CAT-M1 vs. NB-IoT – Untersuchung der wirklichen Unterschiede

Da Industrieunternehmen bestrebt sind, die nächste Generation der IoT-Konnektivität bereitzustellen, haben sich unter Release 13 von 3GPP zwei verschiedene Standards herausgebildet – CAT-M1 und NB-IoT .

NB-IoT vs. Cat-M2

In der Folge wurde der Markt fragmentiert, und es ist fair zu sagen, dass die Verwirrung im Überfluss vorhanden ist. Tatsächlich zwingen die Bemühungen, jeden Standard voranzutreiben, sowie der Zeit- und Geldaufwand Chiphersteller, Hardwareanbieter und Servicenetzwerke dazu, jede Option sorgfältig zu prüfen. Sehen wir uns zunächst einige der objektiven Unterschiede in der folgenden Tabelle an.

Parameter	CAT-M1 (CAT-M)	NB-IoT
Bandbreite	1.4MHz	200 KHz
Betriebsmodi	In-Band	In-Band, Guard-Band, Standalone (GSM-Bänder)
Duplex-Modus	HD-FDD / FDD / TDD	HD-FDD (TDD in Diskussion)
Spitzendatenrate	375 Kbit/s (HD-FDD), 1 Mbit/s (FDD)	~50kbps für HD-FDD (in 3GPP noch nicht entschieden)
UL-Sendeleistung	23dBm 20dBm	23dBm, geringere Leistung im Gespräch
VoLTE-Unterstützung	Wird unterstützt	Nicht unterstützt
Mobilitätsunterstützung	Vollständige Mobilitätsunterstützung	Keine vernetzte Mobilität (nur Neuauswahl des Ruhemodus)
TTM	6-9 Monate Vorteil (geschätzt)	Standard ist noch nicht fertig Einige Aspekte auf R14 verschoben

Wie wir sehen können, hat Cat M-1 den Vorteil bei der Spitzendatenrate sowie bei der Markteinführungszeit, während NB-IoT eine größere Flexibilität hinsichtlich des nutzbaren Spektrums und der Betriebsmodi bietet.

Natürlich sind die wichtigsten Parameter, die die meisten Anbieter interessieren, Leistung, Kosten und Leistung. Die aktuelle Marktwahrnehmung ist, dass NB-IoT eine bessere Abdeckung, einen geringeren Stromverbrauch und deutlich niedrigere Kosten bietet. Ein genauerer und kritischer Blick auf die Daten lässt jedoch vermuten, dass dies nicht der technischen Realität entspricht. Sehen wir uns diese drei wichtigen KPIs aus technischer Sicht genauer an, sagt Itay Lusky, Senior Director of Strategic Product Marketing bei Altair Semiconductor.

Leistung von Cat-M1, Cat-M, NB-IoT, Cat-M2

Der maximale Kopplungsverlust (MCL) ist definiert als der maximale Gesamtkanalverlust zwischen Benutzergeräten (UE) und eNodeB (eNB)-Antennenanschlüssen, an denen der Datendienst noch geliefert werden kann. Praktisch umfasst es Antennengewinne, Pfadverluste, Abschattungen und alle anderen Beeinträchtigungen. Je höher die MCL, desto robuster ist der Link.

Laut 3GPP beträgt die MCL für CAT-M1 155,7 dB, während NB-IoT 164 dB beträgt – ein außergewöhnlicher Unterschied von mehr als 8 dB. Oberflächlich betrachtet würde dies einen erheblichen Vorteil für die Leistung von NB-IoT bedeuten. Dies ist jedoch überraschend, da gemäß der Shannon-Theorie eine niedrige SNR-Approximationskapazität unabhängig von der Bandbreite ist, wenn das Rauschen weiß ist.

Infolgedessen hätten wir erwartet:

• Ähnliche Abdeckung im Uplink bei gleicher Gesamtsendeleistung
• x6 (~8dB) bessere Abdeckung für CAT-M1 im Downlink, da die eingehende eNB-Signalenergie aufgrund der größeren Bandbreite um x6 höher ist

Tatsächlich zeigt ein genauerer Blick auf die Definition des Referenzszenarios, dass die MCL in den beiden Standards unter Verwendung unterschiedlicher Annahmen für Sendeleistung, Rauschzahl und Zieldurchsatz definiert wurden, was einen ungleichmäßigen Vergleich ergibt. Dies ist in der folgenden Tabelle zu sehen.

	CAT-M1		NB-IoT
Referenzen	3GPP 36.888, RP-150492		3GPP 45,820 7A
	Downlink	Uplink	Downlink	Uplink
Sendeleistung	46dBm/9MHz	23dBm	43dBm /180kHz	23dBm
Geräuschzahl	9 dB	5 dB	5 dB	3 dB

Wenn wir stattdessen die gleichen Annahmen verwenden (gleiche Tx-Leistung, Rauschzahl und Zieldurchsatz), werden wir sehen, dass die obigen Erwartungen zutreffen:in UL haben beide Standards die gleiche Abdeckung, und in DL hat CAT-M1 eine ~8 dB bessere Abdeckung als NB -IoT.

In der Praxis wird der Vorteil von CAT-M1 noch deutlicher, wenn wir die im CAT-M1-Standard vorhandenen Frequenzsprung- und Turbo-/Codierungsfunktionen berücksichtigen.

Kosten

NB-IoT hat im Vergleich zu CAT-M1 eine wesentlich niedrigere Kostenstruktur was für Produkte wie Smart Tracker, Sensoren und Smart Meter von entscheidender Bedeutung ist.

Das folgende Diagramm eines typischen Modems hilft uns, diese Behauptung zu bewerten.

Das Blockschaltbild zeigt gängige Bausteine ​​eines typischen Moduldesigns. Dazu gehören HF-Blöcke (wie Filter, Schalter, PA, Sende- und Empfangsketten usw.), analoge Sende- und Empfangsblöcke, Basisband („BB“), Prozessor-Handling-Protokollimplementierung, Speicher, andere Wartungsblöcke (Kristalle, Power Management Unit .). - PMU, eUICC-Unterstützung, Echtzeituhr-RTC) und optionale Blöcke (wie GPS und MCU).

Die meisten der weiß markierten Blöcke ändern sich nicht als Funktionen des verwendeten 3GPP-Standards.

Dies gilt unter der Annahme, dass es einen Apfel-zu-Äpfel-Vergleich zwischen den Technologien gibt (d. h. gleiche Anzahl von Bändern, gleiche vom Betreiber hinzugefügte Dienste, gleiche zusätzliche Fähigkeiten wie integriertes GPS, MCU usw.).

Der Hauptblock, der zwischen den Technologien geändert wird, ist die Basisband-Physical Layer (PHY), die für die digitale Signalverarbeitung (DSP) des Modems verantwortlich ist.

Die Basisband-PHY-Blockgröße kann durch den Wechsel von 1,4-MHz-Verarbeitung zu 200-KHz-Verarbeitung erheblich reduziert werden. Angesichts der aktuellen Technologie beträgt die Differenz jedoch ~10 Cent Kostendifferenz, was ~2% der angestrebten Modulpreise für 3GPP-R13-Technologien entspricht. Diese Lücke wird in etwa 2-3 Jahren noch kleiner, wenn die Technologie ausgereift ist, wobei die Schrumpfung der Technologie nach dem Mooreschen Gesetz berücksichtigt wird.

Kurz gesagt hat NB-IoT einen Kostenvorteil gegenüber CAT-M1, ist jedoch viel geringer als die derzeitige Branchenwahrnehmung.

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Kraft

Der Stromverbrauch von IoT-Geräten umfasst sowohl den Standby- als auch den aktiven Stromverbrauch.

Der Standby-Stromverbrauch ist eine Funktion des Designs und der verwendeten Technologie und sollte sich im Wesentlichen nicht zwischen CAT-M1 und NB-IoT unterscheiden. Die Wirkleistungsaufnahme unterscheidet sich zwischen den beiden Technologien. Es ist im Wesentlichen die Multiplikation der übertragenen Leistungsdichte und der Übertragungslänge.

Beginnend mit dem DL-Wirkstromverbrauch bietet CAT-M1 eine wesentlich höhere Durchsatzunterstützung (sowohl x6 Bandbreite als auch eine höhere Modulationsunterstützung) als NB-IoT. Infolgedessen ist die UE-Zeit für den Empfang bestimmter Daten wesentlich kürzer, was zu einem geschätzten 50 % niedrigeren Wirkleistungsverbrauch als bei NB-IoT führt.

Für UL hat CAT-M1 bei guten Kanalbedingungen aufgrund seiner höheren Modulationsunterstützung eine geringere Wirkleistungsaufnahme. Bei eingeschränkten Kanalbedingungen ist NB-IoT CAT-M1 aufgrund seiner Unterstützung der Einzeltonübertragung überlegen. Dieser Vorteil wird wahrscheinlich in 3GPP R14 geschlossen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CAT-M1 bei guten Kanalbedingungen eine geringere Wirkleistungsaufnahme in DL und UL aufweist. Für UL-begrenzte Kanalbedingungen hat NB-IoT heute bessere Wirkleistungszahlen.

Schlussfolgerung

Sowohl CAT-M1 als auch NB-IoT werden aggressiv verfolgt, um die De-facto-Konnektivitätslösung für IoT-Produkte zu werden. Obwohl beide Standards in verschiedenen Szenarien gut abschneiden, ist es wichtig, die Marktwahrnehmung nicht für bare Münze zu nehmen, sondern beide Lösungen unter gleichen Bedingungen gleichmäßig zu vergleichen, um die richtigen Technologieentscheidungen zu treffen.

Wir haben drei wichtige KPIs analysiert, darunter Abdeckung, Kosten und Stromverbrauch. Während der Markt der Meinung ist, dass NB-IoT bei diesen KPIs einen klaren Vorteil gegenüber CAT-M1 hat, kommen wir zu dem Schluss, dass CAT-M1 tatsächlich Vorteile in Bezug auf Abdeckung und Leistung bietet und nur einen minimalen Kostennachteil im Vergleich zu NB-IoT bietet.

Zukünftige Plattformen, die sowohl CAT-M1 als auch NB-IoT unterstützen, können es Anbietern letztendlich ermöglichen, ihre Wetten abzusichern, aber bis dahin ist es wichtig, die technischen Daten zu verstehen und den tatsächlichen Mehrwert zu berücksichtigen, bevor Sie sich entscheiden.

Der Autor dieses Blogs ist Itay Lusky, Senior Director of Strategic Product Marketing bei Altair Semiconductor

Über den Autor:

Itay Lusky ist Senior Director of Strategic Product Marketing bei Altair Semiconductor, einem führenden Anbieter von Singlemode-LTE-Chipsätzen. Das Portfolio von Altair deckt das gesamte Spektrum der 4G-Mobilfunkmarktanforderungen ab, von supergeladenen videozentrierten Anwendungen bis hin zu extrem stromsparenden, kostengünstigen IoT und M2M. Altair hat bis heute Millionen von LTE-Chipsätzen ausgeliefert, die kommerziell in den fortschrittlichsten LTE-Netzwerken der Welt eingesetzt werden.