O que é a IoT de banda estreita (NB-IoT)?

O que é NB-IoT?

Com a introdução de células não celulares LPWAN (Low Power Wide Area Network), tais como LoRa e SigfoxEm resposta a estas tecnologias emergentes, a indústria móvel criou o NB-IoT (Narrowband Internet of Things) para aplicações IoT e M2M (Machine-to-Machine). Esta foi introduzida como parte da versão (13) do organismo de normalização celular 3GPP, também conhecida como LTE CAT-NB. Os principais objectivos da introdução do NB-IoT foram a introdução de uma longa duração da bateria, baixa latência, baixo consumo de energia e melhor cobertura interior. Outra caraterística interessante das implantações NB-IoT é a capacidade de coexistir com 2G, 3G e 4G redes móveis, também o 3GPP já tomou disposições para a inclusão do NB-IoT em 5G normas. Vamos agora aprofundar mais pormenores sobre o funcionamento do NB-IoT e as suas caraterísticas.

Como é que funciona?

A NB-IoT utiliza a rede de operadoras móveis para a transmissão de dados. Os dados dos sensores são recolhidos e transmitidos para nós de transmissão ou estações de base NB-IoT. Estes nós de transmissão estão ligados a uma Gateway IoT e servidores de aplicações IoT em nuvem para processamento posterior.

Existem três modos de funcionamento principais para a implantação da NB-IoT, nomeadamente: Em banda, em banda de guarda e autónomo. No modo de funcionamento em banda, é utilizado para a NB-IoT um único bloco de origem com uma largura de banda de 180 KHz dentro da banda GSM atribuída. A banda de guarda é quando a portadora NB-IoT é transmitida utilizando a banda de guarda não utilizada numa portadora LTE. Por último, a portadora NB-IoT é transmitida como portadora autónoma no modo de funcionamento autónomo.

O modo de funcionamento autónomo proporciona o melhor desempenho, mas, no entanto, a maioria dos casos de utilização implantados utiliza o modo de funcionamento de banda de guarda, o que, por outro lado, afecta o desempenho do LTE. No entanto, este último método é presumivelmente mais económico. Por outro lado, o modo de funcionamento em banda limita o desempenho tanto do LTE como do NB-IoT, uma vez que empacota a portadora NB-IoT no espetro LTE atribuído.

A transmissão de dados do NB-IoT no canal de uplink é realizada de forma eficiente, pois o NB-IoT é half-duplex. Aqui, primeiro é estabelecida uma conexão com a rede celular, depois ocorre a alocação de recursos de rede para o nó e, por fim, ocorre a transmissão de dados. Para elaborar melhor o processo, o dispositivo será inicialmente desconectado da rede, até que tenha alguns dados para transmitir. Depois de estabelecer a ligação, o dispositivo mantém o controlo dos recursos de rádio (RRC) ligado durante um período de tempo configurável até o RRC ficar inativo e, em seguida, desliga-se. A NB-IoT permitiu a terminação imediata da ligação assim que a confirmação dos dados é recebida, reduzindo o consumo excessivo de energia herdado das redes LTE, que pressupõem ligações activas. Além disso, para enviar dados a uma aplicação, são definidas na NB-IoT duas optimizações para a Internet celular das coisas (CIoT) no Evolved Packet System (EPS), que são aplicadas ao plano do utilizador e ao plano de controlo.

Caraterísticas e vantagens do NB-IoT

Vejamos agora algumas caraterísticas e vantagens interessantes do NB-IoT.

• Baixo consumo de energia: A NB-IoT reduz o consumo de energia dos nós de extremidade alimentados por bateria, utilizando funcionalidades como o modo de poupança de energia (PSM) e a receção descontínua alargada (eDRX). O PSM é uma funcionalidade do equipamento do utilizador (UE), em que este informa com que frequência e durante quanto tempo precisa de estar ativo para transmitir dados. O eDRX é uma funcionalidade alargada da funcionalidade de receção descontínua (DRX) já existente na LTE, em que o UE é desligado da rede durante um período de tempo impercetível. Ambas as caraterísticas têm como objetivo proporcionar uma vida útil da bateria superior a 10 anos para dispositivos de nós periféricos com uma capacidade de bateria de 5Wh.
•  Melhor cobertura: a perda máxima de acoplamento (MCL) para NB-IoT é de 164 dB, permitindo uma cobertura profunda em túneis, caves, zonas rurais e ambientes abertos. Isto representa uma melhoria de 20 dB em relação à LTE e um aumento de 7x na área de cobertura.
• Baixo custo dos dispositivos com baixas taxas de dados: Devido à menor complexidade dos dispositivos, os preços dos dispositivos variam em torno de $6 por módulo. Outro fator que contribui para a menor complexidade dos dispositivos é o modo de comunicação half-duplex comm implementado no NB-IoT.
•  Capacidade de ligar um grande número de dispositivos de baixo débito: Suporta, pelo menos, mais de 50 000 dispositivos ligados num sector de sítio celular. O débito de dados previsto, tanto para a ligação ascendente como para a ligação descendente, é de cerca de 160 bps.
• Canais mais estreitos: A largura do canal para NB-IoT é de 180 kHz. Isto reduz a complexidade da conceção do dispositivo e também reduz a potência e o custo dos dispositivos. A NB-IoT atribui a cada UE uma ou mais subportadoras de 15 kHz no bloco de recursos de 180 kHz atribuído. Há flexibilidade para reduzir este bloco para 3,75 kHz, o que permite que mais dispositivos partilhem o espaço.
• Menor latência: O objetivo da NB-IoT é obter latências inferiores a 10 segundos.
• Capacidade melhorada: Caraterísticas como a otimização da sinalização, a transmissão em banda estreita, o pedido de repetição automática híbrida (HARQ) e a modulação adaptativa permitem milhões de dispositivos NB-IoT ligados numa determinada área.
• Segurança herdada: A NB-IoT herda as caraterísticas de segurança da LTE, incluindo a autenticação baseada no SIM.
• Sem mobilidade: A NB-IoT não suporta handover e, portanto, deve permanecer associada a uma única célula ou permanecer estacionária.

Aplicação da NB-IoT

Algumas das áreas de aplicação interessantes da NB-IoT são enumeradas a seguir:

• Contadores inteligentes: Devido às capacidades de penetração e cobertura melhoradas da NB-IoT, esta tecnologia é adequada para sistemas de contadores subterrâneos e sistemas de contadores remotos.
• Rastreio de pessoas com menos mobilidade: A NB-IoT é ideal para o seguimento de assistentes menos móveis, onde a mobilidade é menor.
• Cidades inteligentes: A NB-IoT pode ligar entre si milhões de dispositivos de baixo débito, o que é crucial na conceção de sistemas mais complexos, como as cidades inteligentes.
• Aplicações para edifícios inteligentes e IoT industrial (IIoT): A NB-IoT pode monitorizar dados ambientais e de manutenção através das ligações de banda larga estabelecidas em edifícios e fábricas.

Quando considerar a NB-IoT?

A NB-IoT é adequada para dispositivos sonolentos com baixo consumo de energia. Também é adequado para a IoT e M2M casos de utilização em que são necessários débitos de dados baixos e menor mobilidade com baixo custo, forte cobertura e elevada densidade de dispositivos ligados para uma dada gama de funcionamento. De acordo com [1], as maiores quotas de mercado da NB-IoT na Europa pertencem aos sectores das infra-estruturas e da agricultura, respetivamente, seguidos dos sectores automóvel e da saúde. Isto dar-lhe-á uma ideia de quando deve considerar a NB-IoT na sua aplicação.

NB-IoT vs LTE-M

Tanto o NB-IoT como o LTE-M foram introduzidos em 2016 pelo 3GPP Release 13. Em primeiro lugar, o LTE-M oferece taxas de dados mais elevadas e latências mais baixas do que o NB-IoT. Além disso, a LTE-M tem a capacidade de suportar tanto a comunicação de voz como a de dados, enquanto a NB-IoT só pode suportar a comunicação de dados. Além disso, devido à sua herança da LTE, a LTE-M está equipada com capacidade de roaming imediata, permitindo a utilização em mais aplicações móveis.

No entanto, a NB-IoT oferece uma maior capacidade de cobertura e de penetração do que a LTE-M. Além disso, a NB-IoT é retrocompatível com as redes celulares 2G e 3G, o que é uma desvantagem da LTE-M, uma vez que estas redes celulares ainda são muito utilizadas. Por último, a NB-IoT é uma alternativa mais económica à LTE-M devido à sua reduzida largura de banda e aos baixos débitos de dados.

Verificar o diferença entre NB-IoT e LoRa no IoT se estiver interessado.

Conclusão

De acordo com [1] , o mercado global de NB-IoT está avaliado em 578,0 milhões de dólares em 2018 e prevê-se que cresça como 3GPP já tomou disposições para a NB-IoT também nas comunicações celulares 5G. Isto permitirá uma maior cobertura e muitos dispositivos interligados, conduzindo a implementações maciças de IoT. Por conseguinte, vale a pena considerar a NB-IoT na sua aplicação IoT estática e de baixo consumo.