Wat is LTE-M en hoe is het te vergelijken met NB-IoT?

Wat is LTE-M?

Internet of Things (IoT)-toepassingen die worden ingezet in Wide Area Networks vereisen betrouwbare communicatieprotocollen. LTE-M of LTE-Cat M1 is zo'n WAN-protocol. Het behoort tot de WAN met laag stroomverbruik (LPWAN) familie waar andere technologieën zoals LoRa en NB-IoT behoren. Het kan worden beschouwd als een op cellulaire technologie gebaseerde concurrent voor andere LPWAN-technologieën die specifiek zijn gericht op het realiseren van WAN IoT-toepassingen. Het werd voor het eerst uitgebracht in Release 13 door 3GPP in 2016. Het belang van LTE-M ligt in de toepassingen met lagere bandbreedte voor het verbinden van apparaten met beperkte middelen via een WAN. LTE-M maakt gebruik van de bestaande cellulaire infrastructuur, waardoor de overheadkosten voor het opzetten van nieuwe infrastructuur worden beperkt. LTE-M kan een datasnelheid tot 4Mbps bieden volgens Release 14.

Hoe werkt LTE-M?

LTE-M in tegenstelling tot zijn cellulaire tegenhangers zoals LTEis gericht op IoT en M2M toepassingen via een Wide Area Network. Voor dit doel heeft LTE-M een aantal ingebouwde functies, waardoor het een ideale kandidaat is.

De eerste uitdaging die moet worden overwonnen is het hoge stroomverbruik in oudere cellulaire communicatietechnologieën. Om dit te overwinnen, gebruikt LTE-M twee uitzonderlijke eigenschappen. Dit zijn:

• Energiebesparende modus (PSM)
• Uitgebreide onderbroken ontvangst (eDRX)

In PSM gaat het apparaat in slaapstand terwijl het geregistreerd is bij het netwerk. Voordat het apparaat in slaapstand gaat, moet het echter aan het netwerk melden op welk tijdstip het apparaat weer wakker mag worden. Een apparaat kan 12 dagen in de ruststand staan. Het kan ook voor de opgegeven tijd worden geactiveerd door een noodgeval zoals een alarm. Deze slaaptoestand staat bekend als geregistreerde slaap. Nadat het apparaat uit de ruststand is ontwaakt, verstuurt het gegevens en moet het enige tijd wachten tot het netwerk reageert.

eDRX vermindert de neiging van het apparaat om te communiceren met het netwerk. Een normale LTE heeft elke 1,28 seconden een paging-cyclus. Voor een LTE-M-apparaat zou dit elke 10,24 seconden zijn. Dit suggereert dat een LTE-M apparaat in een actieve toestand minder vaak hoeft op te roepen en dus minder stroom verbruikt. Het verschil tussen hoe PSM en eDRX een laag stroomverbruik bereiken, is dat PSM het stroomverbruik in de ruststand vermindert, terwijl eDRX het stroomverbruik in de actieve stand vermindert. De combinatie van deze eigenschappen kan in het ideale geval de levensduur van de batterij van het apparaat verlengen tot 36 jaar. Door lekstromen en zelfontlading van de batterij zal dit echter naar verwachting rond de 10 jaar zijn.

De lage kosten van apparaten is een andere kritieke factor die we in overweging nemen bij het beslissen over een geschikte communicatietechnologie voor onze IoT- en M2M-toepassing. Om deze uitdaging aan te gaan, bracht 3GPP Release 12 uit. In Release 12 werden belangrijke functies voor kostenverlaging en optimalisatie geïntroduceerd. Ten eerste werd half-duplex FDD toegestaan in vergelijking met full-duplex FDD van LTE, waardoor er geen duplexfilter meer nodig was. Ook werd de bandbreedte teruggebracht tot 1,4 MHz en werd een lage bitsnelheid geïntroduceerd, waardoor het apparaat minder complex werd. Bovendien werd met Release 13 of LTE-M een smalbandiger RF-ontwerp ondersteund, samen met een laag zendvermogen. Deze factoren summed tot meer kosteneffectieve en concurrerende apparaten die gebruik maken van LTE-M.

Een andere uitdaging zijn de kosten voor het uitrollen van LTE-M en het bereiken van volledige dekking. Om de uitrolkosten te overwinnen, zou een LTE-M-apparaat integreren in een bestaande LTE-infrastructuur en om de dekking te vergroten, biedt LTE-M een extra linkbudget van 15 dB om de dekking te vergroten. Dit extra linkbudget verhoogt de gebiedsdekking met een factor zeven.

LTE-M dekkingskaart

De LTE-M dekkingskaart is een handig hulpmiddel van verschillende LTE-M leveranciers om het gebruik van LTE-M in het IoT-domein te populariseren. Een dekkingskaart helpt gebruikers bij het bepalen van de LTE-M-ondersteuning in een regio. Enkele van de populaire leveranciers zijn Velos, Verizon, AT&T en EMnify. (Eén zo'n mobiele IoT-implementatiekaart van GSMA wordt hieronder getoond)

LTE-M vs NB-IoT

LTE-M en NB-IoT zijn beide LPWAN smalband communicatietechnologieën. Beide zijn gebaseerd op cellulaire technologie. LTE-M maakt deel uit van Release 13, terwijl NB-IoT deel uitmaakt van Release 14 van 3GPP. Beide maken dus gebruik van een werkingsspectrum onder licentie. LTE-M heeft een goede dekking vergeleken met NB-IoT omdat het gebruik maakt van de bestaande 4G cellulaire infrastructuur. In termen van latentie en datasnelheden heeft LTE-M de overhand als beste oplossing in vergelijking met NB-IoT. LTE-M datasnelheden variëren van 384 kbps-1Mbps, terwijl NB-IoT datasnelheden van minder dan 250 kbps zijn. NB-IoT is echter beter bestand tegen interferentie dan LTE-M. Ook hebben zowel LTE-M als NB-IoT een goede dekking en prestaties binnenshuis in vergelijking met andere LPWAN-technologieën.

LTE-M is de beste oplossing in vergelijking met NB-IoT als uw toepassing hoge mobiliteitseisen stelt. LTE-M maakt gebruik van de handover-mogelijkheid die LTE-cellulaire technologie biedt als er dekking is in elk gebied. LTE-M maakt ook gebruik van een IP-gebaseerde comm communicatiestack, terwijl NB-IoT gebruik maakt van een berichtgebaseerde comm communicatiestack. Een ander interessant kenmerk, naast de hoge mobiliteitsmogelijkheden, is dat LTE-M de Voice over LTE (VoLTE) mogelijkheid erft. Dit is niet aanwezig in NB-IoT.

Tot slot is LTE-M een geschikt alternatief voor apparaten die tijdens hun levenscyclus vaker updates van hun firmware en software nodig hebben. Het ondersteunt ook roaming over netwerken en wint momenteel aan populariteit in de Noord-Amerikaanse regio in vergelijking met NB-IoT dat populair is in Europa en Azië.

Voordelen van LTE-M

Laten we eens kijken naar enkele van de mogelijke toepassingen van LTE-M in het LPWAN IoT- en M2M-domein. Eerst is het de moeite waard om de belangrijkste voordelen van LTE-M als volgt te summariseren:

• Lange levensduur van de batterij: Dit wordt mogelijk gemaakt door PSM en eDRX.
• Minder dure apparaten: LTE-M biedt goedkope apparaten met de aantrekkelijke functies van LTE
• Verbeterde dekking: LTE-M biedt meer dekking dan NB-IoT door een extra linkbudget te bieden.
• Ondersteunt grote hoeveelheden apparaten: Dankzij optimalisaties en veranderingen in het kernnetwerk van het cellulaire LTE-netwerk kan LTE-M grote hoeveelheden apparaten tegelijk ondersteunen.
• Hoge doorvoer en toekomstbestendig: Dankzij de hoge verwerkingscapaciteit kan LTE-M software- en firmware-updates ondersteunen zonder dat de batterij leegloopt. Zo wordt de levensduur van het apparaat verlengd.

LTE-M is een aantrekkelijke oplossing als er hoge mobiliteitseisen zijn, zoals bij het volgen van activa en het volgen van dieren via WAN. Omdat het veel apparaten kan ondersteunen, wordt het ook veel gebruikt in Smart city-toepassingen. Bovendien is het dankzij de roamingmogelijkheid een van de beste oplossingen voor automotive en logistieke toepassingen. Deze omvatten vlootbeheer en routeoptimalisatie. Omdat het gegevens met een bepaalde interval verzendt en PSM zou gebruiken, wordt het ook veel gebruikt in toepassingen die een lage frequentie van gegevensoverdracht vereisen, bijvoorbeeld slimme meters.

Toekomst en drijfveren van LTE-M

De invoering van LTE-M wordt gedreven door

• De lage kosten en lage implementatiekosten: Aangezien LTE-M gebruik maakt van bestaande infrastructuur in vergelijking met nieuwe grenzen in cellulaire technologieën zoals 5GLTE-M is een zeer laagdrempelige oplossing.
• In termen van dekking en energie-efficiëntie biedt LTE-M goede mogelijkheden en is het een goed compromis tussen deze voorwaarden.
• LTE-M heeft een minimale spraakondersteuning en datasnelheid in vergelijking met moderne grensverleggers zoals 5G.

Deze factoren en de sterk concurrerende markt zorgen ervoor dat LTE-M een betere LPWAN IoT- en M2M-oplossing is.

Conclusie

LTE-M is een go-to-go oplossing voor je LPWAN-toepassing als je hoge mobiliteitseisen hebt met lage apparaatkosten en lage implementatiekosten. Er moet ook worden opgemerkt dat het grote volumes apparaten kan ondersteunen, wat cruciaal is voor grotere implementaties. Tot slot kan worden geconcludeerd dat LTE-M een betere oplossing is in de concurrerende IoT-markt.