NB-IoT, LTE-M, LoRaWAN czy Cat-M: którą sieć IoT wybrać? | Com4

Każda z nich została zaprojektowana z uwzględnieniem innego kompromisu między zasięgiem, zużyciem energii, przepustowością, mobilnością i kosztami infrastruktury, a żadna z nich nie jest obiektywnie „najlepsza”. Właściwy wybór zależy całkowicie od tego, do czego konkretne urządzenie ma faktycznie służyć. W niniejszym przewodniku szczegółowo omówiono specyfikacje techniczne każdej z opcji oraz przedstawiono schemat podejmowania decyzji, który pozwala od razu dopasować wymagania urządzenia do odpowiedniej sieci.

Najważniejsze wnioski:

• NB-IoT i LTE-M to standardy komórkowych sieci LPWAN działające w infrastrukturze operatorów, ale oferują one bardzo różne wartości szybkości transmisji danych w zamian za energooszczędność i obsługę mobilności.
• LTE Cat-1 plasuje się pomiędzy LTE-M a pełnym 4G, zapewniając prędkość pobierania do 10 Mb/s i wysyłania do 5 Mb/s dla zastosowań IoT, które wymagają większej przepustowości niż czujniki pomiarowe.
• LoRaWAN w ogóle nie jest standardem komórkowym. Działa on w oparciu o infrastrukturę należącą do wdrażającej firmy, która w zamian za tę kontrolę uzyskuje najniższy koszt na urządzenie przy wdrożeniu na dużą skalę w jednej lokalizacji.
• Maksymalna strata sprzężenia (MCL) to techniczna miara głębokości, na jaką może przenikać sygnał sieci, i jest ona lepszym wskaźnikiem rzeczywistego zasięgu wewnątrz budynków i pod ziemią niż podawane w nagłówkach prędkości.
• Niewłaściwy wybór sieci jest kosztowny do naprawienia po dostarczeniu sprzętu, ponieważ większość tych standardów nie jest wymienna bez zmiany sprzętu lub karty SIM.
• Com4 zapewnia łączność w standardach NB-IoT, LTE-M, Cat-1, standardowej 4G oraz 5G i pomaga firmom dopasować wymagania urządzeń do odpowiedniej sieci przed podjęciem decyzji o zakupie sprzętu.

Czym właściwie różnią się te cztery opcje sieciowe?

Z technicznego punktu widzenia NB-IoT, LTE-M i Cat-1 to standardy komórkowe zdefiniowane w ramach tej samej rodziny 3GPP LTE, co oznacza, że działają one w oparciu o istniejącą infrastrukturę operatorów komórkowych i są udostępniane za pośrednictwem karty SIM dokładnie tak samo jak standardowe 4G. LoRaWAN ma inną architekturę: działa w nielicencjonowanym paśmie za pośrednictwem bram, które firma zazwyczaj posiada i sama utrzymuje, a nie poprzez sieć operatora komórkowego. Ta pojedyncza różnica – infrastruktura komórkowa kontra infrastruktura wdrożona we własnym zakresie – stanowi pierwszy i najważniejszy punkt rozgałęzienia w drzewie decyzyjnym, zanim w ogóle zacznie się rozmawiać o szybkości transmisji danych czy zużyciu energii.

NB-IoT: dla prostych, stacjonarnych czujników zasilanych bateryjnie

NB-IoT (Narrowband IoT) jest rozwiązaniem stworzonym specjalnie z myślą o urządzeniach, które rzadko przesyłają niewielkie ilości danych i muszą działać bez ingerencji, zasilane z baterii, przez lata. Wykorzystuje wąską szerokość pasma kanału, wynoszącą około 200 kHz, co zapewnia mu wyjątkową energooszczędność oraz głęboką penetrację sygnału do piwnic, podziemnych komór technicznych i gęsto zabudowanych wnętrz budynków. Pierwotna specyfikacja NB1 zapewnia szczytową prędkość transmisji danych wynoszącą około 26 Kb/s w kierunku pobierania i 66 Kb/s w kierunku wysyłania; nowszy standard NB2 zwiększa te wartości mniej więcej dwukrotnie, do około 127 Kb/s w kierunku pobierania i 159 Kb/s w kierunku wysyłania. Maksymalna strata sprzężenia (MCL) NB-IoT wynosząca 164 dB jest najwyższa spośród omawianych tutaj opcji komórkowych, co oznacza, że technologia ta może utrzymać połączenie pomimo większej liczby przeszkód fizycznych niż LTE-M czy Cat-1 – właśnie dlatego jest domyślnym wyborem w przypadku inteligentnych liczników wody i gazu, czujników środowiskowych oraz tagów identyfikacyjnych w stałych, trudno dostępnych lokalizacjach.

LTE-M (Cat-M1): dla urządzeń mobilnych lub o umiarkowanym zapotrzebowaniu na dane

LTE-M, znormalizowane jako Cat-M1, wykorzystuje szerszą szerokość pasma kanału wynoszącą 1,4 MHz niż NB-IoT i zapewnia znacznie wyższą przepustowość, sięgającą około 1 Mb/s, przy typowej wydajności w kierunku downlink bliższej 300 Kb/s. Co najważniejsze, LTE-M obsługuje przełączanie między stacjami bazowymi, co oznacza, że urządzenie może przemieszczać się między obszarami zasięgu i pozostawać połączone tak jak telefon komórkowy, czego NB-IoT nie obsługuje w sposób niezawodny. W sieciach 4G wskaźnik MCL dla LTE-M wynosi 160,7 dB (164 dB tam, gdzie dostępna jest obsługa 5G NR), co jest wartością nieco niższą niż w przypadku NB-IoT – w zamian za niewielką utratę głębokości penetracji zyskuje się mobilność i szybkość transmisji danych. W niektórych wdrożeniach LTE-M obsługuje również rezerwowe połączenia głosowe, czego nie oferuje NB-IoT. To połączenie sprawia, że jest to właściwy wybór dla wszelkich urządzeń mobilnych: lokalizatorów pojazdów, mobilnych terminali płatniczych i przenośnych urządzeń medycznych.

LTE Cat-1: dla komórkowego IoT wymagającego większej przepustowości

LTE Cat-1 plasuje się pod względem możliwości pomiędzy LTE-M a pełnoprawnym 4G dla konsumentów, zapewniając prędkość pobierania do 10 Mb/s i wysyłania do 5 Mb/s, co stanowi kilkukrotność przepustowości LTE-M, przy czym nadal jest wyceniane i pozycjonowane z myślą o zastosowaniach typu machine-to-machine oraz IoT, a nie o łączności na poziomie smartfonów. Jego maksymalna strata sprzężenia jest wyższa niż w przypadku zarówno LTE-M, jak i NB-IoT, ponieważ Cat-1 nie został zaprojektowany z myślą o takiej samej ekstremalnej optymalizacji mocy i zasięgu. Cat-1 nadaje się do zastosowań takich jak podłączone terminale w punktach sprzedaży, cyfrowe oznakowanie oraz systemy telematyczne, które wymagają znacznie większej przepustowości niż czujniki pomiarowe, ale nie wymagają pełnej złożoności i kosztów standardowego modułu 4G. Powiązany wariant, Cat-1bis, upraszcza konfigurację anteny, aby jeszcze bardziej obniżyć koszt modułu, zachowując jednocześnie podobną wydajność.

LoRaWAN: dla prywatnych, lokalnych sieci czujników

W przeciwieństwie do trzech powyższych opcji komórkowych, LoRaWAN w ogóle nie działa w oparciu o infrastrukturę operatorów komórkowych. Wymaga to wdrożenia i utrzymania własnych bramek lub wykupienia abonamentu w ramach wspólnej sieci regionalnej, o ile taka istnieje. W zamian za tę odpowiedzialność za infrastrukturę LoRaWAN może być znacznie bardziej opłacalny na dużą skalę w jednej, stałej lokalizacji, takiej jak fabryka, gospodarstwo rolne, port lub kampus, gdzie firma kontroluje obszar zasięgu, a urządzenia nigdy nie muszą wychodzić poza jego granice. Specjalny przewodnik firmy Com4 po LoRaWAN zawiera szczegółowe informacje techniczne dotyczące architektury sieci, klas urządzeń i pasm częstotliwości.

Porównanie specyfikacji technicznych: NB-IoT vs LTE-M vs Cat-1 vs LoRaWAN

Dlaczego maksymalna strata sprzężenia ma większe znaczenie niż prędkość nominalna?

Maksymalna strata sprzężenia (MCL) mierzy całkowitą utratę sygnału, jaką sieć może tolerować między stacją bazową a urządzeniem, przy jednoczesnym utrzymaniu użytecznego połączenia, wyrażoną w decybelach. Wyższy wskaźnik MCL oznacza, że sieć może utrzymać łączność przez większą liczbę ścian, na większej głębokości pod ziemią lub na większą odległość, co sprawia, że jest to znacznie bardziej przydatna wartość do przewidywania rzeczywistego zasięgu niż szczytowa prędkość transmisji danych. Właśnie dlatego NB-IoT, pomimo najniższej przepustowości spośród opcji komórkowych, jest często właściwym wyborem dla urządzeń zainstalowanych w piwnicach, podziemnych komorach technicznych lub głęboko wewnątrz urządzeń przemysłowych: to właśnie wąskie pasmo zapewnia dodatkowy budżet na straty sprzężenia.

Jak dokonać wyboru: schemat podejmowania decyzji krok po kroku

Należy przeanalizować poniższe pytania po kolei, ponieważ każde z nich eliminuje opcje, a nie ustala ich kolejność:

1. Czy urządzenie musi się przemieszczać i pozostawać połączone w różnych obszarach zasięgu? Jeśli tak, wskazuje to na LTE-M lub Cat-1, ponieważ NB-IoT i LoRaWAN nie obsługują niezawodnie mobilności opartej na przełączaniu komórek.
2. Czy masz kontrolę nad miejscem wdrożenia i czy jest to pojedyncza, stała lokalizacja? Jeśli tak, a liczba urządzeń jest wystarczająco duża, by uzasadnić infrastrukturę bram, warto rozważyć LoRaWAN ze względu na opłacalność przy wdrożeniach na dużą skalę.
3. Ile danych wysyła urządzenie i jak często? Rzadkie transmisje niewielkich ilości danych przemawiają za NB-IoT lub LoRaWAN; bogatsze i częstsze dane wskazują na LTE-M lub Cat-1.
4. Jak długo bateria musi wytrzymać bez wymiany? Wieloletnia żywotność baterii zdecydowanie przemawia na korzyść NB-IoT lub LoRaWAN w porównaniu z LTE-M lub Cat-1, które pobierają więcej energii, aby zapewnić wyższą przepustowość i mobilność.
5. Jak głęboko lub w jakim stopniu jest zasłonięte miejsce instalacji? Piwnice, podziemne komory i gęsto zabudowane wnętrza budynków przemawiają za wyższym MCL standardu NB-IoT w porównaniu z LTE-M lub Cat-1.
6. Czy urządzenie wymaga rezerwowego trybu głosowego lub aktualizacji oprogramowania sprzętowego wymagających większej przepustowości? Jeśli tak, to wśród standardów komórkowych jedynymi realistycznymi opcjami są LTE-M lub Cat-1.