IoT de banda estrecha (NB-IoT)

Narrowband IoT (NB-IoT) es un protocolo inalámbrico de Internet de las cosas (IoT) que utiliza tecnología de red de área amplia de baja potencia (LPWAN). Fue desarrollado por 3GPP para la comunicación inalámbrica celular que permite una amplia gama de nuevos dispositivos y servicios NB-IoT. NB-IoT es uno de los tres principales estándares LPWAN de 3GPP.

El estándar de comunicación NB-IoT tiene como objetivo permitir que los dispositivos IoT operen a través de redes portadoras, ya sea dentro de una onda portadora de comunicación Global System for Mobile (GSM) existente, en una "banda de protección" no utilizada entre canales LTE o de forma independiente.

Uno de los objetivos de NB-IoT es impulsar la extensión de la cobertura más allá de lo que ofrecen las tecnologías celulares existentes. Para hacer eso, NB-IoT ofrece repeticiones de transmisión y diferentes configuraciones de asignación de ancho de banda en la transmisión de enlace ascendente.

NB-IoT puede habilitar una amplia gama de nuevos dispositivos y servicios de IoT. NB-IoT reduce el consumo de energía de los dispositivos conectados, al tiempo que aumenta la capacidad del sistema y la eficiencia del ancho de banda, particularmente en ubicaciones que no son fácilmente cubiertas por las tecnologías celulares tradicionales. Los dispositivos conectados a NB-IoT pueden tener una duración de batería de más de 10 años para muchos casos de uso.

Hasta la fecha, 159 operadores han invertido en NB-IoT con 107 redes implementadas / lanzadas en todo el mundo.

¿Cómo funciona NB-IoT?

NB-IoT es un estándar de transmisión de datos diseñado para permitir que los dispositivos funcionen en redes de operadores móviles. La tecnología NB-IoT utiliza señales de bajo ancho de banda para comunicarse dentro de las tecnologías GSM y LTE existentes.

Los dispositivos y sensores especialmente diseñados son los componentes básicos de los sistemas NB-IoT. Estos dispositivos recopilan información de su entorno y la transmiten a estaciones base o nodos de transmisión NB-IoT. Las estaciones base individuales están conectadas a una puerta de enlace de IoT y servidores de aplicaciones en la nube de IoT para un monitoreo y análisis de datos centralizados.

NB-IoT emplea una nueva capa física con señales y canales para cumplir con los requisitos de cobertura extendida en áreas rurales y en interiores profundos, al tiempo que permite una complejidad de dispositivo muy baja. La tecnología subyacente es mucho menos compleja que la de los módulos GSM / GPRS.

Con el respaldo de todos los principales fabricantes de equipos móviles, conjuntos de chips y módulos, NB-IoT puede existir junto con redes móviles 2G, 3G y 4G.

¿Cuáles son los beneficios de NB-IoT?

Los beneficios de NB-IoT incluyen:

  • Cobertura y conectividad ubicuas. NB-IoT puede ayudar a admitir una gran cantidad de dispositivos mediante el establecimiento de redes NB-IoT que pueden conectarse a miles de millones de nodos. Diseñado para una cobertura extendida en interiores, la menor complejidad de los dispositivos proporciona conectividad y comunicación de largo alcance.
  • Bajo consumo de energía. NB-IoT no necesita ejecutar un sistema operativo pesado, como Linux, o realizar mucho procesamiento de señales, lo que lo hace más eficiente en términos de energía en comparación con otras tecnologías celulares.
  • Bajo costo de dispositivos. Debido a que es más fácil crear dispositivos con menor complejidad, el costo de los dispositivos es significativamente bajo, alrededor de $ 5 por módulo.
  • Duración de la batería de varios años. La capacidad mejorada de consumo de energía permite que NB-IoT admita una vida útil de la batería de varios años para los dispositivos.
  • Seguridad. NB-IoT está protegido de manera muy similar a 4G, incluidas todas las funciones de autenticación basadas en SIM y encriptación.

Ejemplos de aplicaciones NB-IoT

NB-IoT se puede utilizar para las siguientes aplicaciones:

  • Medición inteligente. NB-IoT funciona bien para monitorear medidores de agua y gas a través de transmisiones de datos pequeñas y regulares. La cobertura de la red es un problema importante en el despliegue de la medición inteligente, ya que los medidores a menudo se instalan en lugares difíciles, como en el subsuelo profundo, en sótanos o en áreas rurales remotas. La cobertura y la penetración de NB-IoT pueden abordar este problema.
  • Ciudades inteligentes. NB-IoT puede ayudar a los gobiernos locales a controlar el alumbrado público, determinar cuándo se deben vaciar los contenedores de basura, identificar los espacios de estacionamiento libres, monitorear las condiciones ambientales y estudiar las condiciones de las carreteras.
  • Edificios inteligentes. Los sensores conectados NB-IoT pueden enviar alertas a los administradores de las instalaciones con respecto a problemas de mantenimiento de edificios. También existen sistemas de monitoreo de temperatura interior que se basan en sensores NB-IoT. NB-IoT puede servir para respaldar la conexión de banda ancha de un edificio.
  • Rastreo. NB-IoT proporciona una forma segura y económica de rastrear personas, animales y activos cuando el rastreo continuo no es necesario. NB-IoT es bueno para rastrear objetos que pueden no estar en movimiento todo el tiempo.
  • Agricultura inteligente. La conectividad NB-IoT permite a los agricultores y las ciudades capturar datos de sensores ambientales que contienen módulos NB-IoT que pueden enviar alertas si ocurre algo fuera de lo común. Estos sensores podrían usarse para monitorear la temperatura y la humedad del suelo, así como para rastrear los atributos de la tierra, la contaminación, el ruido y la lluvia.

Ejemplos de NB-IoT

Una lista de ejemplos de aplicaciones NB-IoT.

NB-IoT frente a Cat-M1

Las dos tecnologías principales que admiten implementaciones masivas de IoT son NB-IoT y Cat-M1. Si bien NB-IoT y Cat-M1 son tecnologías estandarizadas 3GPP, abordan diferentes tipos de casos de uso según las fortalezas de sus capacidades.

NB-IoT admite dispositivos de complejidad ultrabaja con un ancho de banda muy estrecho, 200 kHz. Debido a su ancho de banda estrecho, la velocidad de datos alcanza un máximo de alrededor de 250 kilobits por segundo (Kbps).

Cat-M1, por otro lado, opera con un ancho de banda de 1.4 MHz con una mayor complejidad del dispositivo y a un costo mayor que NB-IoT. Con el ancho de banda más amplio, Cat-M1 puede lograr una latencia más baja, mayores velocidades de datos (hasta 1 megabit por segundo) y capacidades de posicionamiento del dispositivo más precisas.

Los dispositivos NB-IoT y Cat-M1 pueden dormir durante períodos de tiempo prolongados con recepción discontinua extendida, un método utilizado en la comunicación móvil para conservar la batería de un dispositivo móvil. Tanto NB-IoT como Cat-M1 también admiten una cobertura de señal mejorada por estación base.

NB-IoT frente a LTE-M

LTE-M, o "comunicaciones de tipo máquina (MTC) de evolución a largo plazo (LTE)", es un estándar de tecnología LPWAN introducido por 3GPP en la versión 13.

LTE-M es tecnología 5G que admite una complejidad de dispositivo simplificada, bajo consumo de energía del dispositivo, densidad de conexión masiva y baja latencia. LTE-M también proporciona una cobertura extendida y permite la reutilización de la base instalada LTE. 

La implementación de LTE-M se puede realizar "en banda" dentro de una portadora LTE estándar o "autónoma" en un espectro dedicado. Utiliza la tecnología de espectro ensanchado LTE gratuita. Los fabricantes de dispositivos que deseen implementar en las redes celulares actuales pueden usar LTE-M. Por otro lado, NB-IoT utiliza tecnología de modulación de espectro ensanchado de secuencia directa para la conectividad frente a la tecnología de ensanchamiento LTE. NB-IoT también se puede implementar en la banda de protección de un operador LTE. 

Como NB-IoT es muy flexible, puede operar en bandas 2G, 3G y 4G y elimina la necesidad de una puerta de enlace, lo que finalmente ahorra dinero. 

NB-IoT ofrece una cobertura interior mejorada, admite una gran cantidad de dispositivos de bajo rendimiento, baja sensibilidad de retardo, bajo consumo de energía del dispositivo, arquitectura de red optimizada y es muy rentable.

LTE-M, sin embargo, es más caro porque varios operadores grandes tienen patentes sobre las tecnologías subyacentes y los usuarios de LTE-M pagan regalías a estas empresas por su propiedad intelectual.

NB-IoT frente a LoRa

LoRa, que se utiliza como tecnología de red de área amplia (WAN), es una tecnología de modulación no celular para LoRaWAN, el protocolo estándar para comunicaciones WAN.

LoRa, abreviatura de largo alcance, es un protocolo de comunicación inalámbrica de bajo consumo y largo alcance desarrollado por LoRa Alliance, una organización sin fines de lucro dedicada a estandarizar las tecnologías LPWAN como un estándar de IoT seguro y energéticamente eficiente.

LoRa es una tecnología de modulación para LoRaWAN, una especificación LPWAN destinada a comunicaciones de largo alcance. LoRa y NB-IoT operan dentro de la tecnología LPWAN.

Aunque NB-IoT y LoRa son tecnologías de red de área amplia de baja potencia creadas para dispositivos de baja potencia, NB-IoT tiene una latencia más baja en comparación con LoRa debido a la mayor potencia de salida del dispositivo, que puede ofrecer velocidades de datos más altas.

NB-IoT opera en el espectro con licencia. Sin embargo, se puede implementar en banda dentro de una portadora LTE normal o de forma independiente para implementaciones en espectro dedicado. Debido a que el ancho del canal es muy pequeño, permite que la señal NB-IoT se entierre dentro de un canal LTE más grande, reemplace un canal GSM o exista en los canales de protección de las señales LTE regulares.

LoRaWAN es una técnica de modulación de espectro extendido diseñada para facilitar la comunicación entre dispositivos de baja potencia y aplicaciones de IoT. El sistema inalámbrico LoRa utiliza frecuencias sin licencia disponibles en todo el mundo para comunicarse con una red.

Consideraciones sobre la aplicación de IoT

Una comparación de aplicaciones a considerar al implementar IoT.

Barreras para que NB-IoT se convierta en una norma

Las barreras para que NB-IoT se convierta en una norma incluyen:

  • Movilidad limitada del dispositivo. Los dispositivos NB-IoT solo permanecen conectados dentro de un entorno finito y solo a un operador de red. Esto podría significar limitaciones para usos tales como wearables que dejan perímetros específicos. Si una persona con un dispositivo portátil, por ejemplo, ingresa a otro país, el dispositivo podría volverse inoperable si el operador no tiene presencia local.
  • Transmisión de datos limitada. La transmisión de voz o video no es una opción porque NB-IoT solo puede transmitir menos de un kilobyte de datos por día, aproximadamente lo mismo que un mensaje de texto. La tasa de carga de datos NB-IoT es de alrededor de 20 Kbps, baja en comparación con las tecnologías de la competencia. Su ancho de banda es de unos 200 KHz.
  • Carece de prueba de concepto. Debido a que los lanzamientos comerciales han sido relativamente limitados, es difícil determinar si la tecnología ha tenido éxito.