Сотовый Интернет вещей - сравнение технологий CIoT

Примечание редактора:растущие требования к повышенной доступности устройств Интернета вещей совпадают с появлением сотовых технологий, хорошо подходящих для Интернета вещей . Для разработчиков как никогда остро потребность в более подробной информации о сотовых технологиях и их применении в IoT. Эта серия, заимствованная из книги «Сотовый Интернет вещей», знакомит с ключевыми концепциями и технологиями в этой области.

В более ранних сериях авторы описали развивающийся ландшафт сотовой связи, ее роль в IoT, а также технологии массовых машинных коммуникаций (mMTC) и сверхнадежных коммуникаций с малой задержкой (URLLC).

Elsevier предлагает эту и другие книги по инженерии со скидкой 30%. Чтобы воспользоваться этой скидкой, нажмите здесь и используйте код ENGIN318 во время оформления заказа.

По материалам Cellular Internet of Things, Олоф Либерг, Мартен Сундберг, Эрик Ван, Йохан Бергман, Иоахим Сакс.

Глава 9. Конкурентный технологический ландшафт Интернета вещей (продолжение)

Авторы:Олоф Либерг, Мартен Сундберг, Эрик Ван, Йохан Бергман, Иоахим Сакс

9.3 ВЫБОР ИТ-ТЕХНОЛОГИИ

9.3.1 СРАВНЕНИЕ ИТ-ТЕХНОЛОГИЙ

Различные технологии CIoT EC-GSM-IoT, NB-IoT и LTE-M были подробно проанализированы в главах 3-8. Здесь мы суммируем и сравниваем производительность и характеристики. Для NB-IoT мы рассматриваем в этом обзоре только варианты внутриполосного и автономного развертывания для простоты. Рабочие характеристики режима работы защитной полосы в значительной степени аналогичны характеристикам внутри полосы. Полный анализ производительности NB-IoT, включая работу защитной полосы, можно найти в главе 8.

9.3.1.1 Покрытие и скорость передачи данных

Скорость передачи данных в восходящем и нисходящем каналах для всех технологий CIoT показана на рисунках 9.7 и 9.8 для различных потерь связи. Во всех этих технологиях реализованы функции расширенного покрытия, которые позволяют работать с потерями связи до 164 дБ. Это значительное расширение диапазона покрытия по сравнению с тем, что сегодня можно найти в сетях глобальной системы мобильной связи (GSM), UMTS или долгосрочного развития (LTE). Для EC-GSM-IoT потери связи 164 дБ основаны на устройстве с выходной мощностью 33 дБм, что является обычным явлением в сетях GSM. Однако это означает, что для полного расширенного диапазона в EC-GSM-IoT требуется более высокая выходная мощность устройства на 10 дБ по сравнению с выходной мощностью устройства для NB-IoT и LTE-M для достижения того же покрытия восходящей линии связи. При более подробном рассмотрении результатов расширенного охвата в главах 4, 6 и 8 видно, что NB-IoT может работать с более низкой частотой ошибок блока канала управления, чем EC-GSM-IoT и LTE-M при 164 дБ MCL. , что делает его более надежным при экстремальном покрытии. Можно отметить, что LTE-M и EC-GSM-IoT могут применять скачкообразную перестройку частоты, которая обеспечивает некоторую дополнительную устойчивость покрытия за счет дополнительного частотного разнесения.

щелкните, чтобы увеличить изображение

РИСУНОК 9.7. Покрытие и скорость передачи данных физического уровня для восходящего канала.

щелкните, чтобы увеличить изображение

РИСУНОК 9.8. Покрытие и скорость передачи данных физического уровня для нисходящего канала.

На рисунках 9.7 и 9.8 также представлены скорости передачи данных физического уровня . значения для различных технологий CIoT. мгновенная пиковая скорость передачи данных физического уровня определяет достижимую скорость передачи данных только для каналов данных. Другие значения скорости передачи данных в таблицах относятся к эффективным скоростям передачи данных физического уровня для передачи одного сообщения, где также задержки для диспетчеризации и сигнализации управления учитываются во времени передачи сообщения. В этом сравнении предполагается, что полудуплексный режим используется для всех технологий, но следует отметить, что устройства LTE-M также могут быть реализованы с поддержкой полнодуплексного режима, что позволит достичь более высоких скоростей передачи данных (с пиковой скоростью, близкой к мгновенные пиковые скорости передачи данных физического уровня). Эти скорости предназначены для устройств с различными потерями связи с базовой станцией: пиковая скорость передачи данных физического уровня соответствует устройству с идеальным безошибочным подключением к базовой станции. Скорости передачи данных физического уровня при затухании связи 144 дБ соответствуют нормальному краю соты радиоячейки GSM или LTE, а 154 и 164 дБ соответствуют 10 и 20 дБ расширению покрытия по сравнению с границей соты GSM.

Что можно увидеть, так это то, что LTE-M может достигать значительно более высоких скоростей передачи данных в восходящей и нисходящей линиях связи по сравнению с NB-IoT или EC-GSM-IoT. Это, в частности, относится к устройствам, которые находятся в пределах нормальной зоны действия радиоячейки. Когда устройства расположены в расширенных зонах покрытия, восходящий канал ограничен выходной мощностью устройства, и все технологии CIoT используют повторения для достижения необходимого качества связи. В экстремальных ситуациях покрытия, таких как потери связи 164 дБ, достижимые скорости передачи данных для различных технологий становятся очень похожими при использовании одинаковой выходной мощности. EC-GSM-IoT имеет на уровне MCL 164 дБ более высокую скорость передачи данных, чем другие технологии, из-за более высокой выходной мощности устройства на 10 дБ. В пределах той же несущей LTE LTE-M обычно имеет более высокие скорости передачи данных, чем внутриполосный NB-IoT.

Все три технологии соответствуют требованиям 3GPP по достижению 160 бит / с при MCL 164 дБ.

9.3.1.2 Задержка

Задержка технологий CIoT была оценена в отношении отчета об исключениях . , который представляет собой нечастое важное сообщение IoT, содержащееся в 85-байтовом IP-пакете, который передается с устройства по сети CIoT. Все технологии, LTE-M, NB-IoT и EC-GSM-IoT, удовлетворяют целевому показателю задержки 3GPP в 10 с, впервые определенному в версии 13, как показано на рисунке 9.9. Когда устройство находится в пределах нормального покрытия, LTE-M может достичь несколько меньших задержек из-за более высоких скоростей передачи данных, обеспечиваемых LTE-M. В расширенном покрытии EC-GSM-IoT может обеспечить наименьшую задержку из-за более высокой выходной мощности устройства, что может обеспечить более высокие скорости передачи данных. Автономный NB-IoT имеет меньшую задержку по сравнению с внутриполосным NB-IoT из-за более высокой мощности, используемой для каналов нисходящей линии связи.

щелкните, чтобы увеличить изображение

РИСУНОК 9.9. Задержка для отчета об исключении.

9.3.1.3 Срок службы батареи

Срок службы батареи был проанализирован для всех технологий CIoT, исходя из двух батареек AA общей емкостью 5 Втч. Предполагается, что КПД усилителя мощности составляет 45-50% для всех трех технологий Интернета вещей.

В целом, все технологии CIoT применяют механизмы, позволяющие продлить срок службы батареи для нечастой передачи сообщений, что характерно для многих служб IoT. Основные принципы заключаются в том, что устройства становятся активными только для передачи данных, а в противном случае переводятся в спящий режим с экономией заряда батареи. Определены эффективные процедуры, которые минимизируют служебные данные, связанные с передачей данных. Это особенно важно для небольших сообщений, потому что любые накладные расходы на сигнализацию могут составлять значительную часть энергопотребления.

Для ежедневного отчета о 200-байтовом сообщении время автономной работы для различных технологий CIoT показано на рисунке 9.10. Результаты для различных размеров сообщений и периодичности передачи данных IoT приведены в таблице 9.5. В целом, все технологии обеспечивают срок службы батареи до 10 лет, а в некоторых случаях даже значительно дольше. Самая большая проблема, связанная с длительным сроком службы батареи, - это когда устройство находится в очень плохой зоне покрытия. В режиме расширенного покрытия используются очень низкие скорости передачи данных, и для передачи данных применяется много повторений. В этой ситуации устройству требуется повышенное усилие для передачи данных, что снижает возможность отдыха в состоянии сна с экономией заряда батареи. Соответственно, срок службы батареи значительно сокращается при MCL 164 дБ для всех технологий CIoT. При таких больших потерях связи срок службы батареи 10 лет может быть достигнут только в том случае, если события передачи данных устройства происходят редко, например, один раз в день. Для более частых событий передачи данных, таких как одно сообщение каждые 2 часа, срок службы батареи составляет 1-3 года при MCL 164 дБ.

щелкните, чтобы увеличить изображение

РИСУНОК 9.10. Срок службы батареи для устройства с ежедневным отчетом о 200-байтовом сообщении.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Таблица 9.5 Срок службы батареи

Все три технологии соответствуют или указывают на возможность выполнения требования 3GPP о достижении 10-летнего срока службы батареи при уровне MCL 164 дБ.