NarrowBand – Internet das Coisas (NB-IoT)

Escrevemos em artigos anteriores sobre as redes com tecnologia Lora, Sigfox e, agora, fechamos a ideia destas redes com o NarrowBand-Internet of Things (NB-IoT), que é a “menina dos olhos” das operadoras de telefonia, que estão criando equipes internas de desenvolvimento e time de vendas para oferecer automação predial e as diversas outras funções de IoT que irão trafegar sobre a rede de celular. Neste contexto, o NB-IoT casa como uma luva, uma vez que utiliza a rede de dados 2G, 3G e 4G/LTE para transporte dos dados dos diversos sensores, barateando a infraestrutura.

 

Sistema de medição de energia solar com uso de sensores com NB-IoT
Figura 1 – Sistema de medição de energia solar com uso de sensores com NB-IoT

 

O NB-IoT é uma tecnologia de grande área de cobertura e de baixa potência (LPWA), baseada em padrões desenvolvidos para permitir uma ampla gama de novos dispositivos e serviços de IoT. O NB-IoT melhora significativamente o consumo de energia dos dispositivos do usuário, com baterias que podem durar mais de 10 anos e eficiência do espectro, especialmente na cobertura.

Novos sinais e canais da camada física são projetados para atender ao exigente requisito de cobertura estendida, além de ambientes rurais, com dispositivos sendo construídos de forma simples e barata. Espera-se que o custo inicial dos módulos NB-IoT seja comparável aos dispositivos que já utilizam o GSM/GPRS. Esta tecnologia é, no entanto, muito mais simples do que os atuais dispositivos que trabalham com as redes GSM/GPRS e seu custo deverá diminuir rapidamente à medida que a demanda aumentar.

É suportada por todos os principais fabricantes de equipamentos móveis, chipsets e módulos, e pode coexistir com redes móveis 2G, 3G e 4G, além de se beneficiar de todos os recursos de segurança e privacidade das redes móveis, como suporte a confidencialidade de identidade de usuário, autenticação de entidade, integridade de dados e identificação de equipamentos móveis. Os primeiros lançamentos comerciais da NB-IoT foram concluídos e já existe ampla implantação global desta tecnologia.

A última especificação foi a de Release 13 (LTE Advanced Pro), em junho de 2016, incluindo a eMTC (Enhanced Machine-Type Communication) e o EC-GSM-IoT (vide tabela 1).

O NB-IoT usa um subconjunto do padrão LTE, mas limita a largura de banda a uma única banda estreita de 200 kHz, com modulação OFDM para comunicação de downlink e SC-FDMA para comunicações de uplink.

 

Tabela 1 – Padrões 3GPP
Tabela 1 – Padrões 3GPP

 

O NB-IoT é projetado para três tipos de funcionamento:

  • em bandas licenciadas independentemente;
  • em bandas de 200 kHz não utilizadas anteriormente para GSM ou CDMA;
  • em estações base LTE que podem alocar um bloco de recursos para operações NB-IoT ou em suas faixas de guarda (onde as regras permitirem).

Para enviar dados para um aplicativo, duas otimizações, aqui chamado de CIoT (Celular IoT) no sistema de pacotes evoluídos (EPS) foram definidas, o User Plane CIoT (otimização de EPS) e a otimização do plano de controle do EPS, conforme figura 2. Ambas as otimizações podem ser usadas, mas não estão limitadas a dispositivos NB-IoT.

 

Rede de transmissão e recepção de dados NB-IoT
Figura 2 – Rede de transmissão e recepção de dados NB-IoT

 

Na figura 2, em vermelho está indicado o Plano de Controle CIoT, e em azul está indicada a otimização EPS (User Plane CIoT).

Na otimização do EPS, o plano de controle do CIoT, os dados do UE são transferidos do eNB (CIoT RAN) para o MME. De lá, eles podem ser transferidos por meio do serviço Gateway (SGW) ao gateway de rede de dados por pacotes (PGW) ou à capacidade de serviço Exposure Function (SCEF), que, no entanto, só é possível para pacotes de dados não IP.

A partir desses nós, eles são finalmente encaminhados para o servidor de aplicativos (CIoT Services).

Os dados são transmitidos pelos mesmos caminhos na direção inversa. Nesta solução, não há portadora de rádio de dados configurada, ou seja, os pacotes de dados são enviados na portadora de sinalização do rádio. Consequentemente, esta solução é mais apropriada para a transmissão de pacotes de dados de pouca frequência e pequenos, como os dados enviados por sensores prediais.

O SCEF é um novo nó projetado especialmente para dados de sensores. É usado para entrega de dados não-IP sobre o plano de controle e fornece uma interface abstrata para os serviços de rede (autenticação e autorização, descoberta e acesso a rede e capacidades).

Com a otimização EPS de CIoT do plano do usuário, os dados são transferidos de forma convencional, ou seja, por meio de portadoras de rádio via SGW e PGW para a aplicação do servidor. Isto cria uma certa sobrecarga na construção da conexão, no entanto, facilita uma sequência de pacotes de dados a serem enviados. Este caminho suporta tanto IP quanto entrega de dados não IP.

 

Modos de Operação

A tecnologia NB-IoT ocupa uma largura de banda de  180 kHz, que corresponde a um bloco de recursos na transmissão LTE. Com esta seleção, os modos de operação abaixo são possíveis.

  • Operação autônoma: um cenário possível é a utilização das atuais frequências do GSM, com uma largura de banda de 200 kHz e com um intervalo de guarda de 10 kHz permanecendo em ambos os lados do espectro.
  • Operação com banda de guarda: utilizando os blocos de recursos não utilizados dentro de uma faixa de guarda da operadora LTE.
  • Operação em banda: utilizando blocos de recursos dentro de uma portadora LTE.

Esses modos são visualizados na figura 3, abaixo.

 

Modos de operação
Figura 3 – Modos de operação

 

Na operação em banda, a atribuição de recursos entre LTE e NB-IoT não é fixo. No entanto, nem todas as frequências, ou seja, blocos de recursos dentro da portadora LTE, são permitidos para serem usados para conexão celular. Eles estão restritos aos seguintes valores da tabela 2:

 

Tabela 2 – Valores de banda
Tabela 2 – Valores de banda

 

Como indicado na tabela 2, não há suporte para operação em banda utilizando LTE com largura de banda de 1,4 MHz, uma vez que existe um conflito entre recursos usados pelo sistema LTE, como os sinais do celular em referência específica (CRS) ou o canal de controle de downlink no início de cada subquadro, que deve ser levado em conta quando os recursos são alocados para NB-IoT. Isto é também refletido na tabela 1, por não usar os 6 blocos internos, pois eles são alocados para os sinais de sincronização no LTE.

Para a operação com banda de guarda, o UE apenas executa uma sincronização, uma vez que se utiliza a banda na faixa de guarda.

Para lidar com diferentes condições de rádio, pode haver até 3 níveis de melhoria (CE), de nível CE 0 a nível CE 2. O nível CE 0 corresponde ao nível normal de cobertura, o nível CE 2 é utilizado para o pior caso, ou seja, onde a cobertura pode ser assumida como muito pobre. Uma lista de limiares de potência para os sinais de referência recebidos é transmitida na célula para cada nível de CE. O principal impacto dos diferentes níveis de CE é que as mensagens devem ser repetidas várias vezes para evitar perdas.

Para o Release 13, o FDD half-duplex tipo B é escolhido como o modo duplex. Isso significa que UL (uplink) e DL (downlink) são separados em frequência e o UE recebe ou transmite não simultaneamente. Além disso, entre cada comutador de UL para DL ou vice-versa, há pelo menos um subquadro de guarda (SF) no meio, onde o UE tem tempo para alternar sua cadeia de transmissor e receptor.

 

Alguns Exemplos de Aplicações

 

  • Medição Inteligente

O NB‑IoT é adequado para a monitorização de medidores de gás e água por meio de transmissões de dados regulares e pequenas. A cobertura de rede é uma questão fundamental nos lançamentos de medição inteligente. Os medidores têm uma tendência muito forte a aparecer em locais difíceis, como em subsolos ou em áreas rurais remotas. O NB‑IoT possui excelente cobertura e penetração para resolver esse problema.

 

  • Cidades Inteligentes

O NB‑IoT pode ajudar um governo local a controlar a iluminação das ruas, determinar quando as latas de lixo precisam ser esvaziadas, identificar lugares de estacionamento gratuitos, monitorar as condições ambientais e avaliar as condições das estradas.

 

  • Edifícios Inteligentes

Os sensores conectados ao NB‑IoT podem enviar alertas sobre problemas de manutenção de edifícios e executar tarefas automatizadas, como controle de luz e aquecimento. O NB‑IoT também pode funcionar como backup para a conexão de banda larga do edifício. Algumas soluções de segurança podem até usar redes LPWA para conectar sensores diretamente ao sistema de monitoramento, já que essa configuração é mais difícil para um intruso desativar enquanto é mais fácil de instalar e manter.

 

  • Consumidores

O NB-IoT fornecerá dispositivos portáteis com sua própria conectividade de longo alcance, o que é particularmente benéfico para rastreamento de pessoas e animais. Da mesma forma, NB-IoT também pode ser usado para monitorar a saúde daqueles que sofrem de condições crônicas ou relacionadas à idade.

 

  • Agrícola e Ambiental

A conectividade NB-IoT oferecerá aos agricultores possibilidades de rastreamento, de modo que um sensor contendo o módulo NB‑IoT possa enviar um alerta se o movimento de um animal for fora do comum. Esses sensores poderiam ser usados ​​para monitorar a temperatura e a umidade do solo e, em geral, monitorar os atributos da terra, poluição, ruído, chuva, umidade, pressão, vento etc.

 

Conclusão

O tipo de tecnologia, seja Lora, Sigfox ou NB-IOT, irá depender muito do tipo de projeto e da rede que deverá ser utilizada ou construída para as aplicações de Internet das Coisas. Por exemplo, se eu não sou uma operadora e vou atender um shopping, partiria para o Lora, mas se sou uma rede de farmácias que precisa executar a leitura de umidade e temperatura das geladeiras de remédios, estaria estabelecendo o uso do Sigfox ou NB-IoT. Não que o Lora não seja possível, mas com o Sigfox e NB-IoT teríamos uma infraestrutura muito menor, que se traduz a menores custos e rapidez na implantação. Boa parte dos sensores podem implementar as 3 tecnologias.

 

Bibliografia

Narrowband – Internet of Things (NB-IoT)

 

https://www.rohde-schwarz.com

 

2 opiniões sobre “NarrowBand – Internet das Coisas (NB-IoT)

  • 3 de fevereiro de 2019 em 16:51
    Permalink

    Boa tarde, esta tecnologia NB-IoT já está implementada aqui no Brasil? Ha rede para instação de um medidor com estas características?

    Resposta
    • 17 de fevereiro de 2019 em 16:29
      Permalink

      Como vai Danilo,

      sim, está sendo implementado pelas operadoras de celular.

      No caso de medidores, sugiro as redes Sigox ou Lora

      Resposta

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