Сотовый IoT: сравнение производительности EC-GSM-IoT, NB-IoT и LTE-M

Примечание редактора: Растущий спрос на повсеместное IoT подключение идеально согласуется с возникающими сотовыми технологиями, спроектированными для Интернета вещей. Разработчикам теперь нужны детальные, надежные инсайты в эти технологии и их реальные применения. Эта статья, извлеченная из книги Cellular Internet of Things, вводит ключевые концепции и технологии, формирующие IoT ландшафт. В предыдущей серии авторы исследовали эволюционирующую сотовую экосистему, ее роль в IoT и технологии, движущие massive machine-type communications (mMTC) и ultra-reliable low-latency communications (URLLC).

Elsevier предлагает этот и другие инженерные заголовки со скидкой 30%. Используйте код ENGIN318 при оплате здесь.

Адаптировано из Cellular Internet of Things Олофа Либерга, Мартена Сундберга, Эрика Ванга, Йохана Бергмана и Йоахима Сакса.

Глава 9. Конкурентный ландшафт IoT технологий (Продолжение)

9.3 Выбор CIoT технологии

9.3.1 Сравнение CIoT технологий

Главы 3-8 представляют детальный анализ EC-GSM-IoT, NB-IoT и LTE-M. Здесь мы синтезируем ключевые метрики производительности и характеристики. Для NB-IoT мы фокусируемся на in-band и stand-alone развертываниях; guardband режим имеет похожую производительность и покрыт в Главе 8.

9.3.1.1 Покрытие и скорость данных

Восходящие и нисходящие скорости данных для всех CIoT технологий суммаризированы в Рисунках 9.7 и 9.8 через варьирующие потери связности. Каждая технология предлагает расширенное покрытие до 164 дБ потерь связности (MCL), драматическое улучшение над legacy GSM, UMTS и LTE сетями. EC-GSM-IoT достигает 164 дБ с 33 дБм передающей мощностью — на 10 дБ выше мощности, требуемой для NB-IoT и LTE-M для достижения того же покрытия.

На экстремальном покрытии 164 дБ, NB-IoT доставляет более низкий блок-ошибок контрольного канала чем EC-GSM-IoT и LTE-M, делая его более надежным. LTE-M и EC-GSM-IoT могут использовать частотную перестройку для добавленной частотной диверсии и устойчивости покрытия.

Рисунок 9.7: Покрытие и физический уровень скорости данных — Восходящий.

Рисунок 9.8: Покрытие и физический уровень скорости данных — Нисходящий.

Таблицы в Рисунках 9.7 и 9.8 показывают как мгновенные пиковые физические скорости данных (только канал) так и эффективные скорости, включающие планирование и контрольные накладные расходы. Мы предполагаем полудуплексную операцию для всех технологий; LTE-M устройства могут также быть сконфигурированы для полнодуплексной, приближаясь к мгновенному пиковому рейту. Рейты показаны для идеальных линков, 144 дБ (край ячейки), и 154/164 дБ (10/20 дБ расширенное покрытие).

LTE-M последовательно превосходит NB-IoT и EC-GSM-IoT в восходящих и нисходящих скоростях данных когда устройства в нормальном покрытии. В расширенном покрытии восходящие рейты лимитированы передающей мощностью, и все три технологии полагаются на повторения для встречи качества линка. На 164 дБ достижимые рейты сходятся; EC-GSM-IoT лидирует слегка из-за своей более высокой выходной мощности. LTE-M также выигрывает от более высоких скоростей данных в том же LTE несущем по сравнению с in-band NB-IoT.

Все три технологии удовлетворяют 3GPP требование 160 бпс на 164 дБ MCL.

9.3.1.2 Латентность

Латентность оценивалась с использованием отчета об исключении — высокой важности, нечастого сообщения (85 байт). Все три технологии встречают 3GPP цель латентности 10 с (Release 13). В нормальном покрытии LTE-M предлагает слегка более низкие латентности благодаря своим более высоким скоростям данных. В расширенном покрытии EC-GSM-IoT достигает наименьшей латентности потому что его более высокая передающая мощность дает более высокие скорости данных. Stand-alone NB-IoT также наслаждается более низкой латентностью чем in-band NB-IoT из-за более сильных нисходящих каналов.

Рисунок 9.9: Латентность для отчета об исключении.

9.3.1.3 Срок службы батареи

Срок службы батареи оценивался для всех технологий с использованием двух АА батарей (5 Вт·ч всего) и эффективностью усилителя мощности 45-50%. Все CIoT устройства используют агрессивные циклы сна, активируясь только для передачи данных и иначе оставаясь в низкоэнергетическом режиме. Эффективные процедуры сокращают сигнальные накладные расходы, что критично для передач малых сообщений.

Рисунок 9.10 показывает срок службы для ежедневного 200-байтового отчета. Таблица 9.5 суммаризирует сроки службы через размеры сообщений и периодичности. Каждая технология поддерживает минимум 10 лет срока службы батареи под типичными условиями; в худшем случае 164 дБ MCL, 10-летние сроки службы достижимы только с ежедневными передачами. Более частые отчеты (например, каждые 2 часа) сокращают срок службы до 1-3 лет на 164 дБ.

Рисунок 9.10: Срок службы батареи для устройства с ежедневным отчетом 200-байтового сообщения.

Таблица 9.5: Срок службы батареи.

Все три CIoT технологии встречают или готовы встретить 3GPP 10-летнее требование к сроку службы батареи на 164 дБ MCL.