Mobiles IoT – Vergleich von CIoT-Technologien

Anmerkung der Redaktion:Die steigenden Anforderungen an eine erhöhte Verfügbarkeit von IoT-Geräten fallen mit dem Aufkommen von Mobilfunktechnologien zusammen, die für das IoT gut geeignet sind . Für Entwickler war der Bedarf an detaillierteren Informationen über Mobilfunktechnologien und deren Anwendung im IoT noch nie so groß. Diese Reihe ist ein Auszug aus dem Buch Cellular Internet of Things und stellt Schlüsselkonzepte und Technologien in diesem Bereich vor.

In einer früheren Serie beschrieben die Autoren die sich entwickelnde Landschaft des Mobilfunks, seine Rolle im IoT und Technologien für massive maschinelle Kommunikation (mMTC) und ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC).

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Adaptiert aus Cellular Internet of Things, von Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs.

Kapitel 9. Die wettbewerbsfähige Technologielandschaft des Internets der Dinge (Forts.)

Von Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs

9.3 WAHL DER CIoT-TECHNOLOGIE

9.3.1 VERGLEICH VON CIoT-TECHNOLOGIEN

Die verschiedenen CIoT-Technologien EC-GSM-IoT, NB-IoT und LTE-M wurden in den Kapiteln 3-8 ausführlich analysiert. Hier fassen wir die Leistung und Eigenschaften zusammen und vergleichen sie. Für NB-IoT betrachten wir in dieser Zusammenfassung der Einfachheit halber nur In-Band- und Stand-Alone-Bereitstellungsoptionen. Die Leistung des Guardband-Betriebsmodus ist der In-Band-Leistung weitgehend ähnlich. Die vollständige NB-IoT-Leistungsanalyse einschließlich des Schutzbandbetriebs finden Sie in Kapitel 8.

9.3.1.1 Abdeckung und Datenrate

Die Datenraten im Uplink und Downlink für alle CIoT-Technologien sind in den Abbildungen 9.7 und 9.8 für unterschiedliche Kopplungsverluste zusammengefasst. Alle diese Technologien haben erweiterte Abdeckungsfunktionen eingeführt, die einen Betrieb bei einer Kopplungsdämpfung von bis zu 164 dB ermöglichen. Dies ist eine bedeutende Erweiterung des Abdeckungsbereichs im Vergleich zu dem, was heute in Global System for Mobile Communications (GSM), UMTS oder Long-Term Evolution (LTE)-Netzen zu finden ist. Für EC-GSM-IoT bezieht sich die 164 dB Kopplungsdämpfung auf ein Gerät mit einer Ausgangsleistung von 33 dBm, wie es in GSM-Netzen üblich ist. Dies bedeutet jedoch, dass für die volle erweiterte Reichweite in EC-GSM-IoT eine 10 dB höhere Geräteausgangsleistung im Vergleich zur Geräteausgangsleistung für NB-IoT und LTE-M benötigt wird, um dieselbe Uplink-Abdeckung zu erreichen. Wenn man sich die Details der erweiterten Abdeckung in den Kapiteln 4, 6 und 8 genauer ansieht, wird deutlich, dass NB-IoT mit einer niedrigeren Blockfehlerrate des Steuerkanals arbeiten kann als EC-GSM-IoT und LTE-M bei 164 dB MCL , wodurch es bei extremer Abdeckung robuster wird. Es sei darauf hingewiesen, dass LTE-M und EC-GSM-IoT Frequenzsprungverfahren anwenden können, was aufgrund der zusätzlichen Frequenzdiversität eine zusätzliche Robustheit der Abdeckung bietet.

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ABBILDUNG 9.7 Abdeckung und Datenrate der Bitübertragungsschicht für Uplink.

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ABBILDUNG 9.8 Abdeckung und Datenrate der Bitübertragungsschicht für Downlink.

Die Abbildungen 9.7 und 9.8 zeigen auch die Datenraten der physikalischen Schicht Werte für die verschiedenen CIoT-Technologien. Die momentane Spitzendatenrate der Bitübertragungsschicht gibt nur die erreichbare Datenrate der Datenkanäle an. Die anderen Datenratenwerte in den Tabellen beziehen sich auf die effektiven Datenraten der Bitübertragungsschicht für die Übertragung einer einzelnen Nachricht, wobei auch die Latenzen für das Scheduling und die Steuersignalisierung in der Übertragungszeit der Nachricht berücksichtigt werden. Bei diesem Vergleich wird davon ausgegangen, dass für alle Technologien Halbduplex-Betrieb verwendet wird, jedoch ist zu beachten, dass LTE-M-Geräte auch mit Unterstützung des Vollduplex-Betriebs realisiert werden können, wodurch höhere Datenraten (mit Spitzenraten nahe dem momentane Spitzendatenraten der Bitübertragungsschicht). Diese Raten werden für Geräte mit unterschiedlicher Kopplungsdämpfung zur Basisstation bereitgestellt:Peak Physical Layer Data Rate entspricht einem Gerät mit idealer fehlerfreier Verbindung zu einer Basisstation. Datenraten der Bitübertragungsschicht bei 144 dB Kopplungsverlust entsprechen dem normalen Zellenrand der GSM- oder LTE-Funkzelle, und 154 und 164 dB entsprechen 10 und 20 dB Abdeckungserweiterung im Vergleich zum Zellenrand von GSM.

Zu erkennen ist, dass mit LTE-M im Uplink und Downlink im Vergleich zu NB-IoT oder EC-GSM-IoT deutlich höhere Datenraten erreicht werden können. Dies ist insbesondere bei Geräten der Fall, die sich im normalen Versorgungsbereich der Funkzelle befinden. Wenn sich Geräte in ausgedehnten Abdeckungsgebieten befinden, wird der Uplink durch die Geräteausgangsleistung begrenzt, und alle CIoT-Technologien machen Wiederholungen, um die erforderliche Verbindungsqualität zu erreichen. In extremen Versorgungssituationen wie bei 164 dB Kopplungsdämpfung werden die erreichbaren Datenraten für verschiedene Technologien bei gleicher Ausgangsleistung ziemlich ähnlich. EC-GSM-IoT hat beim 164 dB MCL eine höhere Datenrate als die anderen Technologien aufgrund der 10 dB höheren Ausgangsleistung des Gerätes. Innerhalb desselben LTE-Trägers hat LTE-M im Allgemeinen höhere Datenraten als Inband-NB-IoT.

Alle drei Technologien erfüllen die 3GPP-Anforderung zum Erreichen von 160 bps bei der MCL von 164 dB.

9.3.1.2 Latenz

Die Latenz der CIoT-Technologien wurde im Hinblick auf einen Ausnahmebericht bewertet , bei der es sich um eine seltene, sehr wichtige IoT-Nachricht handelt, die in einem 85-Byte-IP-Paket enthalten ist und von einem Gerät über das CIoT-Netzwerk übertragen wird. Alle Technologien, LTE-M, NB-IoT und EC-GSM-IoT, erfüllen das 3GPP-Latenzziel von 10 s, das erstmals in Release 13 definiert wurde, wie in Abbildung 9.9 dargestellt. Wenn sich ein Gerät in normaler Abdeckung befindet, kann LTE-M aufgrund der höheren Datenraten von LTE-M etwas geringere Latenzen erreichen. Bei erweiterter Abdeckung kann EC-GSM-IoT aufgrund der höheren Geräteausgangsleistung, die höhere Datenraten liefern kann, die niedrigste Latenzzeit bieten. Stand-alone-NB-IoT hat eine geringere Latenz im Vergleich zu In-Band-NB-IoT aufgrund der höheren Leistung, die für Downlink-Kanäle verwendet wird.

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ABBILDUNG 9.9 Latenz für Ausnahmebericht.

9.3.1.3 Batterielebensdauer

Die Batterielebensdauer wurde für alle CIoT-Technologien analysiert, wobei zwei AA-Batterien mit einer gemeinsamen Kapazität von 5 Wh angenommen wurden. Für alle drei IoT-Technologien wurde ein Leistungsverstärkerwirkungsgrad von 45 - 50 % angenommen.

Insgesamt wenden alle CIoT-Technologien Mechanismen an, um die Batterielebensdauer bei seltener Übertragung von Nachrichten zu verlängern, wie es bei vielen IoT-Diensten üblich ist. Grundsätzlich gilt, dass Geräte nur für die Datenübertragung aktiv werden und ansonsten in einen batterieschonenden Schlafzustand versetzt werden. Es wurden effiziente Verfahren definiert, die den mit der Datenübertragung verbundenen Signalisierungs-Overhead minimieren. Dies ist besonders bei kleinen Nachrichten wichtig, da jeder Signalisierungs-Overhead dann einen erheblichen Teil des Energieverbrauchs ausmachen kann.

Für einen täglichen Bericht einer 200-Byte-Nachricht sind die Batterielebensdauern für die verschiedenen CIoT-Technologien in Abbildung 9.10 dargestellt. Die Ergebnisse für unterschiedliche Nachrichtengrößen und Periodizitäten von IoT-Datenübertragungen sind in Tabelle 9.5 zusammengefasst. Insgesamt ermöglichen alle Technologien Batterielebensdauern von 10 Jahren, teilweise sogar deutlich länger. Die größte Herausforderung für eine lange Batterielebensdauer besteht darin, dass sich ein Gerät in einer sehr schlechten Abdeckungsposition befindet. Im Extended Coverage Mode werden sehr niedrige Datenraten verwendet und viele Wiederholungen für die Datenübertragung verwendet. In dieser Situation erfordert ein Gerät einen erhöhten Aufwand für die Datenübertragung, was die Möglichkeit zum Ausruhen in einem batterieschonenden Schlafzustand verringert. Dementsprechend wird die Batterielebensdauer bei der MCL von 164 dB für alle CIoT-Technologien deutlich reduziert. Bei einer so großen Kopplungsdämpfung kann eine Batterielebensdauer von 10 Jahren nur erreicht werden, wenn Datenübertragungsereignisse eines Geräts selten auftreten, wie einmal pro Tag. Für häufigere Datenübertragungsereignisse, wie eine Nachricht alle 2 h, sind Batterielebensdauern von 1-3 Jahren bei einem MCL von 164 dB erreichbar.

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ABBILDUNG 9.10 Batterielebensdauer für ein Gerät mit einem täglichen Bericht einer 200-Byte-Nachricht.

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Tabelle 9.5 Batterielebensdauer

Alle drei Technologien erfüllen die 3GPP-Anforderung zum Erreichen einer Batterielebensdauer von 10 Jahren bei einem MCL von 164 dB oder weisen auf ein mögliches Erfüllungspotenzial hin.