Wat is smalband IoT (NB-IoT)?

Wat is NB-IoT?

Met de introductie van niet-cellulaire LPWAN (Low Power Wide Area Network) technologieën zoals LoRa en SigfoxDe mobiele industrie reageerde op deze opkomende technologieën met NB-IoT (Narrowband Internet of Things) voor IoT- en M2M- (Machine-to-Machine) toepassingen. Dit werd geïntroduceerd als onderdeel van de release (13) van de 3GPP cellulaire standaard, die ook bekend staat als LTE CAT-NB. De belangrijkste doelstellingen van de introductie van NB-IoT waren het introduceren van een lange levensduur van de batterij, lage latentie, laag stroomverbruik en verbeterde dekking binnenshuis. Een ander interessant kenmerk van NB-IoT-implementaties is de mogelijkheid om naast 2G, 3G en LTE te bestaan. 4G mobiele netwerken, ook 3GPP heeft al voorzieningen getroffen voor de opname van NB-IoT in 5G standaarden. Laten we nu dieper ingaan op de werking van NB-IoT en de functies ervan.

Hoe werkt het?

NB-IoT maakt gebruik van het mobiele carriernetwerk voor gegevensoverdracht. De gegevens van de sensoren worden verzameld en verzonden naar transmissieknooppunten of NB-IoT basisstations. Deze transmissieknooppunten zijn verbonden met een IoT-gateway en IoT cloud applicatieservers voor verdere verwerking.

Er zijn drie belangrijke manieren om NB-IoT te implementeren, namelijk: In-band, Guard-band en Standalone. In de in-band modus wordt een enkel bronblok met een bandbreedte van 180 KHz binnen de toegewezen GSM-band gebruikt voor NB-IoT. In de Guard-band wordt de NB-IoT draaggolf verzonden door gebruik te maken van de ongebruikte guard-band binnen een LTE-band. Tot slot wordt de NB-IoT-draaggolf verzonden als zelfstandige draaggolf in de stand-alone modus.

De standalone modus levert de beste prestaties op, maar de meeste use-cases maken gebruik van de guard-band modus, wat weer van invloed is op de prestaties van LTE. Deze laatste methode is echter waarschijnlijk kosteneffectiever. Aan de andere kant beperkt de in-band modus de prestaties van zowel LTE als NB-IoT, omdat de NB-IoT draaggolf in het toegewezen LTE-spectrum wordt ingepakt.

De gegevensoverdracht van NB-IoT in het uplinkkanaal verloopt efficiënt, omdat NB-IoT half-duplex is. Hier wordt eerst een verbinding met het cellulaire netwerk tot stand gebracht, vervolgens worden netwerkbronnen aan het knooppunt toegewezen en ten slotte vindt de gegevensoverdracht plaats. Om het proces verder uit te breiden, wordt het apparaat in eerste instantie losgekoppeld van het netwerk totdat het gegevens heeft om te verzenden. Nadat de verbinding tot stand is gebracht, houdt het apparaat Radio Resource Control (RRC) verbonden gedurende een configureerbare tijd totdat RRC inactief is, waarna de verbinding wordt verbroken. NB-IoT heeft immediate beëindiging van de verbinding mogelijk gemaakt zodra de bevestiging van de gegevens is ontvangen, waardoor het overmatige stroomverbruik dat inherent is aan LTE-netwerken, die uitgaan van actieve verbindingen, wordt verminderd. Om gegevens naar een toepassing te verzenden, zijn bovendien twee optimalisaties voor het Cellular Internet of Things (CIoT) in het Evolved Packet System (EPS) gedefinieerd in NB-IoT, die worden toegepast op het gebruikersvlak en het besturingsvlak.

Kenmerken en voordelen van NB-IoT

Laten we nu eens kijken naar enkele interessante functies en voordelen van NB-IoT.

• Laag stroomverbruik: NB-IoT verlaagt het stroomverbruik van edge nodes die op batterijen werken door functies te gebruiken zoals Power Savings Mode (PSM) en Extended Discontinuous Reception (eDRX). PSM is een functie van de gebruikersapparatuur (UE), waarbij de UE meldt hoe vaak en hoe lang hij actief moet zijn om gegevens te verzenden. Dit is vergelijkbaar met uitschakelen, maar de UE blijft wel geregistreerd bij het netwerk, zodat de verbinding niet opnieuw tot stand hoeft te worden gebracht. eDRX is een uitgebreide functie van de al bestaande functie voor discontinue ontvangst (DRX) in LTE, waarbij de UE voor een onmerkbare periode wordt losgekoppeld van het netwerk. Beide functies zijn bedoeld om een batterijlevensduur van meer dan 10 jaar te bieden voor randknooppunten met een batterijcapaciteit van 5Wh.
•  Betere dekking: het maximale koppelingsverlies (MCL) voor NB-IoT is 164 dB, waardoor diepe dekking mogelijk is in tunnels, kelders, landelijke gebieden en open omgevingen. Dit is een verbetering van 20 dB ten opzichte van LTE en een 7x groter dekkingsgebied.
• Lage kosten van apparaten met lage datasnelheden: Door de lagere complexiteit van de apparaten lagen de prijzen van de apparaten rond de $6 per module. Een andere factor die bijdraagt aan de lagere complexiteit van apparaten is de half-duplex communicatiemodus die wordt gebruikt in NB-IoT.
•  Mogelijkheid om enorme aantallen apparaten met lage doorvoer aan te sluiten: Ondersteunt ten minste 50.000+ aangesloten apparaten binnen een mobiele sector. De verwachte datasnelheid voor zowel uplink als downlink is ongeveer 160 bps.
• Smallere kanalen: De kanaalbreedte voor NB-IoT is 180 kHz. Dit vermindert de complexiteit van het apparaatontwerp en verlaagt ook het vermogen en de kosten van de apparaten. NB-IoT wijst aan elke UE een of meer 15 kHz subcarriers toe in het toegewezen 180 kHz bronblok. Er is flexibiliteit om dit te beperken tot 3,75 kHz, waardoor meer apparaten de ruimte kunnen delen.
• Lagere latentie: NB-IoT streeft naar latenties van minder dan 10 seconden.
• Verbeterde capaciteit: Functies zoals optimalisatie van signalering, smalbandtransmissie, hybride automatisch herhalingsverzoek (HARQ) en adaptieve modulatie maken miljoenen aangesloten NB-IoT-apparaten binnen een bepaald gebied mogelijk.
• Overgeërfde beveiliging: NB-IoT erft beveiligingsfuncties van LTE-beveiligingsfuncties, waaronder SIM-gebaseerde authenticatie.
• Geen mobiliteit: NB-IoT ondersteunt geen handover en moet dus geassocieerd blijven met één cel of stationair blijven.

Toepassing van NB-IoT

Hieronder staan enkele interessante NB-IoT toepassingsgebieden:

• Slimme meters: Door de verbeterde penetratiemogelijkheden en het verbeterde bereik van NB-IoT is het zeer geschikt voor ondergrondse meetsystemen en meetsystemen op afstand.
• Minder mobiele tracking: NB-IoT is ideaal voor het volgen van minder mobiele assen waar minder mobiliteit is.
• Slimme steden: NB-IoT kan miljoenen apparaten met een lage doorvoer met elkaar verbinden, wat cruciaal is voor het ontwerp van complexere systemen zoals slimme steden.
• Slim bouwen en industriële IoT-toepassingen (IIoT): NB-IoT kan milieu- en onderhoudsgegevens monitoren via de gevestigde breedbandverbindingen in gebouwen en fabrieken.

Wanneer NB-IoT overwegen?

NB-IoT is zeer geschikt voor slaapapparaten met een laag energieverbruik. Het is ook geschikt voor IoT en M2M gebruikssituaties waar lage datasnelheden en minder mobiliteit vereist zijn met lage kosten, sterke dekking en hoge dichtheid van aangesloten apparaten voor een bepaald werkingsbereik. Volgens [1] is het grootste marktaandeel van NB-IoT in Europa in handen van respectievelijk de infrastructuur- en landbouwsector, gevolgd door de automobielsector en de gezondheidszorg. Dit geeft je een idee van wanneer je NB-IoT in je toepassing moet overwegen.

NB-IoT vs LTE-M

Zowel NB-IoT als LTE-M zijn in 2016 geïntroduceerd door 3GPP Release 13. Ten eerste biedt LTE-M hogere datasnelheden en lagere latenties dan NB-IoT. Bovendien kan LTE-M zowel spraak- als datacommcommunicatie ondersteunen, terwijl NB-IoT alleen datacommcommunicatie kan ondersteunen. Door de erfenis van LTE is LTE-M bovendien uitgerust met out-of-box roamingmogelijkheden, waardoor het in meer mobiele toepassingen kan worden gebruikt.

NB-IoT biedt echter meer dekkings- en penetratiemogelijkheden dan LTE-M. Bovendien heeft NB-IoT achterwaartse compatibiliteit met 2G en 3G cellulaire netwerken, wat een nadeel is voor LTE-M omdat deze cellulaire netwerken nog steeds op grote schaal worden gebruikt. Tot slot is NB-IoT een kosteneffectiever alternatief voor LTE-M vanwege de lage bandbreedte en lage datasnelheden.

Controleer de verschil tussen NB-IoT en LoRa in het IoT als je geïnteresseerd bent in.

Conclusie

Volgens [1] wordt de wereldwijde NB-IoT-markt in 2018 gewaardeerd op 578,0 miljoen USD en zal deze naar verwachting groeien als 3GPP heeft al voorzieningen getroffen voor NB-IoT in 5G cellulaire communicatie. Dit zal meer dekking en veel onderling verbonden apparaten mogelijk maken, wat zal leiden tot massale IoT-uitrol. Daarom is het de moeite waard om NB-IoT te overwegen in uw statische, energiezuinige IoT-toepassing.