bassa velocità di trasmissione dei dati.

Controllare il differenza tra NB-IoT e LoRa nell'IoT se siete interessati.

Conclusione

Secondo [1], il mercato globale NB-IoT è valutato a 578,0 milioni di dollari nel 2018 e si prevede che crescerà come 3GPP ha già previsto l'NB-IoT anche per le comunicazioni cellulari 5G. Ciò consentirà una maggiore copertura e molti dispositivi interconnessi che porteranno a una diffusione massiccia dell'IoT. Vale quindi la pena di prendere in considerazione NB-IoT per le applicazioni IoT statiche e a basso consumo.