Cellular IoT: Vergleich von EC-GSM-IoT, NB-IoT und LTE-M Performance

Editor's Note: Die wachsende Nachfrage nach ubiquitäer IoT Konnektivität aligniert perfekt mit aufkommenden zellularen Technologien, die für das Internet of Things designed sind. Entwickler benötigen nun detaillierte, verlässliche Insights in diese Technologien und ihre Real-World Anwendungen. Dieser Artikel, extrahiert aus dem Buch Cellular Internet of Things, führt die Schlüsselkonzepte und Technologien ein, die die IoT Landschaft formen. In einer vorherigen Serie erkundeten die Autoren das sich entwickelnde zellulare Ökosystem, seine Rolle in IoT und die Technologien, die Massive Machine-Type Communications (mMTC) und Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) antreiben.

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

Kapitel 9. Die wettbewerbsfähige IoT Technologie Landschaft (Fortsetzung)

9.3 Wahl der CIoT Technologie

9.3.1 Vergleich der CIoT Technologien

Kapitel 3-8 präsentieren eine eingehende Analyse von EC-GSM-IoT, NB-IoT und LTE-M. Hier synthetisieren wir die Schlüssel-Performance-Metriken und Charakteristiken. Für NB-IoT fokussieren wir auf In-Band und Stand-Alone Deployments; Guardband Mode teilt ähnliche Performance und wird in Kapitel 8 abgedeckt.

9.3.1.1 Coverage und Data Rate

Die Uplink und Downlink Data Rates für alle CIoT Technologien sind in Figures 9.7 und 9.8 über variierende Coupling Losses zusammengefasst. Jede Technologie bietet Extended Coverage bis zu 164 dB Coupling Loss (MCL), eine dramatische Verbesserung über Legacy GSM, UMTS und LTE Netze. EC-GSM-IoT erreicht 164 dB mit 33 dBm Transmit Power – 10 dB höher als die Power, die NB-IoT und LTE-M benötigen, um gleiche Coverage zu erreichen.

Bei extremer Coverage von 164 dB liefert NB-IoT einen niedrigeren Control-Channel Block Error Rate als EC-GSM-IoT und LTE-M, was es robuster macht. LTE-M und EC-GSM-IoT können Frequency Hopping für zusätzliche Frequency Diversity und Coverage Resilienz einsetzen.

Figure 9.7: Coverage und Physical Layer Data Rate – Uplink.

Figure 9.8: Coverage und Physical Layer Data Rate – Downlink.

Die Tabellen in Figures 9.7 und 9.8 zeigen sowohl Instantaneous Peak Physical-Layer Data Rates (Channel-only) als auch Effective Rates, die Scheduling und Control Overhead inkludieren. Wir assumieren Half-Duplex Operation für alle Technologien; LTE-M Devices können auch für Full-Duplex konfiguriert werden, was den Instantaneous Peak Rate annähert. Rates sind für ideale Links, 144 dB (Cell-Edge), und 154/164 dB (10/20 dB Extended Coverage) gezeigt.

LTE-M outperformed konsistent NB-IoT und EC-GSM-IoT in Uplink und Downlink Data Rates, wenn Devices in normaler Coverage sind. In Extended Coverage sind Uplink Rates durch Transmit Power limitiert, und alle drei Technologien verlassen sich auf Repetitions, um Link Quality zu treffen. Bei 164 dB konvergieren die erreichbaren Rates; EC-GSM-IoT führt leicht aufgrund höherer Output Power. LTE-M profitiert auch von höheren Data Rates innerhalb desselben LTE Carriers verglichen zu In-Band NB-IoT.

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

9.3.1.2 Latency

Latency wurde evaluiert mittels Exception Report – einer High-Importance, infrequent Message (85 Bytes). Alle drei Technologien treffen das 3GPP Latency Target von 10 s (Release 13). In normaler Coverage bietet LTE-M leicht niedrigere Latencies dank höherer Data Rates. In Extended Coverage erreicht EC-GSM-IoT die niedrigste Latency, da seine höhere Transmit Power höhere Data Rates ergibt. Stand-Alone NB-IoT genießt auch niedrigere Latency als In-Band NB-IoT aufgrund stärkerer Downlink Channels.

Figure 9.9: Latency für Exception Report.

9.3.1.3 Battery Lifetime

Battery Life wurde für alle Technologien mit zwei AA Batterien (5 Wh total) und Power Amplifier Efficiency von 45-50% assessed. Alle CIoT Devices nutzen aggressive Sleep Cycles, aktivieren nur für Data Transfer und bleiben sonst in Low-Power Mode. Effiziente Procedures reduzieren Signaling Overhead, was kritisch für Small-Message Transmissions ist.

Figure 9.10 zeigt Lifetime für einen täglichen 200-Byte Report. Table 9.5 fasst Lifetimes über Message Sizes und Periodicities zusammen. Jede Technologie unterstützt mindestens 10 Jahre Battery Life unter typischen Bedingungen; im Worst-Case 164 dB MCL sind 10-Jahres-Lifetimes nur mit täglichen Transmissions erreichbar. Häufigeres Reporting (z.B. alle 2 Stunden) reduziert Lifetime auf 1-3 Jahre bei 164 dB.

Figure 9.10: Battery Lifetime für ein Device mit täglichem Report einer 200-Byte Message.

Table 9.5: Battery Lifetime.

Alle drei CIoT Technologien erfüllen oder sind positioned, die 3GPP 10-Jahres Battery-Life Anforderung bei 164 dB MCL zu treffen.