O que é o LTE-M e como se compara ao NB-IoT?

O que é o LTE-M?

As aplicações da Internet das Coisas (IoT) que são implantadas em redes de área alargada exigem protocolos de comunicação fiáveis. O LTE-M ou LTE-Cat M1 é um desses protocolos WAN. Pertence à família WAN de baixo consumo (LPWAN) onde outras tecnologias, como LoRa e NB-IoT pertencem. Pode ser considerada uma tecnologia celular concorrente de outras tecnologias LPWAN, especificamente destinada a realizar aplicações WAN IoT. Foi lançada pela primeira vez em Versão 13 pelo 3GPP em 2016. A importância da LTE-M reside nas suas aplicações de menor largura de banda na ligação de dispositivos com recursos limitados através de uma WAN. A LTE-M baseia-se na infraestrutura celular existente, reduzindo assim os custos gerais de instalação de novas infra-estruturas. A LTE-M pode fornecer um débito de dados até 4 Mbps, de acordo com a versão 14.

Como funciona o LTE-M?

LTE-M, ao contrário dos seus homólogos celulares como LTEestá centrada na IoT e M2M aplicações através de uma rede de área alargada. Para este efeito, o LTE-M tem algumas caraterísticas incorporadas, o que o torna um candidato ideal para o efeito.

O primeiro desafio a ultrapassar é o elevado consumo de energia das antigas tecnologias de comunicação celular. Para ultrapassar este problema, a LTE-M utiliza duas caraterísticas excepcionais. São elas:

• Modo de poupança de energia (PSM)
• Receção descontínua alargada (eDRX)

No PSM, o dispositivo entra em modo de suspensão enquanto está registado na rede. No entanto, antes de entrar em modo de suspensão, o dispositivo deve notificar a rede da hora a que o dispositivo pode voltar a acordar. Um dispositivo pode estar num estado de inatividade durante 12 dias. Também pode ser acionado antes da hora especificada por uma emergência, como um alarme. Este estado de suspensão é conhecido como suspensão registada. Depois de acordar do estado de inatividade, o dispositivo envia dados e deve aguardar algum tempo até que a rede responda.

O eDRX reduz a tendência do dispositivo para se comunicar com a rede. Um LTE normal tem um ciclo de paginação a cada 1,28 segundos. Por outro lado, para um dispositivo LTE-M, esse ciclo seria a cada 10,24 segundos. Isto sugere que um dispositivo LTE-M teria menos frequência de paginação, reduzindo assim o consumo de energia, num estado ativo. A diferença entre o modo como o PSM e o eDRX atingem um baixo consumo de energia é que o PSM reduz a energia no estado inativo, enquanto o eDRX reduz o consumo de energia no estado ativo. Estas caraterísticas combinadas podem aumentar a vida útil da bateria do dispositivo em até 36 anos de funcionamento da bateria no caso ideal. No entanto, devido às correntes de fuga e aos aspectos de auto-descarga da bateria, prevê-se que esta duração seja de cerca de 10 anos.

O baixo custo dos dispositivos é outro fator crítico que consideramos ao decidir uma tecnologia de comunicação comm adequada para a nossa aplicação IoT e M2M. Para responder a este desafio, a 3GPP lançou a versão 12. Na versão 12, foram introduzidas funcionalidades importantes de redução de custos e otimização. Em primeiro lugar, permitiu o FDD half-duplex em comparação com o FDD full-duplex do LTE, o que eliminou a utilização de filtros duplex. Também reduziu a largura de banda para 1,4 MHz e introduziu uma taxa de bits baixa, reduzindo assim a complexidade do dispositivo. Além disso, com a versão 13 ou LTE-M, foi suportada uma conceção de RF de banda mais estreita, juntamente com uma baixa potência de transmissão. Estes factores summed up to provide more cost-effective and competitive devices which are using LTE-M.

Além disso, outro desafio que se colocaria seria o custo de implantação da LTE-M e a obtenção de uma cobertura total. Para superar o custo de implantação, um dispositivo LTE-M integrar-se-ia numa infraestrutura LTE existente e, para aumentar a cobertura, o LTE-M fornece um orçamento de ligação adicional de 15 dB para aumentar a cobertura. Este orçamento de ligação adicional aumenta a cobertura da área em sete vezes.

Mapa de cobertura LTE-M

O mapa de cobertura LTE-M é uma ferramenta útil fornecida por vários fornecedores de LTE-M, para popularizar a utilização de LTE-M no domínio IoT. Um mapa de cobertura ajuda os utilizadores a determinar o suporte de LTE-M numa região. Alguns dos fornecedores mais conhecidos são a Velos, a Verizon, a AT&T e a EMnify. (Um desses mapas de implantação da IoT móvel fornecido pela GSMA é apresentado abaixo)

LTE-M vs NB-IoT

LTE-M e NB-IoT são ambas tecnologias de comunicação LPWAN de banda estreita. Ambas se baseiam na tecnologia celular. A LTE-M faz parte da versão 13, enquanto a NB-IoT faz parte da versão 14 do 3GPP. Assim, ambas utilizam um espetro de funcionamento licenciado. A LTE-M tem uma boa cobertura em comparação com a NB-IoT, uma vez que utiliza a infraestrutura celular 4G existente. Em termos de latência e taxas de dados, a LTE-M tem a vantagem de ser a melhor solução quando comparada com a NB-IoT. As taxas de dados LTE-M variam de 384 kbps-1Mbps, enquanto as taxas de dados NB-IoT são inferiores a 250 kbps. No entanto, a NB-IoT tem uma boa resistência às interferências em comparação com a LTE-M. Além disso, tanto o LTE-M como o NB-IoT têm uma boa cobertura e desempenho em interiores, em comparação com outras tecnologias LPWAN.

A LTE-M é a melhor solução em comparação com a NB-IoT se a sua aplicação exigir elevados requisitos de mobilidade. A LTE-M utiliza a capacidade de handover fornecida pela tecnologia celular LTE, uma vez que existe cobertura em cada área. Além disso, a LTE-M utiliza uma pilha de comunicação co1TP14 baseada em IP, enquanto a NB-IoT utiliza uma pilha de comunicação co1TP14 baseada em mensagens. Outra caraterística interessante, para além das elevadas capacidades de mobilidade, é o facto de a LTE-M herdar a capacidade de Voz sobre LTE (VoLTE). Esta não está presente na NB-IoT.

Por último, a LTE-M é uma alternativa adequada para os dispositivos que necessitam de mais actualizações do firmware e do software durante o seu ciclo de vida. Também suporta o roaming nas redes e está atualmente a ganhar popularidade na região da América do Norte, em comparação com o NB-IoT, que é popular nas regiões da Europa e da Ásia.

Vantagens do LTE-M

Vejamos algumas das possíveis aplicações do LTE-M no domínio LPWAN IoT e M2M. Antes disso, vale a pena summar as principais vantagens do LTE-M, como se segue:

• Bateria de longa duração: Isto é ativado pelo PSM e pelo eDRX.
• Dispositivos menos dispendiosos: A LTE-M oferece dispositivos de baixo custo com as caraterísticas atractivas da LTE
• Cobertura melhorada: A LTE-M proporciona uma maior cobertura do que a NB-IoT, fornecendo um orçamento de ligação adicional.
• Suporta grandes volumes de dispositivos: Com optimizações e alterações na rede principal da rede LTE celular, a LTE-M pode suportar grandes volumes de dispositivos em simultâneo.
• Elevado débito e preparação para o futuro: Com um elevado débito, o LTE-M pode suportar actualizações de software e firmware sem esgotar a bateria. Assim, aumenta a esperança de vida do dispositivo.

O LTE-M é uma solução atractiva quando existem requisitos de mobilidade elevados, como no caso do seguimento de activos e de animais através de WAN. Uma vez que pode suportar muitos dispositivos, é também amplamente utilizado em aplicações para cidades inteligentes. Além disso, devido à sua capacidade de roaming, é uma das melhores soluções para aplicações automóveis e de logística. Estas incluem a gestão de frotas e a otimização de rotas. Além disso, uma vez que transmite dados num determinado intervalo e utilizaria PSM, é amplamente utilizado em aplicações que requerem uma baixa frequência de transmissão de dados, por exemplo, contadores inteligentes.

Futuro e factores impulsionadores da LTE-M

A adoção da LTE-M é impulsionada por

• O seu baixo custo e baixo custo de implantação: Uma vez que a LTE-M utiliza as infra-estruturas existentes, em comparação com as novas fronteiras das tecnologias celulares, tais como 5GO LTE-M é uma solução muito acessível.
• Em termos de cobertura e de eficiência energética, o LTE-M oferece uma boa capacidade e constitui um bom compromisso entre estes dois factores.
• A LTE-M tem um suporte de voz e um débito de dados mínimos em comparação com as fronteiras modernas, como a 5G.

Estes factores e a elevada competitividade do mercado levam a que a LTE-M seja uma melhor solução LPWAN IoT e M2M.

Conclusão

A LTE-M é a solução ideal para a sua aplicação LPWAN se necessitar de elevados requisitos de mobilidade com baixo custo dos dispositivos e baixo custo de implantação. De notar também que pode suportar grandes volumes de dispositivos, o que é fundamental em termos de implantações de maior dimensão. Por último, pode concluir-se que a LTE-M é a melhor solução no competitivo mercado da IoT.