Comunicaciones IoT. LTE-M, NB-IoT y 5G

Cellular IoT

5G está causando un gran impacto en IoT, lo que permite una amplia gama de nuevos dispositivos y arquitecturas de plataforma. Esperamos que esto pueda significar innovaciones como la gestión automatizada del ciclo de vida, la división de redes, las redes definidas por software y las aplicaciones de redes distribuidas optimizadas para la nube.

Los teléfonos móviles ya están en transición a 5G, pero el futuro de IoT está en el horizonte. Todo eso es muy emocionante para la industria, pero descifrar el lío de acrónimos técnicos que rodean la tecnología 5G puede limitar nuestra capacidad de comprender cómo 5G cambiará el panorama de IoT.

La popularidad y la ubicuidad de los dispositivos IoT han llevado al surgimiento de opciones de redes de área amplia (LP-WAN) de bajo consumo como SigFox y LoRa.

Las opciones celulares tradicionales, como las redes 3G, 4G y LTE, consumen demasiada energía. Además, no se adaptan bien a las aplicaciones en las que solo se transmite una pequeña cantidad de datos con poca frecuencia, por ejemplo, medidores para leer los niveles de agua, el consumo de gas o el uso de electricidad.

Cellular IoT intenta responder a la búsqueda incesante de mejores aplicaciones de bajo consumo y largo alcance.

IoT celular significa: pocos datos a lo largo de muchos kilómetros. Uno de los factores detrás de la popularidad de la tecnología IoT celular es que permite aprovechar la infraestructura GSM densa y confiable existente, lo que significa un mejor rendimiento y economía al mismo tiempo. Sin embargo, debe quedar claro que las opciones celulares estándar y bien establecidas, como 2G, 3G o LTE consumen mucha energía y, por lo tanto, no van bien con las aplicaciones habituales de IoT, donde solo se envían pequeñas cantidades de datos de forma intermitente, como medidores inteligentes, sensores y actuadores agrícolas, dispositivos de seguimiento de activos, equipo inteligente para el cuidado de la salud y muchos más.

CAT-1

Cat-1 representa un impulso inicial hacia la conexión de dispositivos IoT mediante redes LTE existentes. Si bien el rendimiento es inferior a las redes 3G, es una excelente opción para aplicaciones IoT que requieren una interfaz de navegador o voz. La principal atracción es que ya está estandarizado y, lo que es más importante, la transición a la red Cat-1 es sencilla. Los expertos predicen que a medida que las tecnologías 3G, y eventualmente 4G, desaparezcan, las redes Cat-1 (y Cat-M1) ocuparán su lugar.

CAT-0

Para que las redes IoT basadas en LTE tengan éxito, deben tener las siguientes características: 1) batería de larga duración, 2) bajo costo, 3) compatibilidad con un gran volumen de dispositivos, 4) cobertura mejorada (mejor penetración de la señal a través de las paredes, por ejemplo). ), y 5) de largo alcance/amplio espectro.

Cat-0 optimiza el costo ya que eliminó funciones que admitían requisitos de alta velocidad de datos para Cat-1 (cadena de receptor doble, filtro dúplex). Si bien Cat-1 está reemplazando a 3G, Cat-0 es el protocolo que sienta las bases para que Cat-M reemplace a 2G como la opción más económica.

Cat-M1/Cat-M/LTE-M

Cat-M (oficialmente conocido como LTE Cat-M1) a menudo se considera la segunda generación de chips LTE creados para aplicaciones de IoT. Completa la reducción de costos y consumo de energía para la cual Cat-0 preparó el escenario originalmente. Al limitar el ancho de banda máximo del sistema a 1,4 MHz (a diferencia de los 20 MHz de Cat-0), Cat-M tiene aplicaciones específicas para aplicaciones LPWAN como la medición inteligente, en las que solo se requiere una pequeña cantidad de transferencia de datos.

Pero la verdadera ventaja de Cat-M sobre otras opciones radica en esto: Cat-M es compatible con la red LTE existente. Para operadores como Verizon y AT&T, esta es una gran noticia, ya que no tienen que gastar dinero para construir nuevas antenas, aunque la integración de Cat-M en redes LTE requiere un parche de software. Las bases de clientes existentes de Verizon y AT&T probablemente concluirán que Cat-M es, con mucho, la mejor opción. Por último, es casi seguro que las tecnologías 5G y LTE coexistirán hasta bien entrada la década de 2020, por lo que la retrocompatibilidad de Cat-M es una ventaja.

LTE-M es la tecnología por la que está apostando Movistar y orange: https://adslzone.net/2017/09/20/orange-desplegara-lte-m-en-sus-redes-4g-este-mismo-ano/

NB-IoT/Cat-M2

NB-IoT (también llamado Cat-M2) tiene un objetivo similar al de Cat-M; sin embargo, utiliza modulación DSSS en lugar de radios LTE. Por lo tanto, NB-IoT no opera en la banda LTE, lo que significa que los proveedores tienen un costo inicial más alto para implementar NB-IoT.

No obstante, NB-IoT se promociona como la opción potencialmente menos costosa, porque elimina la necesidad de una puerta de enlace. Otras infraestructuras suelen tener puertas de enlace que agregan datos de sensores, que luego se comunican con el servidor principal. Sin embargo, con NB-IoT, los datos del sensor se envían directamente al servidor principal. Por ese motivo, Huawei, Ericsson, Qualcomm y Vodafone están invirtiendo activamente en aplicaciones comerciales de NB-IoT.

Vodafone ha apostado por Narrowband IoT en España: https://www.vodafone.es/c/empresas/es/narrowband-iot/

Movistar ofrece las dos tecnologías NB-IoT y LTE-M: https://www.xatakamovil.com/movistar/telefonica-aumenta-despliegue-tecnologia-iot-cuenta-2-6-millones-lineas-activas-espana

LTE-M vs NB-IoT

Tanto LTE-M como IoT de banda estrecha son:

Estándares de IoT celular creados en torno al concepto de LPWAN que se desarrolló para extender la vida útil de la batería de los dispositivos con recursos limitados y puede funcionar de manera efectiva a distancias de alrededor de 20 a 150 kilómetros.
Preparados para el futuro: son parte de 3GPP y 5G, el futuro líder de la tecnología de conectividad
Estandarizado, seguro y administrado por el operador dentro del espectro licenciado.
Diseñado para aplicaciones IoT que son de bajo costo, funcionan con velocidades de datos bajas, necesitan una batería de larga duración y se usan con frecuencia en lugares de difícil acceso.
Una opción obvia para implementaciones M2M que buscan reemplazos 2G y 3G para dispositivos heredados con largos ciclos de vida que requieren una buena cobertura y una mayor duración de la batería.
Muy bajo consumo de energía, lo que permite una duración de la batería del dispositivo de hasta 10 años. Es por eso que estas redes a veces también se denominan redes de área amplia de baja potencia (LPWAN).
Largo alcance y cobertura muy amplia, varias veces mejor que LTE.
Hardware de bajo costo, debido a la complejidad reducida y economías de escala.
Hasta 100000 o incluso más dispositivos por estación base, porque cada dispositivo tiene requisitos de rendimiento de datos muy bajos y porque las técnicas de software optimizadas permiten que las estaciones base se comuniquen con una gran cantidad de dispositivos IoT.

A juzgar por la lista anterior, parece que las características que comparten LTE-M y Narrowband IoT prevalecen y que las dos tecnologías son casi sinónimos. Pero no es del todo así; la diferencia entre ellos radica en algunos parámetros clave y, nuevamente, esos son, de hecho, los factores decisivos en el proceso de decisión de elegir la opción de conectividad IoT celular adecuada para su implementación.

NB‑IoT y LTE‑M son los sucesores naturales de los estándares celulares más antiguos para las aplicaciones existentes y también impulsarán el desarrollo de aplicaciones completamente nuevas.

La siguiente figura muestra algunos de los casos de uso de IoT habilitados por MTC masivo y aplicaciones críticas de MTC. El MTC masivo se basa en tecnologías LPWAN, incluidas NB-IoT y LTE-M, mientras que el MTC crítico requerirá comunicaciones en tiempo real con muy baja latencia y alta confiabilidad.

La siguiente tabla compara las características de LTE‑M y NB‑IoT. Las mayores diferencias son el ancho de banda y el soporte de voz, pero a efectos prácticos, es probable que las diferencias para los desarrolladores de dispositivos IoT sean pequeñas. NB-IoT puede usar un poco menos de energía y el hardware requerido puede ser un poco menos complejo.

La principal diferencia entre LTE-M y NB-IoT es el ancho de banda de frecuencia. Como sugiere el nombre NarrowBand, el ancho de banda de frecuencia para NB-IoT es considerablemente más bajo que para LTE-M. La tasa de rendimiento de datos también es mayor con LTE-M, con hasta 1 Mbit/s. Para NB-IoT, la velocidad de datos es mucho más baja, hasta 128 Kbit/s.

En términos de penetración en edificios, NB-IoT funciona mejor que LTE-M y, por lo tanto, está predestinado para aplicaciones estacionarias, especialmente en edificios y sótanos. LTE-M tiene una puntuación particularmente buena en las aplicaciones móviles de IoT porque la tecnología admite lo que se conoce como «traspaso», es decir, conmutación de celdas de radio sin interrupción.

EC-GSM (anteriormente EC-EGPRS)

EC significa Cobertura Extendida. EC-GSM es la red GSM optimizada para IoT, el protocolo inalámbrico que utiliza el 80 % de los teléfonos inteligentes del mundo. Como sugiere el nombre, EC-GSM se puede implementar en redes GSM existentes, una gran ventaja en términos de practicidad y modularidad, ya que una simple pieza de software permite la conectividad EC-GSM dentro de redes 2G, 3G y 4G. EC-GSM también tiene aplicaciones específicas en regiones no occidentales como Malasia y países de África y Medio Oriente, donde 2G sigue siendo un estándar popular. Se dice que Ericsson, Intel y Orange completaron las pruebas en vivo de EC-GSM a principios de este año. EC-GSM, sin embargo, no está generando tanta expectación como Cat-M o NB-IoT.

IoT celular 5G

A diferencia de las opciones de IoT celular anteriores, 5G aún no se ha definido oficialmente. Next Generation Mobile Networks Alliance (NGMN) está presionando para que las especificaciones sean 40 veces más rápidas que 4G y admiten hasta 1 millón de conexiones por kilómetro cuadrado. 5G ya está habilitando aplicaciones de gran ancho de banda y alta velocidad para transmisión Ultra-HD (4k), conectividad de automóviles autónomos o aplicaciones VR/AR.

Si es un proveedor de telefonía celular, se verá obligado a elegir una tecnología para implementar para cumplir con las aplicaciones de IoT de banda estrecha. Para los usuarios, es importante entender que estas diferentes opciones no necesariamente tienen que ser mutuamente excluyentes. Esto se extiende a otras redes LPWAN como SigFox o LoRa.

IoT cubre un amplio espectro de aplicaciones. A veces, necesita un gran ancho de banda, como con la vigilancia en tiempo real. Los medidores inteligentes y muchos casos de uso de ciudades inteligentes requieren una pequeña transferencia de datos una o dos veces al día. Esto significa que ninguna tecnología (incluso 5G) puede satisfacer las necesidades específicas de una solución/dispositivo IoT.

El 5G se está desarrollando principalmente en tres vías:

Banda ancha móvil mejorada o eMBB
IoT para servicios de misión crítica
IoT masivo

Banda Ancha Móvil Mejorada o eMBB (enhaced Mobile BroadBand)

5G ofrecerá velocidades de Gigabit y enormes cantidades de datos. Eso significa conectividad siempre activa en cualquier lugar y velocidades constantes similares a las de la fibra, sin importar el número de conexiones. Además de los servicios de banda ancha móvil de ultra-alta velocidad para teléfonos inteligentes, también se ofrecerán otros servicios como banda ancha fija para residencias y empresas, Realidad Virtual (VR) y Realidad Aumentada (AR), etc. Es importante recalcar que durante la transición a las nuevas redes y servicios 5G que se están implementando gradualmente, la red Gigabit 4G-LTE subyacente se mantendrá como alternativa (fallback) cuando los usuarios entren en áreas sin cobertura 5G.

IoT en Servicios de Misión Crítica

El sello distintivo del 5G es su capacidad para proporcionar una latencia ultra-baja y una fiabilidad extremadamente alta. Estas capacidades habilitarán aplicaciones, servicios y usos que no eran posibles con 4G. Por ejemplo, en la automatización industrial podrá reemplazar la conexión Ethernet por cable. Otras aplicaciones posibles son la cirugía remota, el control a distancia de operaciones peligrosas, etc.

IoT Masivo

IoT LTE hizo el trabajo de adaptar la tecnología pensada para smartphones a los dispositivos IoT con sus características específicas, como la baja velocidad, el bajo coste y el bajo consumo de energía. Ahora, esta tecnología IoT LTE está evolucionando hacia el IoT 5G Masivo. Uno de los avances específicos de 5G aplicado a IoT será la capacidad de admitir una densidad muy alta de dispositivos IoT en un área pequeña, llegando al millón de dispositivos por kilómetro cuadrado. El objetivo es conectar de manera eficiente cualquier dispositivo que pueda conectarse a Internet, sin saturar la red.

Evolución de IoT LTE a IoT 5G

IoT LTE es una de las tecnologías actuales que utilizan los dispositivos IoT para conectarse a la red. Esta tecnología junto con algunas otras, se engloban dentro del estándar 3GPP para redes LPWA (Low Power Wide Area).

Los dispositivos IoT tienen necesidades diversas. Hay aplicaciones como cámaras de vídeo que requieren velocidades y capacidades muy altas mientras que otras aplicaciones requieren velocidades bajas pero una duración de batería extremadamente larga. En función de sus necesidades se aplica la tecnología IoT adecuada. IoT LTE ha construido unos sólidos cimientos y aprovechando esta base, IoT 5G podrá llevar su rendimiento al siguiente nivel, permitiendo una densidad muy alta de dispositivos, así como una latencia muy baja y extrema fiabilidad. La asociación 3GPP, que desarrolla los estándares de comunicación móvil, publicó en la release 15 su adaptación para IoT 5G, una nueva interfaz de radio llamada 5G-NR (New Radio). 5G-NR tendrá soporte en banda para LTE y será totalmente compatible con versiones anteriores. Esto significa que los dispositivos IoT LTE de hoy funcionarán sin problemas cuando las redes se actualicen a 5G-NR.

5G-NR permitirá muchos nuevos usos que ahora no pueden realizarse con 4G. Los servicios de misión crítica 5G incluyen características como eURLLC (comunicación ultra-confiable de baja latencia) que ofrece una latencia próxima al milisegundo y CoMP (multipunto coordinado) que ofrece una fiabilidad muy alta. Los primeros módulos en darse a conocer en el mercado IoT 5G han sido los módulos 5G sub-6 y mmWave de Telit. Estos módulos con formato Data Card tipo M.2 y soporte para PCIe Gen3 y USB 3.1 son compatibles con la última generación 4G/5G release 15. Soportan SA y NSA así como una amplia gama de frecuencias en 5G FR1, 5G FR2 y LTE. También cuentan con un receptor GNSS de doble frecuencia GPS para una mayor precisión y soporte de voz LTE.

A medida que el 5G comienza su implantación generalizada nos podemos preguntar si vale la pena seguir invirtiendo en IoT LTE o hemos de esperar a IoT 5G. O si somos una empresa que aún no han adoptado IoT LTE nos podríamos plantear si pasar directamente a IoT 5G. Invertir en IoT LTE hoy no solo satisface las necesidades del mercado actual, sino que también establece una base sólida para abordar las oportunidades del futuro de manera efectiva. La confrontación entre IoT LTE y IoT 5G no existe, no son conceptos contrarios sino complementarios. IoT LTE es la clave para el éxito en IoT 5G. La industria que quiera ser líder en IoT deberá tener una base sólida en IoT LTE o de lo contrario correrá el riesgo de ser adelantada por la competencia.

Más información:

Tarjetas SIM para Cellular IoT

1NCE

Web: https://1nce.com/en-eu/

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