Rede celular para IoT: objetivos da indústria e roadmap

Celular para IoT

A indústria de telefonia celular está tomando providências para garantir que as operadoras de telefonia móvel, em vez de provedores de rede de longa distância (LPWAN), garantam a maior parte da receita das soluções de conectividade de Internet das Coisas (IoT) de longo alcance. As recompensas potenciais são enormes, já que até mesmo os analistas menos otimistas projetam que haverá pelo menos 20 bilhões de dispositivos em IoT em serviço até 2020 e muito mais do que isso quando os veículos autônomos forem às ruas.

 

O setor de telefonia celular tem uma estratégia sólida para tornar suas tecnologias mais adequadas para a IoT, incluindo metas e um roteiro para o uso de três áreas tecnológicas importantes.

 

 

Objetivos dos  celulares

 

Os objetivos gerais do setor são mostrados na Tabela 1. De uma perspectiva técnica, a abordagem é quase o oposto do que está sendo desenvolvido para seus mercados tradicionais de voz e dados. Ou seja, a próxima principal referência para o setor é a rede de quinta geração, 5G, que promete taxas de dados incrivelmente rápidas, entregues em parte por meio de larguras de banda de canal mais amplas do que são hoje.

 

Tabela 1: Objetivos da Indústria IoT Celular

Métrica

Objetivo

Baixo consumo de energia

Sobre um nanoamp - bateria com vida útil de 10 anos e capacidade de 5W/h

Redução contínuo dos custos dos dispositivos

Para equipamentos de usuários de infraestrutura

Cobertura aprimorada

Para um melhor desempenho ao ar livre e especialmente em espaços fechados

Segurança aprimorada

Para autenticação forte e outros recursos

Transferência de dados eficiente

Habilitado por pequenos blocos de dados intermitentes

Design de rede avançada

Para topologia e aplicação simplificada

Escalabilidade de rede

Incluindo mais de 50.000 por estação base

Maior cobertura

Uma melhoria de 15bB a 20dB (5 a 6 vezes)

Diminuindo as taxas de dados

O mais baixo possível, mantendo a qualidade de serviço (QoS)

 

Em contraste, seus planos para IoT estão indo na direção oposta, da capacidade de banda larga atual de alta taxa de dados do LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro, para variantes LTE de banda extremamente estreita, baixa taxa de dados e baixa potência como LTE-M e Narrowband-IoT (NB-IoT). Há semelhanças entre esses caminhos, já que cada abordagem visa reduzir a latência, aumentar a eficiência espectral e simplificar e reduzir drasticamente os custos de hardware da rede e do usuário final. No entanto, fornecer conectividade IoT é muito diferente de qualquer coisa que a indústria tenha enfrentado antes.

 

A estratégia geral é implementar hoje a conectividade IoT usando as versões mais recentes do LTE melhorando consistentemente essas versões nos próximos três a quatro anos, quando os padrões que compõem o 5G serão lançados. A indústria pode então usar a magia tecnológica dentro dos padrões 5G para aumentar ainda mais o desempenho. Isso fica óbvio ao visualizar a Tabela 2, que mostra as variações dos padrões 3GPP, Release 8 e Release 13, que foram finalizados em 2016. Observe que o LoRa, um dos concorrentes mais significativos das soluções de IoT de celular implantadas hoje, já usa muito largura de banda estreita e baixas taxas de dados, o que é um benefício comercial para os provedores da LPWAN que usam essa tecnologia.

 

Tabela 2: Taxas de largura de banda e dados comparadas

 LoRaWAN™LTEEC-GSM-IoTLTE-MNB-IoT

Largura de banda do canal

<500kHz

1.4 a 20MHz

200kHz

1.08MHz

200kHz

Taxa máxima de dados

<50kbps

10Mbps download, 5Mbps upload

<140kbps

<1Mbps

170kbps download, 250kbps upload

Tecnologias celulares para IoT

 

O roadmap para celular é baseado no uso de três versões da tecnologia sem fio:

 

LTE-M

 

O LTE-M é um padrão de baixa energia que suporta IoT, reduzindo a complexidade do dispositivo (modem) e aumentando a cobertura, permitindo a reutilização da infraestrutura LTE existente, permitindo que os dispositivos IoT operem por pelo menos 10 anos em uma ampla variedade de aplicativos. Ele é suportado pelos principais fabricantes de equipamentos móveis, chipsets e módulos, e se beneficia dos recursos atuais de segurança de rede, como confidencialidade e autenticação de identidade, integridade de dados e identificação de equipamentos móveis. Atualmente está sendo implantado pelas principais operadoras, como a AT&T e a Verizon.

 

O LTE-M é energeticamente eficiente, pois usa técnicas chamadas de Repetição Descontinuada estendida (eDRX) e Modo de Economia de Energia (PSM). O eDRX permite que um dispositivo tenha ciclos de sono mais longos, para que eles possam se comunicar com a rede em momentos diferentes: variando de 10 segundos a 40 minutos ou mais. O PSM melhora a vida útil da bateria do dispositivo IoT fornecendo gerenciamento avançado de energia, ligando e desligando o modem do dispositivo em intervalos programados para economizar energia e permitindo que o modem permaneça “conectável” mesmo quando a maioria de suas funções está inativa.

 

EC-GSM-IoT

 

O EC-GSM-IoT é projetado para fornecer cobertura para dispositivos IoT em ambientes de rádio difíceis e é compatível com versões anteriores para que possa ser usado nas redes GSM existentes como uma atualização de software. Ele oferece ampla cobertura, permite o compartilhamento de recursos entre o EC-GSM-IoT e serviços herdados de comutação de pacotes e pode ser introduzido em uma rede sem recursos dedicados para IoT. Além da excelente cobertura, o EC-GSM-IoT usa uma camada de protocolo simplificada para reduzir a complexidade do dispositivo, prolongar a vida útil da bateria e utilizar uma estrutura de segurança comparável aos padrões 4G.

 

NB-IoT

 

O NB-IoT usa a camada física LTE e camadas de protocolo mais altas e amplia a cobertura e a capacidade, reduzindo drasticamente a complexidade do dispositivo. Projetado para operar em praticamente qualquer faixa de freqüência com as redes de celular existentes, o NB-IoT se concentra na transmissão e recepção de pequenas quantidades de dados. Ele tem o menor consumo de energia de qualquer padrão de IoT celular enquanto ainda oferece cobertura de longo alcance, especialmente em ambientes “resistentes a RF”, como prédios e instalações abaixo do solo, como os metrôs.

 

Conclusão

 

A indústria de celular quer garantir a maior parte da receita de soluções de conectividade IoT de longo alcance. Os objetivos do setor são muitos, incluindo baixo consumo de energia, cobertura e segurança aprimorada, escalabilidade e entre outros. Três versões da tecnologia sem fio compõem o roteiro para atender a essas metas: LTE-M, EC-GSM-IoT e NB-IoT.

 

Artigo escrito originalmente por Barry Manz paraMouser Electronics, publicado em 23/02/18: Cellular for IoT: Industry Goals and Technology Roadmap

 

Traduzido por Equipe Embarcados.

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