Qual è la differenza tra NB-IoT e LTE-M?

L’LTE normale è stato progettato per i telefoni: dispositivi che si ricaricano ogni giorno, che vogliono decine di megabit al secondo e che hanno spazio per un modem capace. Un contatore dell’acqua in un seminterrato non ha bisogno di nulla di tutto questo. Invia pochi byte al giorno, deve funzionare per un decennio con una batteria e sta dietro un muro che attenua pesantemente i segnali radio.

NB-IoT e LTE-M sono le due risposte del 3GPP a questo vuoto. Entrambi sono stati standardizzati nella Release 13 del 3GPP, entrambi usano lo spettro licenziato degli operatori mobili, ed entrambi sono stati portati avanti nel 5G come la parte dello standard dedicata alla comunicazione massiva tra macchine (massive machine-type communication). Sono il ramo a spettro licenziato della famiglia LPWAN, accanto alle opzioni non licenziate come LoRaWAN.

Questa guida spiega cosa cambia ciascuna tecnologia rispetto all’LTE completo, in cosa le due differiscono tra loro e quale è adatta a quale dispositivo.

Cosa hanno in comune NB-IoT e LTE-M?

Entrambe le tecnologie sono profili LTE ridotti all’essenziale che riutilizzano l’infrastruttura degli operatori. Un operatore di solito le abilita con un aggiornamento software sulle stazioni base esistenti, ed è per questo che la copertura è arrivata in fretta in molti paesi. I dispositivi usano normali credenziali SIM, comprese le varianti eSIM e iSIM, e il traffico passa per la rete core dell’operatore con la stessa autenticazione e cifratura di un telefono.

Gli obiettivi comuni sono una lunga autonomia della batteria, una copertura profonda negli interni, un basso costo del modulo e il supporto per una densità di dispositivi per cella molto alta. Due meccanismi di risparmio energetico, introdotti per entrambe, fanno la maggior parte del lavoro:

• Il Power Saving Mode (PSM) permette a un dispositivo di dire alla rete che andrà in sleep per ore o giorni. Resta registrato, quindi non deve rifare l’attach quando si risveglia, ma è irraggiungibile finché non decide di trasmettere.
• L’Extended Discontinuous Reception (eDRX) allunga l’intervallo tra i controlli del paging da secondi fino a circa 44 minuti su LTE-M e circa 3 ore su NB-IoT. Il dispositivo è raggiungibile in downlink, solo non immediatamente.

Un dispositivo in PSM per la maggior parte della giornata si comporta più o meno come un nodo LoRaWAN di Classe A: parla quando ha qualcosa da dire, e la rete mette in coda tutto ciò che gli è destinato.

Cosa rende NB-IoT stretto, economico e paziente?

NB-IoT usa una singola portante da 180 kHz in un canale da 200 kHz, che può essere collocata dentro una portante LTE, in una banda di guardia LTE o in modalità standalone nello spettro 2G riallocato. La banda stretta concentra la potenza di trasmissione, il che, insieme alla pesante ripetizione delle trasmissioni, dà a NB-IoT un link budget decisamente migliore dell’LTE normale (l’obiettivo di progetto del 3GPP è una perdita di accoppiamento massima, o maximum coupling loss, di 164 dB). È questo che fa arrivare un segnale a un contatore in un seminterrato o a un sensore in un tombino.

Il prezzo è il throughput e la flessibilità. Le velocità di trasmissione sono nell’ordine delle decine di kilobit al secondo nel migliore dei casi, spesso molto meno al bordo della cella, e l’interfaccia radio è half-duplex. La release originale non prevedeva l’handover in modalità connessa: un dispositivo che si sposta tra celle perde la connessione e la ristabilisce. Le release successive hanno aggiunto alcune funzioni di mobilità e posizionamento, ma NB-IoT resta una tecnologia per oggetti che per lo più stanno fermi. La voce non è supportata.

Poiché il modem è semplice, il costo del modulo e il consumo sono bassi. L’uso previsto è un asset fisso che invia payload piccoli e poco frequenti: misura dei consumi, sensori di parcheggio, monitoraggio ambientale, sonde agricole per il suolo, infrastrutture per le smart city.

In che senso LTE-M è un LTE più piccolo?

LTE-M (la categoria di dispositivi Cat-M1, con Cat-M2 aggiunta in seguito) usa un canale da 1,4 MHz dentro una normale portante LTE. Conserva gran parte di ciò che offre l’LTE: funzionamento full-duplex sui moduli che lo supportano, velocità di trasmissione fino a circa un megabit al secondo, e handover in modalità connessa tra celle e supporto per la voce su LTE. La latenza è paragonabile a quella dell’LTE normale e molto più bassa di quella di NB-IoT.

Il link budget è migliorato rispetto all’LTE normale grazie alla ripetizione, anche se non al livello di NB-IoT. Il consumo energetico è più alto di NB-IoT durante la trasmissione, ma un dispositivo che invia i dati in fretta e torna in PSM può comunque raggiungere un’autonomia di diversi anni.

L’uso previsto è tutto ciò che si muove, parla o deve reagire in fretta: tracciamento degli asset, wearable, telematica per le flotte, centrali di allarme e dispositivi che richiedono aggiornamenti del firmware di dimensioni significative. Un aggiornamento OTA su NB-IoT è possibile ma terribilmente lento; su LTE-M è routine.

Come si sceglie tra i due?

Una breve lista di decisione copre la maggior parte dei casi:

• Il dispositivo non si muove mai, invia qualche centinaio di byte al giorno e si trova in un punto con segnale scarso: NB-IoT.
• Il dispositivo si muove alla velocità di un veicolo, o deve restare connesso mentre si muove: LTE-M.
• Il dispositivo ha bisogno della voce, o di rispondere ai comandi in downlink in meno di un secondo: LTE-M.
• Le immagini del firmware sono grandi o gli aggiornamenti sono frequenti: LTE-M.
• Il costo per modulo e per connessione deve essere il più basso possibile e il profilo dei dati lo consente: NB-IoT.

La copertura è ciò che in pratica decide i casi dubbi. Il supporto degli operatori è disomogeneo da paese a paese e da operatore a operatore, e alcune regioni hanno puntato su una tecnologia molto più che sull’altra. Prima di vincolare un progetto a una delle due, verifica la copertura effettiva lungo il percorso reale che i tuoi dispositivi seguiranno, e controlla gli accordi di roaming se le unità vengono spedite oltre confine. Molti moduli supportano entrambe e permettono di scegliere a runtime, che è la scelta sicura per i prodotti venduti a livello internazionale, al prezzo di un modulo IoT leggermente più costoso.

Cosa cambia con il 5G?

Entrambe le tecnologie sono state incluse nella proposta IMT-2020 (5G) del 3GPP all’ITU e continuano a essere servite dalle reti core 5G. Per i dispositivi di fascia bassa è rassicurante: ci si aspetta che i moduli che progetti oggi restino supportati man mano che le reti 2G e 3G vengono spente. Per i dispositivi che hanno bisogno di più di quanto offra LTE-M ma meno del 5G completo, 5G RedCap, introdotto nella Release 17 del 3GPP, colma la via di mezzo con un throughput più alto e una complessità più bassa rispetto al modem di un telefono.

Ciò che NB-IoT e LTE-M non ottengono sono le funzioni di bassa latenza e alta affidabilità del 5G completo. Restano ciò per cui sono stati progettati: collegamenti pazienti ed efficienti per i piccoli dispositivi.

Cosa deve pianificare chi progetta?

Pianifica PSM ed eDRX fin dall’inizio; un dispositivo che tiene una connessione aperta per risparmiare tempo di sviluppo brucerà la batteria in poche settimane. Mantieni i payload piccoli e codificali in modo compatto, usando CBOR o un formato binario invece di un JSON prolisso, e trasmetti su UDP con CoAP o LwM2M quando la rete lo supporta, perché gli handshake TCP sono costosi su un collegamento lento e half-duplex. Aspettati tempi di primo attach di molti secondi in copertura debole e progetta il feedback all’utente di conseguenza.

Infine, gestisci la connettività come una questione di prodotto, non solo di radio. Una piattaforma di gestione della connettività che mostra quali SIM sono attive, dove sono in roaming e quali hanno smesso di riportare dati ti farà risparmiare più uscite sul campo di qualsiasi ritocco all’antenna.

Per continuare

• Panoramica della connettività IoT confronta l’IoT cellulare con Wi-Fi, BLE, Zigbee, Thread e LoRaWAN.
• LoRaWAN spiegato tratta la principale alternativa non licenziata per la stessa classe di dispositivi.
• Tipi di dispositivi IoT e i vincoli che ne determinano la progettazione spiega i budget di energia e di costo che guidano queste scelte.

Argomenti: NB-IoT, LTE-M, IoT cellulare, LPWAN, 3GPP